[發明專利]以離子液體和氯化鋁為電解質低溫電解制取鋁的方法

無效

• 申請號: 201410355819.X
• 申請日: 2014-07-25
• 公開（公告）號: CN104141150A
• 公開（公告）日: 2014-11-12
• 發明（設計）人: 石忠寧;鐘熊偉;熊婷;王兆文;徐君莉;高炳亮;胡憲偉;于江玉
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C25C1/02
• 分類號: C25C1/02
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于電解鋁技術領域，特別涉及以離子液體和氯化鋁為電解質低溫電解制取鋁的方法。

背景技術

鋁是地球含量最多的金屬元素，具有良好的導熱和導電性，此外還具有較好的延展性和吸音等優點，廣泛應用于汽車、建筑、航空等行業。

金屬鋁生產主要以氧化鋁為原料，將其溶解在960℃的Na₃AlF₆熔鹽體系中電解獲得金屬鋁。鋁電解工業是最大的有色金屬冶金行業，也是耗電量最大的行業之一，目前金屬鋁生產的噸鋁直流電耗為12900~13400kWh。近年來，我國鋁電解工業的耗電量占我國總發電量的5-6%。

目前，鋁電解精煉的主要工藝有兩種：三層液電解精煉和偏析法，這兩種工藝都能得到純度大于99.99%的鋁；其中三層液電解精煉要在高溫（700~900℃）下進行，直流電能耗高達15~18kWh/kg-Al，而偏析法生產效率低；精鋁的生產一般采用三層液精煉，仍然以高溫氟化物-氯化物熔鹽為電解質，噸精鋁的直流電能耗遠高于原鋁能耗，因此能耗高是鋁電解和鋁精煉工業的缺點；因而研究一種低溫節能型鋁電解和精煉技術是鋁工業追求的目標，低溫電解精煉鋁不僅可以降低能耗，而且還可以提高電流效率；目前有報道在AlCl₃-[AMIm]Cl（1-烯丙基-3-甲基氯化咪唑）離子液體體系中，在313.3~353.2K，可以在銅片上電沉積可獲得粘結性很好的鋁層；也有報道在AlCl₃-[EMIm]Cl體系中電解精煉鋁合金得到高純的鋁鍍層（>99%），并且電流效率為84%；但上述技術仍存在電解溫度不夠低的問題，且鋁的純度也不夠高。

發明內容

針對現有電解沉積鋁技術存在的上述問題，本發明提供以離子液體和氯化鋁為電解質低溫電解制取鋁的方法，采用氟化咪唑離子液體和氯化鋁作為電解質，在較低溫度下電解沉積精煉高純度鋁，并且達到較高的電流效率。

本發明的以離子液體和氯化鋁為電解質低溫電解制取鋁的方法的第一種方案按以下步驟進行：

1、向電解槽通入惰性氣體排出其中的空氣和水蒸氣，將氟化咪唑離子液體加入到電解槽中，再加入氯化鋁，并將氯化鋁和氟化咪唑離子液體攪拌均勻制成電解質；其中氯化鋁與氟化咪唑離子液體的摩爾比為2.2~3.5；所述的氟化咪唑離子液體為1,3-二甲基氟化咪唑、1-乙基-3-甲基氟化咪唑、1-丙基-3-甲基氟化咪唑或1-丁基-3-甲基氟化咪唑；

2、在惰性氣氛和攪拌條件下，控制電解質的溫度在15~90℃，對工作電極和對電極施加電流，電解氯化鋁；控制工作電極的電流密度為15~200mA/cm²；電解過程中向電解槽內補加氯化鋁，使氯化鋁在電解質中的濃度保持恒定；?

3、每隔1~2h更換工作電極，從被更換下來的工作電極表面剝落沉積的鋁。

上述的第一種方案中，步驟2中的氯化鋁的加入量m按下式計算：

m=M₀×S×i/（1000×n×F）??????????????????????（1）

式中，m為每秒鐘氯化鋁的加入量，單位為g；M₀為AlCl₃的相對分子質量，S為工作電極的面積，單位為cm²；i為電流密度，單位為mA/cm²；?n為轉移電子數，該反應的電子轉移數為3；F為法拉第常數。

本發明的以離子液體和氯化鋁為電解質低溫電解制取鋁的方法的第二種方案按以下步驟進行：

1、向電解槽通入惰性氣體排出其中的空氣和水蒸氣，將氟化咪唑離子液體加入到電解槽中，再加入氯化鋁，并將氯化鋁和氟化咪唑離子液體攪拌均勻制成電解質；其中氯化鋁與氟化咪唑離子液體的摩爾比為2.2~3.5；所述的氟化咪唑離子液體為1,3-二甲基氟化咪唑、1-乙基-3-甲基氟化咪唑、1-丙基-3-甲基氟化咪唑或1-丁基-3-甲基氟化咪唑；

2、在惰性氣氛和攪拌條件下，控制電解質的溫度在15~90℃，采用鋁棒作為對電極，對工作電極和對電極施加電流；控制工作電極的電流密度為15~200mA/cm²；電解過程中逐漸降低鋁棒的高度，使鋁棒在電解質中的高度保持恒定；

3、每隔2~5h更換工作電極，從被更換下來的工作電極表面剝落沉積的鋁。

上述的第二種方案中，步驟2中的鋁棒下降高度H按下式計算：