Эффективное удаление AlN из вторичного алюминиевого шлака с использованием бинарного фторида: теоретическое и экспериментальное исследование

Преображение скрытого алюминиевого отхода в более безопасный ресурс

Каждый раз при производстве или переработке алюминия на поверхности расплава образуется корка остаточного материала, называемая вторичным алюминиевым шлаком (SAD). Во всем мире ежегодно образуются миллионы тонн этих отходов, которые зачастую складируются на свалках. При увлажнении SAD может выделять токсичные и легковоспламеняющиеся газы, что представляет опасность для прилегающих населённых пунктов и загрязняет почву и подземные воды. В этом исследовании показано, как сделать SAD гораздо безопаснее — и полезнее — трансформируя один из его наиболее проблемных компонентов в стабильную форму с помощью тщательно подобранных солей фтористоводорода.

Почему эти промышленные отходы так опасны

SAD — это не просто безвредный пепел. Он содержит непрореагировавший алюминий, соли и азотсодержащий соединение — нитрид алюминия (AlN). AlN ценен тем, что в нём всё ещё содержится алюминий, который можно извлечь, но он же является основным источником опасных газов, таких как аммиак, при контакте SAD с влагой. Существующие методы обработки либо используют водные реакции, что сопряжено с риском выделения газов и образованием больших объёмов солёных сточных вод, либо высокотемпературную обработку, которая безопаснее, но энергоёмка и часто приводит к потерям оставшегося алюминия. Ключевая задача — найти способ превратить AlN в стабильный оксид алюминия при умеренных температурах, быстро и эффективно, не создавая новых экологических проблем.

Как защитная «корка» замедляет очистку

Исследователи сначала задали базовый вопрос: что именно происходит, когда AlN вступает в контакт с кислородом при высокой температуре? С помощью продвинутых компьютерных моделирований атомной структуры поверхностей AlN они обнаружили, что молекулы кислорода прикрепляются к определённым участкам поверхности и распадаются, формируя плотно упакованный слой атомов алюминия и кислорода. Эта тонкая, но плотная оболочка ведёт себя как щит, который блокирует дальнейшее проникновение кислорода к лежащему под ней AlN. При низких и умеренных температурах щит остаётся упорядоченным и неповреждённым, поэтому лишь небольшая часть AlN превращается в безвредный оксид алюминия. Только при крайне высоких температурах, когда оболочка становится более подвижной и дезупорядоченной, кислород может пройти сквозь неё и полностью окислить AlN — вариант, который слишком энергоёмок для практического промышленного применения.

Использование фторидных солей для «разрушения» щита

Чтобы обойти это естественное самозащищающееся поведение, команда протестировала ряд обычных промышленных добавок при прожаривании — сухой термической обработке на воздухе. Они сравнивали несколько оксидов и карбонатов с различными фторидными солями. Измерения показали, что большинство не‑фторидных добавок мало помогают: после нагрева чистого AlN при 900 °C более двух часов было преобразовано менее одной пятой вещества. В резком контрасте фторидные соли, такие как фторид натрия, фторид алюминия и особенно смешанная соль криолит (Na3AlF6), заметно ускоряли реакцию; криолит почти полностью устранял AlN при тех же условиях. Электронная микроскопия пояснила причину: вместо гладкой непрерывной корки обработанные частицы образовывали трещиноватые, слоистые оболочки, которые больше не герметизировали внутреннюю часть.

Поиск наиболее эффективной смеси солей

Далее исследователи перешли от чистого AlN к реальному SAD с алюминиевого перерабатывающего завода и оптимизировали состав. Они изучали разные температуры прожаривания и сочетания фторидных солей, включая смеси криолита с фторидом натрия, фторидом алюминия или фторидом калия (KF). Было обнаружено, что бинарная смесь KF и криолита обладает особенно высокой эффективностью. При прожаривании SAD при 800 °C всего за один час с добавкой 12 мас.% этой смеси (половина KF, половина криолита) было преобразовано около 93% AlN — высокий уровень очистки при относительно умеренной температуре и коротком времени. Структурный анализ показал, что эти добавки способствуют реорганизации защитной корки в более открытую форму глинозёма, известную как бета‑глинозём, состоящую из пластин, разделённых слабо упакованными слоями. Эта хрупкая, слоистая структура легко трескается, позволяя кислороду проникать и завершать окисление.

От опасного отхода к восстанавливаемому ресурсу

Помимо непосредственного разрушения AlN, исследование оценивало поведение обработанного материала при последующем контакте с водой, а также с кислотными и щелочными растворами. Прожаренный SAD практически не выделял газа и демонстрировал гораздо меньшие изменения pH по сравнению с необработанными образцами, что подтверждает удаление большинства опасных азотсодержащих реакций. Хотя некоторые растворимые соли, такие как натрий и хлорид, всё ещё могут выщелачиваться и требуют контроля, материал теперь ведёт себя скорее как вторичное сырьё, чем как опасный отход. Поскольку значительная часть алюминия оказывается в виде стойкого, но ценного глинозёма, дальнейшая работа может быть направлена на улучшение методов его растворения и извлечения алюминия в контролируемых условиях. В практическом плане исследование демонстрирует, что грамотно подобранные смеси фторидных солей могут нарушить естественный барьер, замедляющий окисление AlN, что делает возможной более безопасную, эффективную и перспективную для переработки очистку алюминиевого шлака.

Цитирование: Li, T., Guo, Z., Qin, H. et al. Efficient removal of AlN from secondary aluminum dross using binary fluoride: a theoretical and experimental study. Sci Rep 16, 12986 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43443-6

Ключевые слова: алюминиевый шлак, обработка промышленных отходов, фторидные добавки, нитрид алюминия, переработка металлов