铝型材制品需进行表面处理以获得氧化膜。目前国内外主要采用阳极氧化方法获得3~30 μm的氧化膜^〔1〕。铝型材进行脱脂、抛光、酸蚀、碱蚀、除灰、阳极氧化、着色、封孔及喷涂等前处理工序时，均会产生大量废水。该废水经中和调节、絮凝沉淀、压滤后产生铝型材加工污泥。我国是铝型材生产大国，仅2019年全国铝型材产量高达2 000余万t，综合废水污泥量约200万t。随着我国经济的发展，此类污泥数量也将继续增加。

目前铝型材加工污泥已有综合利用，但关于铝型材污泥产业化利用的报道较少，大多数工艺局限于实验室阶段。其原因在于多数污泥含有较高的氯、硫等杂质，无法达到相关产品标准要求^〔2-5〕。如将铝型材加工污泥用于生产腻子粉时要求S≤0.5%（质量分数），用作拜耳法生产氧化铝时则要求（Cl^-+SO₄^2-）≤25 mg/L，用于生产铝酸钙水泥时要求S≤0.2%且Cl^-≤0.06%（质量分数），均对污泥的含硫量作出最高限定。因此，在污泥资源化利用前进行除杂预处理显得尤为重要。

某大型铝型材厂的铝加工污泥含硫2.53%（质量分数），来源于脱脂和抛光等工序所用硫酸。由XRD分析可知该污泥中的硫以硫酸钙形式存在，而硫酸钙的热分解温度为1 250 ℃，直接加热分解成本较高。为降低铝型材污泥的资源化成本，笔者在污泥中加入碳粉，将硫酸钙还原成低价硫化物，降低热分解温度，研究碳粉对污泥脱硫效果的影响，以期为铝型材污泥的资源化处理提供基础数据，扩展铝型材污泥的应用领域。

实验所用污泥取自佛山市某大型铝型材加工厂污水处理车间的铝型材加工污泥，含水率86%，其组成主要为Al（OH）₃、AlO（OH）、CaSO₄等。用X射线荧光光谱仪测定该污泥元素组成，结果见表 1。

活性碳粉（分析纯，科密欧化学试剂有限公司），0.074 mm（200目）。900 ℃、灼烧60 min条件下活性碳粉残渣占灼烧前活性碳粉的质量分数为69.32%。

Axios mAX型X射线荧光光谱仪，荷兰帕纳科公司；SmartLab Ⅲ型X射线衍射仪，日本理学；CS600高频燃烧红外吸收碳硫测定仪，美国LECO公司；SX2-4-10型箱型电阻炉，长沙远东电炉有限公司。

将铝型材加工污泥置于烘箱中，烘干后破碎并过200目筛。取5 g污泥粉末与一定质量的活性碳粉混合均匀后装入瓷舟，放入已升至设定温度的箱型电阻炉中，在空气氛围下进行脱硫反应，反应一定时间后停止加热，取出样品自然冷却到室温，得到焙烧物。用高频燃烧红外吸收碳硫仪测定污泥的含硫量并计算脱硫率。

为探讨脱硫过程中发生的反应，计算理论反应温度，用Gibbs-Helmholtz方程、Kirchhoff G R方程、ΔCp公式^〔6〕推导得到Δ_rG=（Δ_ra-I₂）T-1/2Δ_rbT²-1/6Δ_rcT³-Δ_raTlnT+I₁。

铝型材加工污泥脱硫过程发生的主要反应^〔7-11〕如表 2所示。

由表 2可见，R1、R2中CaSO₄被还原成SO₂和CaO，R3、R4中CaSO₄被还原成CaS，比较上述反应的ΔG-T曲线（见图 1）可知，在0~1 600 ℃范围内，R1、R2的ΔG与T的关系线均在R3、R4的上方，因此，CaSO₄与碳粉生成CaS的反应存在热力学上的优势。R1~R4均在R5的下方，即从热力学角度考虑碳粉可以很大程度降低CaSO₄的分解温度，且CaSO₄与碳粉反应优先生成CaS。在实验考察的温度范围内，R7、R8的ΔG＜0，说明CaS在常温下能被氧气氧化成SO₂或CaSO₄，R6的ΔG在温度＞1 218 ℃后为负值，因此实验考察温度范围内R6的热力学优势不及R7、R8。

