專利名稱：一種采用離子液體低溫電解氧化鋁生產鋁的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬冶煉領域，具體的說涉及到一種采用離子液體低溫電解氧化鋁生產 鋁的方法。背錄技術鋁工業(yè)是世界上最大的電化學工業(yè)，鋁的產量僅次于鋼。由于鋁具有質輕，良好的 導熱性和導電性，可加工性及構成合金等優(yōu)良性能，大量的鋁應用在建筑和結構材料、 運輸裝置、飲料罐、包裝材料、電力運輸線、日用品、機械設備等方面?，F(xiàn)代鋁工業(yè)生產鋁主要采用Hall-H6roult法，即冰晶石一氧化鋁融鹽電解法。該法以 氧化鋁為原料，熔融冰晶石為電解質，直流電通入電解槽，在陰極和陽極發(fā)生電化學反 應，陰極的電解產物是液體鋁，陽極上是C02 (約75%~85%)和(20(20%~25%)。該法每 生產1噸鋁，耗電14000kW.h，炭陽極550 600kg，氟鹽30 50kg，氧化鋁2噸，電力成 本約占20%。然而Hall-H6roult法存在很多缺點能量利用率低，不到50%;電解溫度高， 一般都在95(TC 97(TC,對設備和材質要求苛刻；環(huán)境污染嚴重，產生了大量的C02， CO及含氟有害氣體。并且隨著能源緊張、電力成本持續(xù)上升及全球氧化鋁的價格持續(xù) 走高，使得電解鋁行業(yè)向邊緣利潤行業(yè)邁進，降低電解鋁的成本是電解鋁工業(yè)當務之急。在低溫電解質溶液中電解鋁可以有效的降低槽電壓。每槽降低電壓O.l V， 1噸鋁 將節(jié)電330kW.h;同時降低了雜質在鋁中的溶解度，也大大減緩了對電極材料和槽襯的 腐蝕。當前的低溫鋁電解技術仍然是基于Hall-H6roult法，以氧化鋁作煉鋁的原料，配合 以惰性陰極、惰性陽極和絕緣側壁，但電解溫度仍然在80(TC以上。中國專利(CN1664170A)公布了一種低溫生產鋁及鋁合金的辦法，采用了AlCl3型 離子液體作為低溫電解質。他們以氧化鋁或含鋁硅酸鹽礦物包括鋁土礦、煤矸石、高嶺 土或高嶺石、藍晶石、紅柱石和硅線石為原料氯化得到無水氯化鋁再進一步處理得到 AlCl3型離子液體。雖然有效地降低了電解溫度，但是由于AlCl3型離子液體合成條件苛 刻，性質極不穩(wěn)定，對空氣中水分敏感，極易水解形成HC1煙霧，需要在真空或惰性氣 氛下制備和使用，同時對設備會造成嚴重腐蝕并且污染環(huán)境。此外，微量質子和氧化物 雜質的存在都會對離子液體的性質造成較大影響，大大降低了電流效率及電解鋁的純 度。縱觀整個流程屬于間接電解氧化鋁，流程長，副反應多，涉及工序多，氯化過程危 險較大，環(huán)境污染嚴重，不適合工業(yè)大規(guī)模生產。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服當前電解鋁工業(yè)電解溫度高，能耗大，成本高，環(huán)境污染中 的缺陷，提供一種采用離子液體直接低溫電解氧化鋁生產鋁的方法，具有工藝流程簡單、 電解溫度低、無氟化物排放、生產成本低的特點，能夠用于工業(yè)電解鋁的方法。本發(fā)明通過如下技術步驟實現(xiàn) (1)離子液體的合成本發(fā)明主要采用[emim]HS04和[bmim]HS04型([Rmim]HS04)離子液體作為低溫 電解質，其合成反應式如下[mim]+RX=[RmimX (R=C2H5,C4H7， X=Br,Cl..