一种利用赤泥制备铁铝硅-碳化硅复合材料的方法

技术领域

本发明属于熔盐电解技术领域，具体地说是一种利用赤泥制备铁铝硅-碳化硅复合材料的方法。

背景技术

赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的工业固体废弃物，因其氧化铁含量大，外观与赤色泥土相似，故被称为赤泥。赤泥是一种不溶性残渣，可分为烧结法赤泥、拜尔法赤泥和联合法赤泥。

我国每年都会产生大量赤泥，但赤泥的利用率很低，已经有上亿吨赤泥被积存。大量赤泥筑坝存放，不仅占用土地资源，其碱性渗出液和扬尘还会污染周围水源和空气，成为附近居民健康的重大安全隐患。目前对赤泥大量利用的方法主要是整体性利用，如整体用于制备建筑材料和用作吸附剂等。然而，在对赤泥进行整体性利用的过程中，赤泥中大量含有价元素的组分往往得不到利用。因此，随着冶金技术的不断发展，为实现对赤泥的物尽其用，回收提取其中有价元素的工艺技术不断被提出。由于赤泥组成成分复杂，且杂质含量较多，造成有价金属回收的技术难度和处理成本增加，目前对赤泥中有价元素的提取工艺主要集中在对单一金属的富集，难以实现对赤泥中多种元素进行系统性回收，导致赤泥中有价金属回收不彻底，低品位金属回收经济性较差。因此，开发更高效回收有价金属的技术，加强系统性提取赤泥中多种有价金属的相关研究，是未来实现赤泥资源化利用的关键。

发明内容

本发明的目的，是要提供一种利用赤泥制备铁铝硅-碳化硅复合材料的方法，通过熔盐电脱氧技术实现赤泥中有价金属的回收利用。

本发明为实现上述目的，所采用的技术方法如下：

S1、将NaCl和CaCl

S2、以赤泥为原料制作阴极，以石墨为原料制作阳极，阴极和阳极通过不锈钢棒连接，将赤泥阴极和石墨阳极放入反应器的NaCl-CaCl

S3、电解结束后，将电解产物迅速取出后，将电解产物连同导体棒浸入去离子水中使其迅速冷却，继续用去离子水洗去电极表面残留的盐后，将电解产物从不锈钢棒上取下，清洗后进行干燥，即得铁铝硅-碳化硅复合材料。

作为限定：步骤S1中的干燥温度为150℃-250℃，干燥时间为8h以上，保温温度为300℃-500℃，保温时间为4h以上，升高管式炉内温度达到800℃-900℃。

作为进一步限定：步骤S1得到NaCl-CaCl

作为再进一步限定：步骤S2中反应器通过带橡胶管的塞子进行密封，赤泥阴极和石墨阳极的极间距为1.8cm；电解过程为：在800℃-900℃条件下，采用恒电压电解或采用分阶段电压电解的方式进行电解，采用恒电压电解的电压为3.1V-3.2V，电解时间为10h-12h；采用分阶段电压电解首先进行第一阶段电解，再进行第二阶段电解，第一阶段电解的电压为2.4V，电解时间为4h，第二阶段电解的电压为3.1V-3.2V，电解时间8h；电解过程中持续向密闭反应器中通入氩气，电解过程中产生的一氧化碳或二氧化碳，随氩气通过橡胶管排出。

作为另一种限定：步骤S2中赤泥阴极制备过程为：将赤泥进行球磨粉碎，再通过压样机进行压制，制得直径为15mm，厚度为2mm的圆柱体样品，将圆柱体样品置于管式炉中进行烧结后取出，与导线集流体连接得赤泥阴极；

石墨阳极制备过程为：将10mm×5mm×100mm的石墨片，依次通过1000#、1500#和2000#的砂纸上进行打磨后，再在超声波中用去离子水和乙醇清洗其表面3次以上，以去除其表面吸附的石墨粉与油脂，之后，将石墨片置于真空干燥箱中在150℃的条件下干燥4h以上，再在石墨片一端钻取直径1mm的孔洞，用直径1mm的镍丝穿过石墨片一端的孔洞使石墨片与直径5mm的不锈钢导体棒相连，即得石墨阳极。

作为进一步限定：压制机压强为8Mpa-10Mpa，压制时间为150s-250s，管式炉升温速率为3℃/min-5℃/min，烧结温度为900℃-1100℃，烧结时间为2h-4h。

