專利名稱：鋁生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)鋁和含鋁材料的方法。
術(shù)語“含鋁材料”包括例如氧化鋁、氫氧化鋁、氯化鋁和三水合鋁。
從含鋁原料如鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的Bayer方法和從氧化鋁電解生產(chǎn)鋁的Hall-Heroult方法是從含鋁原料生產(chǎn)鋁金屬的唯一的大規(guī)模商業(yè)方法途徑。該方法路徑還用來生產(chǎn)用于其他應(yīng)用的氧化鋁和氫氧化鋁。
然而，雖然上述方法途徑是有效的，但是其缺點(diǎn)在于高投資成本、僅適合于高品級(jí)鋁土礦和所生產(chǎn)的鋁和含鋁材料僅具有中等純度，盡管適合大多數(shù)現(xiàn)有產(chǎn)品的需要。
本發(fā)明提供一種從含鋁原料生產(chǎn)鋁和含鋁材料的可選擇的方法。
本發(fā)明基于以下認(rèn)識(shí)(a)目前發(fā)現(xiàn)的適用于溶劑萃取過程、從水性液體中萃取鋁離子形成鋁配位化合物的有機(jī)溶劑，和(b)基于用于從鋁配位化合物直接或間接生產(chǎn)鋁的離子液體電解質(zhì)的電解槽是用于從含鋁原料生產(chǎn)鋁的可選擇的方法的基礎(chǔ)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種從固體含鋁原料生產(chǎn)鋁和含鋁材料的方法，包括(a)用浸提液浸提含鋁原料并形成含鋁離子的水溶液；(b)通過使水溶液與有機(jī)試劑接觸并使鋁離子負(fù)載在有機(jī)試劑上以及形成配位化合物，來從水溶液中萃取鋁離子；和(c)從鋁配位化合物中回收鋁或含鋁材料。
有機(jī)試劑可以是任意合適的配位體、化合物、聚合物或離子交換樹脂。
合適的有機(jī)試劑例如描述在Technological Resources Pty.Limited的國際申請(qǐng)PCT/AU02/00243中。
對(duì)于回收步驟(c)存在大量可能的選擇。
含鋁材料可以包含例如任意合適的固體形式的氧化鋁、氫氧化鋁、三水合鋁和氯化鋁。
回收步驟(c)的一個(gè)選擇包括通過使鋁配位化合物與水溶液接觸而從鋁配位化合物中置換鋁離子，其后回收鋁及含鋁材料。
用于步驟(c)中的溶液可以是比用于步驟(a)中的初始浸提液更為酸性的溶液并對(duì)鋁具有有限的溶解度，從而將鋁離子從鋁配位化合物中置換出來并立即沉淀為固體含鋁材料，例如氧化鋁和/或氫氧化鋁，由此回收固體材料。
用于步驟(c)的溶液可以是酸性溶液，使得鋁離子從鋁配位化合物中置換到溶液中，其后從溶液回收。
優(yōu)選溶液是鹽酸溶液。
優(yōu)選鹽酸溶液具有1-6的pH。
在這種情況下，例如，從溶液回收氧化鋁或氫氧化鋁形式的固體含鋁材料可以通過加熱溶液并產(chǎn)生熱離解從而以氣體形式驅(qū)除水和鹽酸并且產(chǎn)生粉末形式的氧化鋁來進(jìn)行。
直接從鋁配位化合物中沉淀或從上述溶液中沉淀的氧化鋁或氫氧化鋁或其他含鋁材料可以作為產(chǎn)品銷售或利用傳統(tǒng)Hall-Heroult方法或其他如下文所述方法進(jìn)一步加工生產(chǎn)鋁。
固體含鋁材料、尤其是氧化鋁和氫氧化鋁可有利地生產(chǎn)為具有極細(xì)粒徑和高純度，以提高其直接用于諸如生產(chǎn)陶瓷和防火復(fù)合材料的應(yīng)用時(shí)的價(jià)值。
作為選擇，可以通過將鋁離子遷移至離子液體并從離子液體回收鋁來從用于步驟(c)中的溶液中回收鋁。
術(shù)語“離子液體”本文理解為是指基本由離子組成并可用于0-100℃下的液體。
優(yōu)選該方法包括通過跨接陽極和陰極施加的電勢來從離子液體中回收鋁，電極的定位使得至少陰極與離子液體接觸并且使鋁沉積在陰極上。
鋁離子遷移至離子液體可以是在同一腔室中直接從溶液遷移至離子液體。
在該情況下，優(yōu)選離子液體是疏水的，對(duì)鋁具有高親合力并且在水存在下穩(wěn)定。
鋁離子還可以間接從溶液遷移至離子溶液。
例如，遷移可以是從包含在一個(gè)腔室的溶液經(jīng)可透過鋁離子并分隔腔室的膜、隔膜或其它合適裝置進(jìn)入包含在另一腔室的離子液體中。
