一种以离子液体为电解质电解铝的方法

本发明属于电解铝领域，具体涉及一种以钨片电极为阳极，以离子液体为电解质，低温低压电解铝的方法。

背景技术：

1、铝工业是世界上最大的电化学工业，铝的产量仅次于钢。由于铝具有质轻，良好的导热性和导电性，可加工性及构成合金等优良性能，大量的铝应用在建筑和结构材料、运输装置、饮料罐、包装材料、电力运输线、日用品、机械设备等方面。

2、现代铝工业生产铝主要采用hall-héroult法，即冰晶石-氧化铝融盐电解法。该法以氧化铝为原料，熔融冰晶石为电解质，将直流电通入电解槽，在阴极和阳极发生电化学反应，并在阴极上析出电解产物液体铝，在阳极上产生co2(约75％～85％)和co(20％～25％)。该法每生产1吨铝，耗电14000kw·h，炭阳极550～600kg，氟盐30～50kg，氧化铝2吨，电力成本约占20％。然而hall-héroult法存在诸多缺点：电流利用率低，不到50％；电解温度高，一般都在950℃～970℃，对设备和材质要求苛刻；环境污染严重，产生了大量的co2、co及含氟有害气体。随着能源紧张、电力成本持续上升以及全球氧化铝价格持续走高，电解铝行业进入边缘利润行业。

3、为进一步降低电解铝生产成本，现有技术尝试采用以离子液体和氯化铝为电解质电解制取铝(cn104141150a，cn103160853a，cn101265588a)。离子液体在电解制取铝上虽然具有巨大的优势和潜力，但电解过程中仍需要较高的温度和电压。此外，现有技术中适用于离子液体体系的惰性阳极材料常存在阳极电解效率低以及离子液体分解的问题。传统电解工业中所广泛使用的析氯惰性阳极，如石墨、钌或钛阳极，仍然难以满足实际生产需求。以hcl溶液作为电解溶液的钌电极其腐蚀电位为950mv，以日晒盐水作为电解溶液的钛电极腐蚀电位为-7.27mv，在氯化铝与离子液体的混合溶液中钌钛电极的腐蚀电位更小而更易被氧化。在100℃和3ma/cm2的电流密度下，钌钛阳极在工作不到2h后发生明显腐蚀，氧化钌涂层被破坏。以na2so4作为电解溶液的石墨电极腐蚀电位为-0.86v，在电解过程中会逐渐发胀，脱落甚至断裂，难以维持电解铝反应长时间的顺利进行，阳极电流效率低，副反应严重。因此，亟需开发一种适用于离子液体体系的新型惰性阳极材料。

技术实现思路

1、为了解决现有的离子液体体系中惰性阳极材料易腐蚀、电解效率低的问题，本发明采用了纯钨片作为惰性阳极材料，将其用于离子液体低温低压电解铝反应。本发明提供的以钨片为阳极以离子液体为电解质电解铝的方法可以在低温低压下电沉积和精炼金属铝，阳极效率得到了显著的提高，同时电解副反应明显减少，纯钨片和离子液体经过处理后可实现重复利用。

2、本发明采用的技术方案是：一种以离子液体为电解质电解铝的方法，包括：以钨片为阳极，以钛片为阴极，在恒定电压4.0～4.5v、温度80～110℃条件下，对含有铝离子的离子液体进行电解，制得固态铝。

3、为了解决现有的离子液体体系中惰性阳极材料易腐蚀、电解效率低的问题，本发明首次采用纯钨片为惰性阳极材料，将其用于离子液体低温电解铝反应。实验结果表明，纯钨片具有很高的稳定性，在含有铝离子的咪唑氯盐型离子液体中经过1000h电解铝反应后，纯钨片仍然保持优良的物理和化学性质(图10)，钨电极的应用使电解铝的阳极效率得到了显著的提高，同时电解副反应明显减少，纯钨片和离子液体经过处理后可实现重复利用。所以，纯钨片作为一种新型的惰性阳极材料，不仅克服了传统阳极材料易腐蚀、电解效率低以及离子液体分解的问题，有利于离子液体低温电解铝技术的工业化推广。

