铝渣 (Aluminum Dross, AD) 是一种有害废物，但其含有有价值的金属 Al 和活性氮化铝 (Aluminum Nitride, AlN)。如何从 AD 中回收 Al 和 AIN 是一项有挑战的研究。南京工业大学周吉峙教授研究团队在 Waste 发表的论文，开发了一种机械铣削方法来分离 Al 和 AlN。研究将钢棒和钢球用作研磨介质，研磨后 AD 粒径减小，分布范围为 0.425—2 mm、0.15—0.425 mm、0.08—0.15 mm 以及 < 0.08 mm，其中粒度分布受球磨介质和研磨时间的影响。钢球介质对 > 2 mm 的颗粒有较好的研磨效果，球磨后，Dp0.08—2 mm 粒度分数约占 90%。
随着粒径的变化，AD 的元素含量会发生变化：金属 Al 的含量降低，而 Si 的含量增加。金属 Al 主要以 > 0.425 mm 的颗粒存在，占 48.5%；AlN 主要存在于 Dp0.15—0.425 mm，占 64.9%。最佳研磨条件实现了 65% 的 Al 回收率和 90% 的 AlN 分离效率。这项工作为工业应用中 AD 回收和 AlN 消除的高效预处理提供了一种有效方法。
研究过程和结果
AD 的晶相由固体 XRD 确定，如图 1 所示。该结果表明 Al 以合金、Al 氧化物和 AlN 的形式存在。
图 1. AD 的 XRD 图和元素含量。
筛分后原料 AD 的粒径分布依次为 > 2 mm、0.425—2 mm、0.15—0.425 mm、0.08—0.15 mm、< 0.08 mm，这些粒径的相应百分比分别为 22.3%、30.8%、23.7%、21.1% 和 2.1%，如图 2 所示。因此，具有不同粒径的级分被定义为 Dp > 2 mm、Dp0.425—2 mm、Dp0.15—0.425 mm、Dp0.08—0.15 mm 和 Dp < 0.08 mm。
图 2. 使用不同研磨介质研磨后 AD 的粒度分布 (a: > 2 mm; b: 0.425—2 mm; c: 0.15—0.425 mm; d: 0.08—0.15 mm; e: < 0.08 mm)。
图 2 说明了用不同研磨介质研磨后 AD 颗粒的尺寸分布。棒材研磨后，较大颗粒的比例下降，在棒材研磨的情况下，观察到不同粒度范围的分数发生类似变化，这导致 Dp0.15—0.425 mm 从 23.7% 急剧增加到 52.7%，并且 Dp > 2 mm，压差 0.425—2 mm。该结果表明，大颗粒的 AD 可以通过研磨破碎成更小的颗粒。这表明金属铝可能与 AlN 分离，因为金属铝比 AlN 更具延展性。在研磨处理中，研磨时间对产品的大小起着重要作用。
图 3 显示了研磨时间对 AD 粒度分布的影响，AD 的粒径主要集中在 Dp2—0.15 mm 范围内，球磨具有降低 AD 粒度的优势。球磨时间的增加导致大 AD 颗粒（> 2 mm）的比例降低。
图 3. (a) 钢棒研磨；(b) 钢球研磨；(c-d) 不同时间获得的粒度分布 (a: > 2 mm; b: 0.425—2 mm; c: 0.15—0.425 mm; d: 0.08—0.15 mm; e: < 0.08 mm)。
图 4 显示了不同研磨材料对 AD 的不同粒度分布的影响。钢棒研磨后粒度分布以 Dp0.425—0.15 mm 为主。较大颗粒的比例降低。棒材研磨后 AD 的粒径集中在 Dp0.425—0.15 mm 范围内。棒材介质是研磨粗粒度 AD 的合理选择。钢球磨后粒径集中在 Dp0.425—0.15 mm 范围内，较大颗粒的比例下降；为了提高铝回收率，应该将粒径保持在 0.15—2 mm，3 min 为最佳研磨时间。
图 4. 钢球和钢棒研磨后不同粒径 AD 的 AlN 质量分数 (a: >2 mm; b: 0.425—2 mm; c: 0.15—0.425 mm; d: 0.08—0.15 mm; e: <0.08 mm)。
考虑到研磨的能源成本，最佳研磨时间为 5 分钟，以提高金属铝含量。与原料 AD 含量相比，钢球研磨后的总金属 Al 含量下降至 32.77%，钢棒研磨后下降至 26.94%，表明在球磨过程中损失了部分金属 Al。该结果表明金属铝分数集中在 Dp2—0.15 mm 范围内，可用于金属铝回收。钢球介质比钢棒介质具有更好的金属铝回收率。金属铝回收的最佳条件是钢球研磨 10 分钟。
AlN 是 AD 的有害成分。本研究采用了一种新的方法来分离 AlN。该方法通过球磨分离 AlN，这导致 AlN 在细粒度 AD 中的聚集。图 4 显示了使用不同研磨介质的不同粒径 AD 的 AlN 分数。结果表明在钢球研磨后，AlN 可以与较大粒径的 AD 分离。钢球研磨后 AlN 集中在 Dp0.425—0.15 mm 和 Dp0.15—0.08 mm。
总结与讨论
(1) 未处理的 AD 中 Dp < 0.08 mm 的分数较低，而 AD 的其他粒径的分数是均匀的。球磨后，粒度分布集中在 Dp0.425—0.08 mm AD。钢棒和钢球介质研磨对粗 AD 颗粒影响明显。钢球研磨介质比钢棒介质具有更好的冲击力。
(2) 球磨后不同粒径 AD 的元素分数不同。金属 Al 集中在 AD 的 Dp2—0.425 mm 部分，AlN 集中在 AD 的 Dp0.425—0.15 mm 部分。
(3) 钢球研磨 10 分钟后金属铝回收率达到 65%。
(4) 钢球研磨 10 min 后 AlN 质量分数达到 90% 左右。
原文出自 Waste 期刊：https://www.mdpi.com/1851062
Waste 期刊介绍
主编：Catherine N. Mulligan, Concordia University, Canada
期刊主题涵盖了科学研究中关于废物管理、废物处理技术、政策等方面的研究，主要涵盖了化学、生物学、经济学、社会学等领域的最新进展。期刊已被 CNKI、Digital Science、RePEc 等多个数据库收录。
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