使用二元氟化物高效去除二次铝渣中AlN的理论与实验研究

把被忽视的铝废料变成更安全的资源

每当铝被生产或回收时，熔融金属表面会形成一层残余物，称为二次铝渣（SAD）。全球每年产生数百万吨这种废料，往往被堆置在填埋场。当SAD受潮时，会释放有毒且可燃的气体，威胁周边社区并污染土壤和地下水。本研究探讨如何通过使用精心选择的氟化盐，将SAD中最棘手的成分之一转化为稳定形态，从而使其更安全且更具利用价值。

为什么这种工业废物如此棘手

SAD并非无害的灰烬。它含有未反应的铝金属、盐类，以及一种富含氮的化合物——氮化铝（AlN）。AlN有回收铝的潜力，但它也是SAD受潮时产生氨等危险气体的主要来源。现有处理方法要么采用水相化学，存在气体释放风险并产生大量含盐废水，要么采用高温处理，虽然更安全但耗能高且常常浪费剩余铝。关键挑战在于找到一种方法，在适中的温度下快速高效地将AlN转化为稳定的氧化铝，同时不造成新的环境问题。

保护性“表皮”如何减缓清理过程

研究者首先提出了一个基本问题：当AlN在高温下遇到氧时到底发生了什么？通过对AlN表面原子结构的先进计算机模拟，他们发现氧分子会附着在表面特定位置并发生裂解，形成一层致密排列的铝和氧原子薄层。这层薄而致密的“皮”像盾牌一样阻止了更多氧到达下方的AlN。在低到中等温度下，这层保护膜保持有序且完整，只有少量AlN被转化为无害的氧化铝。只有在极高温度下，当该表皮变得更具柔性和无序时，氧才能渗透并完全消耗AlN——但这对工业实际应用来说能耗过高，不现实。

用氟化盐打破“护盾”

为绕开这种自然自保护现象，团队在焙烧（一种干热在空气中加热的步骤）过程中测试了一系列常见工业添加剂。他们比较了若干氧化物和碳酸盐与不同氟化盐的效果。测量结果显示，大多数非氟化添加剂效果不显著：在900°C下加热纯AlN超过两小时后，转化率不足五分之一。相比之下，氟化盐如氟化钠、氟化铝，尤其是名为萤石（Na3AlF6，cryolite）的混合盐，显著促进了反应，在相同条件下萤石几乎完全消灭了AlN。电子显微镜揭示了原因：经处理的颗粒表面不再是光滑、连续的表皮，而是出现了破裂的层状壳，使内部不再被密封。

寻找最有效的盐配方

研究者随后从纯AlN转向来自铝回收厂的真实SAD，并对配方进行了优化。他们探索了不同焙烧温度和氟化盐组合，包括萤石与氟化钠、氟化铝或氟化钾（KF）的混合物。研究发现，氟化钾与萤石的二元混合物尤其有效。在800°C下焙烧SAD仅一小时，加入12重量百分比的该混合物（其中一半为KF，一半为萤石）可将约93%的AlN转化——在相对适中的温度和短时间内实现了高水平的净化。结构分析表明，这些添加剂促使保护性表皮重组为更开放形式的氧化铝，即由分隔开的层板构成的β-氧化铝。这种脆弱的层状结构易于开裂，使氧能够渗入并完成转化。

从危险废物走向可回收资源

除了单纯消除AlN之外，研究还检查了经处理材料在随后接触水或酸碱溶液时的表现。焙烧后的SAD几乎不再释放气体，pH变化也远小于未处理样品，证实了危险的含氮反应在很大程度上已被移除。尽管一些可溶性盐类如钠和氯化物仍可能淋洗出来，需要加以管理，但该材料的行为更接近于二次原料而非危险废物。由于大部分铝以稳定但有价值的氧化铝形态存在，后续工作可以集中在在受控条件下溶解并回收这些铝的方法上。就实际意义而言，本研究表明，精心选择的氟化盐混合物可以打破阻碍AlN氧化的天然屏障，使铝渣的净化更加安全、高效，并为回收剩余金属提供更好的前景。

引用: 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

关键词: 铝渣, 工业废物处理, 氟化物添加剂, 氮化铝, 金属回收