專利名稱：一種以玻碳為惰性陽極的離子液體低溫電解鋁方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬冶煉領(lǐng)域，具體涉及到ー種以玻碳為惰性陽極的離子液體低溫電解鋁方法。
背景技術(shù)：
作為ー種常見的金屬材料，鋁在促進世界經(jīng)濟和社會發(fā)展中扮演著越來越重要的作用，這不僅取決于鋁元素在自然界中的廣泛分布和極高的含量，還由于金屬鋁具有良好的導電性、延展性、導熱性和抗腐蝕性等物理化學性質(zhì)。目前，鋁エ業(yè)是世界上最大的電化學エ業(yè)之一。在金屬中，鋁的年產(chǎn)量僅次于鋼，高于其它常見的有色金屬?，F(xiàn)在國內(nèi)外普遍采用霍爾-埃魯法(Hall-H6roUlt)進行鋁的エ業(yè)化生產(chǎn)。該方法是在950°C左右的溫度下將氧化鋁溶解于熔融的冰晶石中，并用直流電進行電解。電解之后，電解槽陰極的產(chǎn)物是鋁液，陽極產(chǎn)物則是C02、C0和HF等物質(zhì)。鋁液經(jīng)過真空抽出、純化后可得到商品化的鋁產(chǎn)品。經(jīng)過100多年的發(fā)展，霍爾-埃魯法已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，具有投資省、技術(shù)裝備簡單、建設(shè)周期短等優(yōu)點，但同時也存在溫度高、能耗高(13 15kWh -Kg-1)、污染重和產(chǎn)品質(zhì)量低(く 99. 5% )等不足。因此，在提倡科學發(fā)展和節(jié)能減排的今天，迫切需要對電解鋁產(chǎn)業(yè)進行技術(shù)革新、降低生產(chǎn)能耗并減少污染物的排放。解決上述問題的關(guān)鍵在于能否實現(xiàn)較低溫度下的鋁電解，離子液體因此孕育而生。離子液體是ー種低溫熔融鹽，一般由有機陽離子和無機/有機陰離子組成，由于這種特殊的結(jié)構(gòu)，離子液體擁有較低的熔點，通常接近甚至低于室溫。另外，離子液體還具有較高的電導率、較好的穩(wěn)定性、較寬的電化學窗口和極低的蒸汽壓等優(yōu)點，因此十分適合作為低溫電解鋁的電解質(zhì)。早在1948年，Hurley等在尋找電解氧化鋁的電解質(zhì)材料時，將N-乙基吡啶氯化物和AlCl3混合后得到了一種無色液體，這種液體即為氯鋁酸型離子液體，也被稱為第一代離子液體。直到1992年，Carling等首次報道了在ニ烷基咪唑氯鹽-AlCl3離子液體體系中電解鋁的方法。此后，國內(nèi)外對離子液體中的鋁電解展開了廣泛的研究，取得了階段性的進展。其中最具代表性的體系主要有[Emim]Cl(l-こ基-3-甲基咪唑氯鹽)_A1C13、[Bmim] Cl (I-丁基-3-甲基咪唑氯鹽)-AlCl3和[TMPA] Cl (三甲基苯銨氯鹽)-AlCl3等。這些體系均可實現(xiàn)在低溫(25 150°C )下的電解鋁過程，其中陰極、陽極分別析出固態(tài)鋁與氯氣。該方法的槽電壓一般為2 6V，能耗僅為6 9kWh Kg—1，鋁產(chǎn)品純度可達99%，這不僅顯著降低了電解鋁的反應能耗，在得到高質(zhì)量鋁產(chǎn)品的同吋，還可以獲得高附加值的氯氣，同時減少了 CO2等溫室氣體的排放?？梢哉f，離子液體低溫電解鋁技術(shù)有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的霍爾-埃魯法，成為未來電解鋁行業(yè)的主導生產(chǎn)方法。雖然離子液體在低溫電解鋁上具有巨大的優(yōu)勢和潛力，但也存在ー些不足，其中 最突出的是尚未找到適用于離子液體體系的惰性陽極材料，常常導致了陽極電解效率偏低和離子液體部分分解的情況。即使傳統(tǒng)電解エ業(yè)中所廣泛使用的析氯惰性陽極，如石墨和釕鈦陽極也無法勝任。例如，在100°C和3mA/cm2的電流密度下，釕鈦陽極在工作不到2h后就發(fā)生了明顯的腐蝕，氧化釕涂層被破壞；而傳統(tǒng)的石墨陽極在相同的條件下則逐漸發(fā)脹，脫落甚至斷裂，難以維持電解鋁反應長時間的順利進行，陽極電流效率不足20%，副反應嚴重。所以開發(fā)新型惰性陽極材料是解決這一技術(shù)工業(yè)化應用的關(guān)鍵。鑒于以上研究現(xiàn)狀，本發(fā)明首次采用玻碳(玻璃碳素)為惰性陽極材料，將其用于離子液體低溫電解鋁反應。實驗結(jié)果表明，玻碳具有很高的穩(wěn)定性，在經(jīng)過1000小時電解鋁反應后，玻碳仍然保持優(yōu)良的物理和化學性質(zhì)，陽極效率得到了顯著的提高，同時電解副反應明顯減少，玻碳和離子液體經(jīng)過處理后可實現(xiàn)重復利用。所以，玻碳作為一種新型的惰性陽極材料，不僅克服了傳統(tǒng)陽極材料的種種不足，而且有利于離子液體低溫電解鋁技術(shù)的工業(yè)化推廣，因此具有重要的研究和應用價值