在該設(shè)備中，鋁離子從含溶液的腔室遷移至含離子液體的另一腔室的驅(qū)動(dòng)力可以是通過濃度梯度或通過在水溶液腔室中具有陰極而在離子液體腔室中具有陽極。
可透過鋁離子的膜、隔膜或其它合適裝置優(yōu)選耐溶液和離子液體腐蝕并且不可透過溶液和離子液體中的其它成分。
作為選擇，該方法可包括直接從鋁配位化合物或上述溶液中沉淀生產(chǎn)固體形式的氧化鋁或氫氧化鋁或其它含鋁材料，之后將固體材料直接或間接溶解在離子液體中并從上述離子液體中回收鋁。
盡管絕不是唯一的另一個(gè)，對(duì)于回收步驟(c)的另一可能選擇包括通過使鋁離子遷移至離子液體來直接從鋁配位化合物中置換鋁離子，并且其后從離子液體回收鋁，例如上述通過電解回收鋁。
該方法允許使用廣泛的含鋁材料作為原料，包括目前難以處理的來自熔爐的不純礦渣和廢料，并且可以更高純度的鋁作為用于特種應(yīng)用如電容器和光盤的增值產(chǎn)品。
例如參考所附本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方案的流程圖來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
流程圖所示方法適合從廣泛含鋁原料例如鋁土礦、高嶺土、礦渣和脫硅產(chǎn)物生產(chǎn)鋁。
參考附圖
，本方法實(shí)施方案中的關(guān)鍵步驟如下所述。
1.浸提含鋁原料該步驟包括從含鋁原料例如鋁土礦中浸提鋁并形成含鋁離子的水溶液。
典型的是利用包含高pH的苛性液體或pH 3-4的稀酸的浸提液來完成浸提。
如下所述，因?yàn)殇X隨后通過溶劑萃取來回收，因此浸提步驟不必在高溫和壓力下進(jìn)行。具體而言，不需要達(dá)到過飽和來促進(jìn)隨后的沉淀。這種浸提開啟了更為廣闊的溶解條件操作范圍，尤其是當(dāng)使用非鋁土礦原料時(shí)。
2.萃取該步驟包括利用國際申請(qǐng)PCT/AU02/00243中所述類型的有機(jī)試劑來從浸提溶液中萃取鋁。
鋁被選擇性萃取并形成鋁配位化合物，由此避免純化問題。
3.鋁洗提該步驟包括通過使鋁配位化合物與適當(dāng)溶液接觸來從鋁配位化合物即含鋁離子的負(fù)載有機(jī)相中洗提鋁。
一個(gè)選擇是利用比初始浸提液更加酸性(可以是中性或微堿性)并且對(duì)鋁具有低溶解度的溶液來進(jìn)行該步驟，由此從鋁配位化合物中置換鋁并立即沉淀為固體含鋁材料。
另一選擇是利用中等強(qiáng)度的鹽酸溶液來進(jìn)行該步驟，由此用氫離子從鋁配位化合物中置換鋁，結(jié)果鋁遷移至鹽酸溶液并再生有機(jī)試劑。再生的有機(jī)試劑可重復(fù)利用以萃取更多的鋁。
另一選擇是直接將鋁從鋁配位化合物遷移至離子液體電解質(zhì)。
4.鋁回收從鹽酸溶液回收鋁的一個(gè)選擇是利用熱離解驅(qū)除水和鹽酸，留下純鋁粉末作為產(chǎn)品出售和/或用于電解槽生產(chǎn)高純鋁。
從鹽酸溶液回收鋁的另一個(gè)選擇是將鋁從鹽酸溶液遷移至離子液體電解質(zhì)并通過在離子液體中電解鋁離子來生產(chǎn)高純鋁金屬。
電解步驟的形式部分取決于所用離子液體的特性。
這種選擇的一種方法是使用設(shè)立的槽使鋁從酸性水溶液通過選擇性離子膜遷移至離子液體。
這種選擇的另一方法是使用對(duì)鋁具有高親合力的疏水離子液體，其在水和酸存在下穩(wěn)定，由此直接將鋁遷移至離子液體。該方法可通過向離子液體中加入化學(xué)添加劑提高離子液體的鋁親合力而得到輔助?；瘜W(xué)添加劑包括例如提高離子液體的鋁親合力的配位試劑。
另一選擇是分離固體含鋁材料如氧化鋁、三水合鋁和/或氯化鋁形式的鋁，并且將固體材料溶解于離子液體中以提供鋁源。
電解槽陰極反應(yīng)產(chǎn)生鋁金屬。對(duì)應(yīng)的陽極反應(yīng)大多產(chǎn)生氯氣或氧。氯氣可以在轉(zhuǎn)化為鹽酸之后再循環(huán)回到本過程中，氧可收集作為單獨(dú)產(chǎn)品。
上述對(duì)于含鋁離子的離子液體的鋁電解回收還應(yīng)用于從直接來自鋁配位化合物的含鋁離子的離子液體中回收鋁。