…)[Rmim]X+NaHS04=[Rmim]HS04+NaX[emim]X+NaHS04=[emim]HS04+NaX[bmim]X+NaHS04=[bmim]HS04+NaX;其中mim為N—甲基咪唑，[emim]+為N—乙基一N，一甲基一咪唑陽離子， [bmim+為N—丁基一N，一甲基一咪唑陽離子，[Rmim] +為N—烷基一N，一甲基一咪 唑陽離子。采用N—甲基咪唑與鹵代烷烴按照摩爾比1:1混和反應，50'C反應攪拌24h得到的離 子液體前驅物[Rmim]X。然后向其中加入計量比的硫酸氫鈉固體及一定量的丙酮，攪拌 24h。得到的離子液體采用沙芯漏斗過濾，濾液采用CH2Cl2萃取。再經減壓蒸餾和真空 干燥脫除濾液中的CH2Cl2及丙酮，最終得到產品離子液體。(2)氧化鋁電解將離子液體與氧化鋁混和均勻，采用直流電解；以高純固體炭分別作為陽極和陰極。 電解槽陽極與陰極垂直于槽面，兩者間距為3 3.5cm，槽電壓為2.0 2.5V,陽極電流 密度為0.65 0.70A/cm2，電解溫度100'C 20(TC。電解槽串連成系列電解槽。陽極生成 C02，陰極得到鋁，電流效率大于95%。直流電耗在8 10KWh/kgAl。本發(fā)明的特點1.本發(fā)明采用離子液體溶解氧化鋁為電解質生產鋁。離子液體作為電解質，其性質穩(wěn)定，無毒無害，電導率高，電化學窗口寬，熱穩(wěn)定性好，對水蒸汽穩(wěn)定，易于 回收分離，環(huán)境友好。
2.本發(fā)明大大降低了電解溫度，從95(rC 97(TC降低到10(TC 20(rC，有效降低了 電解槽電壓，提高了電流效率高，降低了能耗，同時延緩了設備的腐蝕。
具體實施例方式
實施例l采用N—甲基咪唑與C2HsBr反應，兩種原料按照摩爾比l:l混和，5(TC攪拌24h得到 [emim]Br。然后向其中加入等摩爾比的硫酸氫鈉固體(以N—甲基咪唑的用量為基準) 及一定量的丙酮，攪拌24h。得到的離子液體采用沙芯漏斗過濾，濾液采用CH2Cl2萃取， 再經減壓蒸餾和真空干燥脫除濾液中的CH2Cl2及丙酮，得到產品離子液體[emim]HS04。將所得離子液體與工業(yè)氧化鋁混和均勻，采用直流電解。以高純固體炭作為陰陽極。 電解槽陽極與陰極垂直于槽面，兩者的間距為3.2(;111槽電壓為2.0V，陽極電流密度為 0.65A/cm2，電解溫度100'C。電解槽串連成系列電解槽。陽極生成0)2,陰極得到鋁， 電流效率98%。直流電耗在8KWh/kg Al。實施例2采用N—甲基咪唑與C4H9Br按照摩爾比l:1.2混和反應，50'C反應攪拌48h得到的 [bmim]Br。然后向其中加入摩爾比1丄2 (以N—甲基咪唑的用量為基準)的硫酸氫鈉固 體及一定量的丙酮，5(TC攪拌12h。得到的離子液體采用沙芯漏斗過濾，濾液采用CH2Cl2萃取。再經減壓蒸餾和真空干燥脫除濾液中的CH2Cl2及丙酮，得到產品離子液體[bmim]HS04。將離子液體與工業(yè)氧化鋁混和均勻，直流電解。以高純固體炭作為陰陽極。電解槽 陽極與陰極垂直于槽面，兩者的間距為3cm槽電壓為2.1V，陽極電流密度為0.70A/cm2， 電解溫度12(TC。電解槽串連成系列電解槽。陽極生成C02,陰極得到鋁，電流效率95%。 直流電耗在9KW/kg Al。實施例3采用N—甲基咪唑與C4H9C1按照摩爾比1:1.3混和反應，50'C反應攪拌24h得到的 [bmim]Cl。然后向其中加入摩爾比為1:1.3 (以N—甲基咪唑的用量為基準)的硫酸氫鈉 固體及一定量的丙酮，5(TC攪拌24h。得到的離子液體采用沙芯漏斗過濾，濾液采用CH2Cl2萃取。再經減壓蒸餾和真空干燥脫除濾液中的CH2Cl2及丙酮，得到產品離子液體[bmim]HS04。將離子液體與工業(yè)氧化鋁混和均勻，直流電解。以高純固體炭作為陰陽極。