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種以玻碳為惰性陽極的離子液體低溫電解鋁新方法。本方法的特點是以玻碳為新型惰性陽極，石墨、鋁、銅和鐵等較為穩(wěn)定的常規(guī)材料為陰極，離子液體+AlCl3體系為電解質(zhì)，可在低溫下順利實現(xiàn)電解鋁反應。通過本方法不僅能夠顯著提高離子液體低溫電解鋁的電流效率和鋁產(chǎn)品的質(zhì)量，還可以有效減低反應能耗，充分實現(xiàn)離子液體和玻碳陽極的循環(huán)利用。在本發(fā)明中，玻碳是指經(jīng)過特殊加工制成的玻璃狀非晶型碳，也常稱為玻璃碳或玻璃碳素。其主要性質(zhì)如下1)表觀密度約為I. 51g/cm3 ；2)電阻率約為42μ Ωπι ；3)抗拆強度大于IOOMPa ；4)肖式硬度約為120 ；5)導熱率約為5. 8W/mK。所涉及的離子液體從陽離子結(jié)構(gòu)上可分為咪唑型、吡啶型、季銨型、季鱗型、吡咯型、哌啶型、嗎啉型和锍鹽型，價態(tài)均為+1，其結(jié)構(gòu)如下結(jié)構(gòu)式所示，R1^ R2> R3、R4、R5、R6、R7表示烷基，烷氧基、氟或氫；陰離子為F' Cl' Br' Γ、SCN' CN' [N(CF3SO2)2F和[N(CN)2F等可以與AlCl3形成絡(luò)合型陰離子
的離子。
權(quán)利要求
1.一種以玻碳為惰性陽極的離子液體低溫電解鋁方法，其特征是以玻碳為新型惰性陽極，離子液體+Aici3S電解質(zhì)，經(jīng)過低溫電解可在陰極、陽極得到固態(tài)鋁與氯氣，同時電極電流效率得到了顯著提高，玻碳陽極在工作上千小時后仍然保持良好的物理化學性質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以玻碳為惰性陽極的離子液體低溫電解鋁方法，所述玻碳，也常稱為玻璃碳或玻璃碳素，是經(jīng)過特殊加工制成的玻璃狀非晶型碳，其主要性質(zhì)如下1)表觀密度約為I. 51g/cm3 ；2)電阻率約為42 μ Ωπι；3)抗拆強度大于IOOMPa ；4)肖式硬度約為120 ; 5)導熱率約為5. 8W/mK。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以玻碳為惰性陽極的離子液體低溫電解鋁方法，所述的陰極為電解工業(yè)中常見的陰極材料，例如石墨、鋁、銅和鐵等較為穩(wěn)定的常規(guī)材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以玻碳為惰性陽極的離子液體低溫電解鋁方法，所述離子液體陽離子為咪唑型、吡啶型、季銨型、季鱗型、吡咯型、哌啶型、嗎啉型和锍鹽型，價態(tài)均為+1，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，H R3、R4> R5> R6> R7表示烷基，烷氧基、氟或氫；陰離子為F_、Cl'Br' Γ、SCN_、CN_、[N(CF3SO2)2]_和[N(CN)2]_等可以與AlCl3形成絡(luò)合型陰離子的離子。 咪唑型陽離子吡啶型陽離子季銨型陽離子季鱗型陽離子 吡咯型陽離子哌啶型陽離子嗎啉型陽離子锍鹽型陽離子
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以玻碳為惰性陽極的離子液體低溫電解鋁方法，其中電解可由恒壓或恒電流兩種電解方式完成，反應溫度為25 200°C，槽電壓為2 6V，電極電流密度為I lOOmA/cm2，槽內(nèi)真空度約為-O. IMPa, AlCl3在離子液體中的濃度一般大于Imol/L0
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的以玻碳為惰性陽極的離子液體低溫電解鋁方法，該方法中的陽極、陰極電流效率可分別達到90%和98%以上，得到的固態(tài)鋁、氯氣的純度可分別達到.99. 5%和98%以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種以玻碳為惰性陽極的離子液體低溫電解鋁方法。該方法以玻碳作為新型惰性陽極，石墨等常規(guī)材料為陰極，在25～200℃下經(jīng)過電解離子液體-AlCl3體系可得到固態(tài)鋁。通過該方法不僅能夠顯著提高離子液體低溫電解鋁的電流效率和鋁產(chǎn)品的質(zhì)量，有效降低反應能耗，還可以充分實現(xiàn)離子液體和陽極的循環(huán)利用。該方法克服了傳統(tǒng)陽極材料穩(wěn)定性差和反應效率低的問題，有利于離子液體低溫電解鋁技術(shù)的工業(yè)化推廣，因此具有重要的研究和應用價值。
文檔編號C25C7/02GK102634817SQ20111003855
公開日2012年8月15日 申請日期2011年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月15日
發(fā)明者呂興梅, 左勇, 張建敏, 張鎖江, 張香平, 蔡迎軍, 鄭勇 申請人:中國科學院過程工程研究所