作为最后的限定：步骤S3中清洗方式为在超声波中采用去离子水进行清洗1h，干燥温度为150℃-250℃，干燥时间为4h以上。

本发明由于采用了上述方案，与现有技术相比，所取得的有益效果是：

本发明提供的一种利用赤泥制备铁铝硅-碳化硅复合材料的方法，通过烧结赤泥，增加了赤泥的机械强度，并将烧结后的赤泥作为阴极，有利于电解结束后阴极产物的收集；在电解过程中可以增大反应的接触面积，有利于反应的快速进行；通过烧结过后，使赤泥物相发生改变，有利于电化学还原；烧结过后的赤泥阴极固体具有一定的孔隙率，对电解过程及电流效率产生积极影响；此外，本方法无需使用酸碱溶液，工艺设备简单，能耗和生产成本较低，对环境友好，对人体危害小。

本发明的制备方法适用于制备铁铝硅-碳化硅复合材料。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。

图1为本发明实施例1-6烧结后赤泥的实物图；

图2为本发明实施例3烧结前赤泥的XRD图谱；

图3为本发明实施例3烧结后赤泥的XRD图谱；

图4为本发明实施例3烧结前和烧结后赤泥的SEM图；

图5为本发明实施例3采用分阶段电压电解过程的电位变化图；

图6为本发明实施例3得到铁铝硅-碳化硅复合材料的XRD图谱；

图7为本发明实施例2得到铁铝硅-碳化硅复合材料的XRD图谱。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和等效变化，都在本发明权利要求保护的范围之内。

实施例1-6一种利用赤泥制备铁铝硅-碳化硅复合材料的方法

一种利用赤泥制备铁铝硅-碳化硅复合材料的方法，制备过程中的工艺参数如表1所示，该制备方法包括依次进行的以下步骤：

S1、将NaCl和CaCl

S2、以赤泥为原料制作阴极，以石墨为原料制作阳极，阴极和阳极通过不锈钢棒连接，将赤泥阴极和石墨阳极放入反应器的NaCl-CaCl

S3、电解结束后，将电解产物迅速取出后，将电解产物连同导体棒浸入去离子水中使其迅速冷却，继续用去离子水洗去电极表面残留的盐后，将电解产物从不锈钢棒上取下，在超声波中用去离子水清洗1h，在150℃-250℃的条件下干燥4h以上，即得铁铝硅-碳化硅复合材料。

制作赤泥阴极的具体过程为：将赤泥进行球磨粉碎，再于8Mpa-10Mpa压强下通过压样机压制150s-250s制得直径为15mm，厚度为2mm的圆柱体样品，将圆柱体样品置于管式炉中以3℃/min-5℃/min的升温速率加热到900℃-1100℃烧结2h-4h后取出，与导线集流体连接得赤泥阴极；

制作石墨阳极的具体过程为：将10mm×5mm×100mm的石墨片，依次通过1000#、1500#和2000#的砂纸进行打磨后，再在超声波中用去离子水和乙醇清洗其表面3次以上，以去除其表面吸附的石墨粉与油脂，之后，将石墨片置于真空干燥箱中在150℃的条件下干燥4h以上，再在石墨片一端钻取直径1mm的孔洞，用直径1mm的镍丝穿过石墨片一端的孔洞使石墨片与直径5mm的不锈钢导体棒相连，即得石墨阳极。

表1实施例1-6制备铁铝硅-碳化硅复合材料过程中的工艺参数

表2实施例1-6制备赤泥阴极过程中的工艺参数

实施例1-6烧结后的赤泥如图1所示，实施例3烧结前赤泥的XRD图谱如图2所示，烧结后赤泥的XRD图谱如图3所示，实施例3烧结前赤泥的SEM图如图4(a)所示，烧结后赤泥的SEM图如图4(b)所示，其余实施例赤泥烧结前后的XRD图谱和SEM图与实施例3相似，在此不在赘述，赤泥烧结后表面水以及结合水可彻底去除，使赤泥物相发生改变，且物相组成稳定，增加了赤泥的机械强度，有利于电化学还原和电解结束后阴极产物的收集；烧结后的赤泥，具有一定的孔隙率，对电解过程及电流效率产生积极影响，在电解过程中可以增大反应的接触面积，有利于反应的快速进行。

实施例3采用分阶段电压电解过程的电位变化如图5所示，制得的铁铝硅-碳化硅复合材料通过X射线衍射仪进行物性分析，得到图6所示的XRD图谱。实施例2采用恒电压电解的方式进行电解，制得的铁铝硅-碳化硅复合材料通过X射线衍射仪进行物性分析，得到图7所示的XRD图谱。实施例1和5制得的铁铝硅-碳化硅复合材料与实施例2铁铝硅-碳化硅复合材料的XRD图谱相似，实施例4和6制得的铁铝硅-碳化硅复合材料与实施例3铁铝硅-碳化硅复合材料的XRD图谱相似，在此不再赘述，本发明无需使用酸碱溶液，工艺设备简单，能耗和生产成本较低，对环境友好，对人体危害小，通过熔盐电脱氧技术即可对铁铝硅-碳化硅复合材料进行回收，实现赤泥中有价金属的回收利用。