4、具体地，所述方法包括：先向电解槽通入惰性气体排出其中的空气和水蒸气，然后将咪唑氯盐型离子液体加入电解槽中，再加入氯化铝，并将氯化铝和甲基咪唑氯盐型离子液体搅拌均匀制成含有铝离子的离子液体；其中氯化铝与咪唑氯盐型离子液体的摩尔比优选为1∶(1.5～2)；在惰性气氛和搅拌条件下，将电解质的温度控制在80～110℃，在钨片阳极与钛片阴极之间施加一定的电压进行电解，即可在阴极上获得铝；电解过程中，电压为恒定电压，其范围控制在4.0～4.5v之间。

5、作为优选，所述含有铝离子的离子液体是将无水氯化铝与咪唑氯盐型离子液体进行混合制得的。

6、作为优选，所述含有铝离子的离子液体中氯化铝与咪唑氯盐型离子的摩尔比为1∶(1.5～2)。实验发现，按摩尔量计，当反应体系中氯化铝的添加量超过咪唑氯盐型离子后，如当氯化铝与咪唑氯盐型离子的摩尔比为1∶0.5时，将影响电解反应的进行，阴极难以沉积固态铝。当氯化铝与咪唑氯盐型离子的摩尔比逐渐提高至1∶(1.5～2)，优选为1∶(1.75～2)时，在4.0～4.5v、80～110℃的低温低压条件下，阴极沉积得到松散的光亮铝粉，且阳极电流效率可大于85％，得到了显著的提高。

7、作为优选，所述的咪唑氯盐型离子液体选自1-乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-丙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐离子液体中至少一种。

8、作为优选，所述恒定电压为4.0v。

9、作为优选，所述温度为100～110℃，更优选为100℃。在相同反应条件下，适当提高温度，如从80℃提高至100℃时，可进一步提高阳极电流效率，在阴极沉积得到更多致密的铝粉。

10、作为优选，所述电解在搅拌条件下进行。实验表明，搅拌条件下可有效提升电解效率，促进铝粉的均匀沉积。

11、作为优选，所述电解过程中，每间隔2～3h更换阴极钛片，从被更换下来的阴极表面剥落沉积的铝。

12、作为优选，所述电解在的电解装置内进行，所述电解装置包括加热机构、电解机构以及氯气抽离机构；所述加热机构用于加热所述电解机构；所述电解机构具有搅拌部件、阴极室、阳极室以及将阴极室、阳极室进行分隔的隔膜；所述氯气抽离机构用于抽离阳极室内电解所产生的氯气。其中，所述氯气抽离机构利用惰性气体抽离氯气。电解过程中，阳极上会产生氯气，可用隔膜将阴极室与阳极室分隔，以阻止氯气与铝产物发生接触并产生反应，并用惰性气体将氯气携带出阳极室以将其收集起来，从而加速电解过程并提升电解效率。其中，所述惰性气体优选为氮气、氩气或氦气。

13、作为优选，所述方法包括：以钨片为阳极，以钛片为阴极，在恒定电压4.0v、温度100℃条件下，对含有铝离子的离子液体在搅拌条件下进行电解，电解过程中抽离氯气，制得固态铝；所述含有铝离子的离子液体是将无水氯化铝与1-乙基-3-甲基咪唑氯盐离子液体按摩尔比为1:1.75进行混合制得的。

14、本发明还提供了一种如上所述方法制得的固态铝。

15、本发明的有益效果：本发明提供的以钨片为阳极以离子液体为电解质电解铝的方法可以在低温低压下电沉积得到致密稳定的铝粉。相较于传统的钛片或石墨阳极，纯钨片在含有铝离子的咪唑氯盐型离子液体中经过1000h电解铝反应后，仍然保持优良的物理和化学性质，阳极效率显著提高至85％以上，同时电解副反应明显减少，纯钨片和离子液体经过处理后可实现重复利用。所以，纯钨片作为一种新型的惰性阳极材料，不仅克服了传统阳极材料易腐蚀、电解效率低以及离子液体分解的问题，有利于离子液体低温电解铝技术的工业化推广。