浮选-浸出联合法高效回收铝电解危废碳渣资源：机理创新与环境效益分析

《Environmental Technology & Innovation》：Recovery of the Majority of Resources from Hazardous Waste Carbon dross Using a New Combined Flotation-leaching Method: Process and Mechanism

　　本研究针对铝电解危废碳渣资源化难题，创新提出浮选-浸出联合法(CFL)，实现了95.9%的总回收率，获得纯度95.67%的碳粉和99.65%的电解质。通过动力学和DFT计算揭示Na3AlF6去除机制，每处理1吨碳渣可减排CO2至少539kg，为铝工业绿色转型提供技术支撑。

　　

在铝电解工业的轰鸣声中，一种名为碳渣的危险废物正悄然成为环保难题。作为霍尔-埃鲁法(Hall-Heroult process)生产原铝的副产品，碳渣主要由碳颗粒和电解质组成，含有高浸出毒性的氟化物，若处置不当将对生态环境和人类健康构成严重威胁。随着全球铝产量持续增长（2024年达7180万吨），碳渣年产量已突破70万吨，传统处理方法如焙烧法和碱熔法虽能获得高纯度产品，但存在资源回收率低、能耗高、碳排放量大等瓶颈。更棘手的是，现代铝电解工艺的进步使碳渣中碳含量降至40%以下，甚至部分企业已低于20%，导致常规浮选和浸出方法的分离效率骤降、试剂消耗激增。

面对这一挑战，广西师范大学的研究团队在《Environmental Technology》上发表了创新性研究成果，开发出浮选-浸出联合法(Combined Flotation-Leaching, CFL)，成功实现了碳渣中95.9%有价值资源的高效回收。该方法通过浮选初步分离碳和电解质，再经浸出进行深度净化，最终获得纯度达95.67%的碳粉和99.65%的电解质产品。

研究团队运用响应面分析法(Response Surface Methodology, RSM)优化工艺参数，通过浮选动力学确定碳渣浮选符合经典一级模型，而氟离子浸出则遵循缩核模型，受内扩散控制。热力学计算表明Na₃AlF₆是主要去除杂质，密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)计算则从原子层面揭示了碱浸比酸浸反应速率更快但浸出效率较低的内在机制：NaOH与Al暴露表面反应，该表面能较高；而H₂SO₄与Na暴露表面结合，吸附能较低。

关键技术方法包括：采用一粗一精二扫的浮选流程对碳渣进行初步分离；通过RSM设计优化水浸、碱浸和酸浸工艺条件；利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对原料及产物进行表征；基于经典动力学模型和缩核模型分析浸出过程；采用DFT计算模拟分子表面反应机制。

研究结果系统揭示了CFL方法的效能与机理：

3.1. 碳渣表征

碳渣主要元素为氟、碳和钠，主要物相包括C、Na₃AlF₆、Na₅Al₃F₁₄等，碳以层状结构存在，杂质颗粒附着于表面和层间间隙。

3.2. CFL方法结果

通过RSM优化获得最佳工艺条件：浮选阶段矿浆浓度30wt%、捕收剂用量1000g·t^-1、转速2100r·min^-1、pH=7；碱浸时间2.05h、液固比20mL·g^-1、NaOH浓度2.19mol·L^-1；酸浸时间36h、液固比16mL·g^-1、H₂SO₄浓度1.80mol·L^-1。采用先碱后酸的序贯浸出策略，可有效去除Na₅Al₃F₁₄和CaF₂等难溶杂质，试剂用量比单一浸出法减少64.90%。

3.3. CFL方法机理

浮选动力学表明增加矿浆密度、捕收剂用量和搅拌速度可提高回收率，pH值通过影响碳表面亲水性而呈现先增后降趋势。热力学分析显示碱浸可去除Na_{3AlF6、K2NaAlF6等杂质但无法反应CaF2，酸浸则能有效溶解CaF2和Na3AlF6。DFT计算发现Na3AlF6的Al暴露表面能(0.67J·m^-2)高于Na暴露表面(0.33J·m^-2)，且NaOH吸附能(-2.34eV)高于H2SO4(-3.12eV)，这解释了碱浸速率快但酸浸更彻底的现象。}

3.4. 环境影响

CFL法处理每吨碳渣可避免焙烧法产生的至少539kg CO₂排放，回收碳粉替代石油焦还可再减排140-200kg CO₂。浸出毒性测试表明，处理后残渣氟离子浓度从原料的216.6mg/L降至3.73mg/L，降幅达98.28%，不再属于危险废物。

本研究成功开发了CFL这一高效、低能耗的碳渣资源化技术，不仅实现了95.9%的资源回收率，更通过多尺度机理研究阐明了过程本质。浮选遵循经典一级动力学，浸出受内扩散控制，DFT计算从电子层面揭示了不同浸出剂的反应路径差异。该技术有效解决了低碳含量碳渣的处理难题，为铝工业碳减排和危险废物资源化提供了技术范本，兼具显著的经济效益和环境效益。