在不背離本發(fā)明精神和范圍的前提下可以對(duì)上述本發(fā)明的實(shí)施方案進(jìn)行大量修改。
權(quán)利要求
1.一種從固體含鋁原料生產(chǎn)鋁和含鋁材料的方法，包括(a)用浸提液浸提含鋁原料并形成含鋁離子的水溶液；(b)通過使水溶液與有機(jī)試劑接觸并使鋁離子負(fù)載在有機(jī)試劑上以及形成鋁配位化合物，來從水溶液中萃取鋁離子；和(c)從鋁配位化合物中回收鋁或含鋁材料。
2.權(quán)利要求1的方法，其中含鋁材料包括任意合適固體形式的氧化鋁、氫氧化鋁、三水合鋁和氯化鋁中的任意一種或多種。
3.權(quán)利要求1或權(quán)利要求2的方法，其中回收步驟(c)包括通過使鋁配位化合物與水溶液接觸而從鋁配位化合物中置換鋁離子，其后回收鋁或含鋁材料。
4.權(quán)利要求3的方法，其中用于步驟(c)中的溶液是比用于步驟(a)中的初始浸提液更為酸性的溶液并對(duì)鋁具有有限的溶解度，并且步驟(c)包括通過從溶液中沉淀固體鋁或含鋁材料而將鋁離子從鋁配位化合物中置換出來。
5.權(quán)利要求4的方法，其中步驟(c)包括回收從溶液中沉淀的固體鋁或含鋁材料。
6.權(quán)利要求3的方法，其中用于步驟(c)的溶液是酸性溶液并且步驟(c)包括將鋁離子從鋁配位化合物置換到溶液中。
7.權(quán)利要求6的方法，其中酸性溶液是鹽酸溶液。
8.權(quán)利要求7的方法，其中鹽酸溶液具有1-6的pH。
9.權(quán)利要求6-8中任意一項(xiàng)的方法，其中步驟(c)包括通過加熱溶液和產(chǎn)生熱離解以氣體形式驅(qū)除水和鹽酸并產(chǎn)生固體形式的鋁來從溶液中回收固體鋁或含鋁材料。
10.權(quán)利要求6的方法，其中步驟(c)包括通過將鋁離子遷移至離子液體來從溶液中回收固體鋁或含鋁材料。
11.權(quán)利要求10的方法，包括從離子液體中回收鋁。
12.權(quán)利要求11的方法，包括通過跨接陽極和陰極施加電勢來從離子液體中回收鋁，電極的定位使得至少陰極與離子液體接觸并且使鋁沉積在陰極上。
13.權(quán)利要求10-12中任意一項(xiàng)的方法，包括將鋁離子直接從溶液遷移至離子液體。
14.權(quán)利要求13的方法，其中離子液體是疏水的且對(duì)鋁具有高親合力，并且在水存在下穩(wěn)定。
15.權(quán)利要求10-12中任意一項(xiàng)的方法，包括將鋁離子間接從溶液遷移至離子液體。
16.權(quán)利要求15的方法，包括將鋁離子從包含在一個(gè)腔室中的溶液經(jīng)可透過鋁離子并分隔腔室的膜、隔膜或其它合適裝置遷移至包含在另一腔室中的離子液體。
17.權(quán)利要求16的方法，其中鋁離子從含溶液的腔室遷移至含離子液體的另一腔室的驅(qū)動(dòng)力是通過濃度梯度或通過在水溶液腔室中具有陰極而在離子液體腔室中具有陽極。
18.權(quán)利要求3的方法，其中步驟(c)包括下列操作通過沉淀固體材料來從鋁配位化合物中置換鋁離子，直接或間接將所沉淀的固體材料溶解于離子液體中，以及從離子液體中回收固體鋁或含鋁材料。
19.權(quán)利要求3的方法，其中步驟(c)包括下列操作通過將鋁離子遷移至離子液體來直接從鋁配位化合物中置換鋁離子，和從離子液體中回收鋁。
20.一種通過前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法生產(chǎn)的鋁或含鋁材料。
全文摘要
公開了一種從固體含鋁原料生產(chǎn)鋁和含鋁材料的方法。該方法包括用浸提液浸提含鋁原料并形成含鋁離子的水溶液；通過使水溶液與有機(jī)試劑接觸并使鋁離子負(fù)載在有機(jī)試劑上以及形成鋁配位化合物，來從水溶液中萃取鋁離子；和從鋁配位化合物中回收鋁或含鋁材料。
文檔編號(hào)C22B3/28GK1930313SQ200580008287
公開日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2005年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月16日
發(fā)明者雷蒙德·沃爾特·肖 申請(qǐng)人:科技資源控股有限公司