電解槽 陽極與陰極垂直于槽面，兩者的間距為3.5cm槽電壓為2.2V，陽極電流密度為 0.68A/cm2，電解溫度13(TC。電解槽串連成系列電解槽。陽極生成C02，陰極得到鋁， 電流效率97。/0。直流電耗在9.2KW/kg'Al。實施例4采用N—甲基咪唑與C2HsCl按照摩爾比l:1.4混和反應，5(TC反應攪拌48h得到的[emim]Cl。然后向其中加入摩爾比1:1.4 (以N—甲基咪唑的用量為基準)的硫酸氫鈉固 體及一定量的丙酮，50'C攪拌12h。得到的離子液體采用沙芯漏斗過濾，濾液采用CH2Cl2萃取。再經減壓蒸餾和真空干燥脫除濾液中的CH2Cl2及丙酮，得到產品離子液體[emim]HS04。將離子液體與工業(yè)氧化鋁混和均勻，直流電解。以髙純固體炭作為陰陽極。電解槽 陽極與陰極垂直于槽面，兩者的間距為3.4cm槽電壓為2.4V，陽極電流密度為 0.70A/cm2，電解溫度15(TC。電解槽串連成系列電解槽。陽極生成C02，陰極得到鋁， 電流效率96%。直流電耗在9.6KW/kg Al。實施例5采用N—甲基咪唑與[emim]Br按照摩爾比l: 1.5混和反應，50。C反應攪拌24h得到 的離子液體前驅物。然后向其中加入摩爾比l: 1.5 (以N—甲基咪唑的用量為基礎)的 硫酸氫鈉固體及一定量的丙酮，5(TC攪拌24h。得到的離子液體采用沙芯漏斗過濾，濾液釆用CH2Cl2萃取。再經減壓蒸餾和真空干燥脫除濾液中的CH2Cl2及丙酮，得到產品離子液體[emim]HS04。將離子液體與工業(yè)氧化鋁混和均勻，直流電解。以高純固體炭作為陰陽極。電解槽陽極 與陰極垂直于槽面，兩者的間距為3.5cm槽電壓為2.5V，陽極電流密度為0.66A/cm2， 電解溫度200'C。電解槽串連成系列電解槽。陽極生成C02，陰極得到鋁，電流效率97%。 直流電耗在10KWh/kg Al。
權利要求
1. 一種采用離子液體低溫電解氧化鋁生產鋁的方法，其特征在于直接以氧化鋁為電解原料，離子液體為電解質；將離子液體與工業(yè)氧化鋁混和均勻，采用直流電解，電解時槽電壓高于氧化鋁分解電壓而低于離子液體的電化學窗口；陽極生成CO2，陰極得到鋁。
2. —種如權力要求l所述的采用離子液體低溫電解氧化鋁生產鋁的方法，其特征在于生 產鋁的離子液體的陽離子為垸基取代的咪唑類陽離子，陰離子為硫酸氫根。
3. —種如權力要求1或2所述的采用離子液體低溫電解氧化鋁生產鋁的方法，其特征在 于直接以工業(yè)級氧化鋁為原料，以高純固體炭作為陰陽極；電流密度為0.65 0.70A/cm2，槽電壓為2.0 2.5V,極距為3 3.5cm，電解溫度100 200。C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用離子液體直接低溫電解氧化鋁生產鋁的方法，其特征在于采用硫酸氫根(HSO₄^-)型陰離子的離子液體溶解氧化鋁作為低溫電解質，以氧化鋁為原料直接采用直流電解，槽電壓高于氧化鋁的分解電壓而低于離子液體的的電化學窗口，陰極析出鋁，陽極產生CO₂。本發(fā)明采用的離子液體來源廣泛，價格低廉，穩(wěn)定性好，導電率高，電化學窗口寬，熱穩(wěn)定性好對環(huán)境友好并且能夠有效的在低溫下溶解氧化鋁，采用離子液體溶解氧化鋁作為低溫電解質大大降低了電解溫度及槽電壓，能量利用率高并且大大減緩了對設備的腐蝕。
文檔編號C25C1/02GK101265588SQ20071006433
公開日2008年9月17日 申請日期2007年3月12日 優(yōu)先權日2007年3月12日
發(fā)明者懿 張, 李會泉, 李玉平, 馬江華 申請人:中國科學院過程工程研究所