[发明专利]一种以玻碳为惰性阳极的离子液体低温电解铝方法

说明书

技术领域

本发明属于金属冶炼领域，具体涉及到一种以玻碳为惰性阳极的离子液体低温电解铝方法。 

背景技术

作为一种常见的金属材料，铝在促进世界经济和社会发展中扮演着越来越重要的作用，这不仅取决于铝元素在自然界中的广泛分布和极高的含量，还由于金属铝具有良好的导电性、延展性、导热性和抗腐蚀性等物理化学性质。 

目前，铝工业是世界上最大的电化学工业之一。在金属中，铝的年产量仅次于钢，高于其它常见的有色金属。现在国内外普遍采用霍尔-埃鲁法(Hall-Héroult)进行铝的工业化生产。该方法是在950℃左右的温度下将氧化铝溶解于熔融的冰晶石中，并用直流电进行电解。电解之后，电解槽阴极的产物是铝液，阳极产物则是CO₂、CO和HF等物质。铝液经过真空抽出、纯化后可得到商品化的铝产品。经过100多年的发展，霍尔-埃鲁法已经发展得较为成熟，具有投资省、技术装备简单、建设周期短等优点，但同时也存在温度高、能耗高(13～15kWh·Kg^-1)、污染重和产品质量低(＜99.5％)等不足。因此，在提倡科学发展和节能减排的今天，迫切需要对电解铝产业进行技术革新、降低生产能耗并减少污染物的排放。 

解决上述问题的关键在于能否实现较低温度下的铝电解，离子液体因此孕育而生。离子液体是一种低温熔融盐，一般由有机阳离子和无机/有机阴离子组成，由于这种特殊的结构，离子液体拥有较低的熔点，通常接近甚至低于室温。另外，离子液体还具有较高的电导率、较好的稳定性、较宽的电化学窗口和极低的蒸汽压等优点，因此十分适合作为低温电解铝的电解质。早在1948年，Hurley等在寻找电解氧化铝的电解质材料时，将N-乙基吡啶氯化物和AlCl₃混合后得到了一种无色液体，这种液体即为氯铝酸型离子液体，也被称为第一代离子液体。直到1992年，Carling等首次报道了在二烷基咪唑氯盐-AlCl₃离子液体体系中电解铝的方 法。此后，国内外对离子液体中的铝电解展开了广泛的研究，取得了阶段性的进展。其中最具代表性的体系主要有[Emim]Cl(1-乙基-3-甲基咪唑氯盐)-AlCl₃、[Bmim]Cl(1-丁基-3-甲基咪唑氯盐)-AlCl₃和[TMPA]Cl(三甲基苯铵氯盐)-AlCl₃等。这些体系均可实现在低温(25～150℃)下的电解铝过程，其中阴极、阳极分别析出固态铝与氯气。该方法的槽电压一般为2～6V，能耗仅为6～9kWh·Kg^-1，铝产品纯度可达99％，这不仅显著降低了电解铝的反应能耗，在得到高质量铝产品的同时，还可以获得高附加值的氯气，同时减少了CO₂等温室气体的排放。可以说，离子液体低温电解铝技术有望代替传统的霍尔-埃鲁法，成为未来电解铝行业的主导生产方法。 

虽然离子液体在低温电解铝上具有巨大的优势和潜力，但也存在一些不足，其中最突出的是尚未找到适用于离子液体体系的惰性阳极材料，常常导致了阳极电解效率偏低和离子液体部分分解的情况。即使传统电解工业中所广泛使用的析氯惰性阳极，如石墨和钌钛阳极也无法胜任。例如，在100℃和3mA/cm²的电流密度下，钌钛阳极在工作不到2h后就发生了明显的腐蚀，氧化钌涂层被破坏；而传统的石墨阳极在相同的条件下则逐渐发胀，脱落甚至断裂，难以维持电解铝反应长时间的顺利进行，阳极电流效率不足20％，副反应严重。所以开发新型惰性阳极材料是解决这一技术工业化应用的关键。 

鉴于以上研究现状，本发明首次采用玻碳(玻璃碳素)为惰性阳极材料，将其用于离子液体低温电解铝反应。实验结果表明，玻碳具有很高的稳定性，在经过1000小时电解铝反应后，玻碳仍然保持优良的物理和化学性质，阳极效率得到了显著的提高，同时电解副反应明显减少，玻碳和离子液体经过处理后可实现重复利用。所以，玻碳作为一种新型的惰性阳极材料，不仅克服了传统阳极材料的种种不足，而且有利于离子液体低温电解铝技术的工业化推广，因此具有重要的研究和应用价值。 

发明内容

本发明提供了一种以玻碳为惰性阳极的离子液体低温电解铝新方法。本方法的特点是以 玻碳为新型惰性阳极，石墨、铝、铜和铁等较为稳定的常规材料为阴极，离子液体+AlCl₃体系为电解质，可在低温下顺利实现电解铝反应。通过本方法不仅能够显著提高离子液体低温电解铝的电流效率和铝产品的质量，还可以有效减低反应能耗，充分实现离子液体和玻碳阳极的循环利用。