按照1.2方法，在焙烧时间为60 min、碳泥质量比（碳粉与污泥质量比）为0.2的条件下，考察焙烧温度对脱硫率的影响，结果如图 2所示。

由图 2可见，随着温度的升高，污泥的含硫率呈先增加后降低的趋势，脱硫率在900 ℃达到最大值93.79%。在500~600 ℃范围内，随着温度的升高，污泥的含硫率未降反升，是由于污泥受热后自由水脱附和污泥中氢氧化铝脱水^〔12〕，共同造成污泥质量骤减，导致含硫率升高。综合能耗等因素考虑，将900 ℃作为优选焙烧温度。

按照1.2方法，优选反应温度为900 ℃、焙烧时间为60 min，考察碳泥质量比对污泥脱硫率的影响，结果如图 3所示。

由图 3可见，随着碳泥质量比的逐渐增大，污泥脱硫率呈逐渐上升趋势；当碳泥质量比超过0.12，在0.12~0.2区间污泥脱硫率提高相对缓慢，仅提高5.5%。盲目增加碳粉用量会耗费更多原材料，降低经济效益，综合考虑确定碳泥质量比为0.12。

按照1.2方法，在反应温度为900 ℃、碳泥质量比为0.12条件下，考察焙烧时间对污泥脱硫率的影响，结果如图 4所示。

由图 4可知，焙烧20 min时脱硫率达到85%，可见脱硫反应速度较快；脱硫率在60 min时达到最大值。综合经济成本考虑，确定脱硫时间60 min为宜。

污泥焙烧优选工艺条件为焙烧温度900 ℃、碳泥质量比为0.12、焙烧时间60 min。在此条件下，铝型材加工污泥的脱硫率为88.30%，含硫率为0.30%。污泥脱硫后的元素组成如表 3所示。

由表 3可知，污泥经脱硫后，其硫含量符合铝型材加工污泥作为腻子粉生产原料的要求（S质量分数≤0.5%）。

在相同的碳泥质量比与焙烧时间条件下，考察污泥与碳粉不同温度下所得焙烧物的XRD谱图，见图 5。

由图 5可见，与原始污泥相比，500 ℃焙烧时出现CaS和CaO的物相，由热力学计算结果可知该温度尚未达到R1、R2的理论反应温度，因此CaO不是出自R1、R2。即污泥中的碳粉与硫酸钙发生R3、R4反应生成CaS，CaS在高温下不稳定，进一步分解生成CaO和SO₂。由衍射峰强度比较不同温度下焙烧物的相对强度：温度升至700 ℃后，CaS的衍射峰强度开始逐渐减弱并在800 ℃时消失，这是由于温度升至800 ℃后，达到R1、R2的反应温度，CaSO₄与碳粉直接反应生成SO₂和CaO；CaO衍射峰强度在800 ℃后并未增加，反而逐渐降低，原因可能是该温度下脱硫反应生成的CaO与污泥含有的铁、硅、氟等反应，CaO物相向其他矿物相转换^〔13-14〕。实验过程中还出现800 ℃后污泥焙烧物出现颗粒板结成块、黏结瓷舟等现象，有待进一步研究。

（1）从热力学角度出发，碳粉可很大程度降低CaSO₄的分解温度，且CaSO₄与碳粉反应优先生成CaS，而CaS在常温下能被氧气氧化成SO₂或CaSO₄，为污泥脱硫提供了理论可行性依据。

（2）污泥脱硫过程主要受焙烧温度、碳粉与污泥质量比、焙烧时间的影响，优选工艺条件：焙烧温度900 ℃、碳泥质量比0.12、焙烧时间60 min，在此条件下铝型材加工污泥的脱硫率为88.30%，含硫率为0.30%。污泥脱硫后硫含量符合铝型材加工污泥作为腻子粉生产原料的要求。

（3）焙烧时间和碳泥质量比相同时，温度＜800 ℃污泥中的CaSO₄还原成CaS，CaS在高温下不稳定，分解成SO₂。当温度＞800 ℃，CaSO₄与碳粉反应生成SO₂。