CN101550555B - 一种降低碱溶碳分法生产氧化铝电耗的技术方法和电解槽 - Google Patents

Abstract

一种降低碱溶碳分法生产氧化铝电耗的技术方法和电解槽，该方法是基于氧循环电解碳酸钠分别在阴极室和阳极室制取氢氧化钠和碳酸氢钠的节能技术方法，可以将碱溶碳分法生产氧化铝的电耗显著降低。该节能型电解槽由氧阴极、氧气室或富氧空气室、阴极室、阳离子交换膜、阳极室和阳极所构成，其特征在于配有专门的氧气室或富氧空气室，阴极采用具有催化氧气还原活性的气体电极，阴极反应为吸附氧的还原反应，不发生氢气析出反应，节能型电解槽的工作槽压可维持在1.3～1.6V的较低电压范围，具有比普通电解槽的工作槽压降低1.15V左右的显著节电效果。

Description

一种降低碱溶碳分法生产氧化铝电耗的技术方法和电解槽

                (一)所属技术领域

本发明属于氧化铝生产技术领域。

                (二)本发明技术背景

作为生产金属铝的基本原料，氧化铝生产在铝工业中占据着极其重要的位置。目前，国内外生产氧化铝的方法主要有拜耳法和烧结法两种。我国由于铝土矿原料品质较差，在拜耳法和烧结法的基础上发展起来了将拜耳法和烧结法两个流程相结合的联合法。拜耳法存在的不足是对铝土矿的品质要求较高，烧结法存在的不足是耗能偏高。

北京化工大学钮因健等申报的专利“一种碱溶碳分法生产氧化铝的工艺(专利号200710178670.2)”，提出了采用氢氧化钠溶液浸矿获取铝酸钠溶出液，采用碳酸氢钠分解铝酸钠溶出液转化形成由氢氧化铝沉淀与碳化母液组成的混合体系，分离后得到氢氧化铝固体和碳化母液，氢氧化铝固体经过焙烧得到氧化铝，碳化母液(以碳酸钠为主要溶质的溶液)通过阳离子膜电解重新转化为碳酸氢钠和氢氧化钠溶液，进而实现碳酸氢钠和氢氧化钠溶液的循环利用的氧化铝生产工艺方法，该方法具有铝酸钠溶出液分解迅速彻底，溶出设备利用率高等优点，但存在着电解过程电耗偏高的问题，因为在直接电解碳化母液使之向碳酸氢钠和氢氧化钠溶液进行转化的过程中，阳极析氧、阴极析氢，正常电解槽压需达到2.45V-3.35V之间，此时每吨氢氧化铝电耗高达900千瓦时以上，显然，提出一套能够显著降低碳化母液电解能耗的电解方法及装置，是使上述碱溶碳分法生产氧化铝新工艺得以产业化应用的关键。

(三)发明内容

本发明的目的在于针对现有氧化铝生产方法所存在的不足，特别是专利申请书(申请号200710178670.2)所述方法未曾提及的电解碳化母液再生氢氧化钠和碳酸氢钠的节电问题，提供一种基于氧循环电解碳化母液再生氢氧化钠和碳酸氢钠的节电电解方法及节电型电解槽，显著降低碱溶碳分法生产氧化铝的耗电指标。

本发明的用于降低碱溶碳分法生产氧化铝电耗的基于氧循环电解碳化母液再生氢氧化钠和碳酸氢钠的节电方法及节能型电解槽见附图1。节能型电解槽由氧阴极、氧气室或富氧空气室、阴极室、阳离子交换膜、阳极室和阳极所构成，电解前先将经过除杂纯化的以碳酸钠为主要溶质的碳化母液注入阳极室，将氢氧化钠稀溶液注入阴极室，将氧气或富氧空气注入氧气室或富氧空气室，电解时阳极室内电解液中的碳酸钠逐步转化为碳酸氢钠，在阴极室的氢氧化钠稀溶液逐步转化为氢氧化钠浓溶液。节能型电解槽与普通电解槽的不同之处在于，普通电解槽没有专门的氧气室或富氧空气室，在普通电解槽的阴极上发生的主反应是氢离子的还原析氢反应，在节能型电解槽的阴极上发生的主反应是吸附氧的还原反应，二者阴极反应电位相差达1.2V，在节能型电解槽上电解碳化母液具有可比普通电解槽降低1.15V左右的电解槽压的显著节电效果，见附图2，普通电解槽电解槽压高达2.6-3.4V，节能型电解槽电解槽压仅有1.2-1.5V。节能型电解槽选用具有催化氧气还原的气体电极比如LaCoNiO₃催化的活性炭电极或Ag催化的碳电极作阴极，选用耐腐蚀的碳素电极、铂电极、钛镀钌电极或镍基电极作阳极，为了防止出现氧阴极贫氧现象，保证氧阴极还原反应在较高的电极电位下顺利进行，使电解碳化母液过程在较低槽压下快速持久稳定进行，以显著降低当量电解能耗，并避免阳离子膜受压差损坏，要求氧气室或富氧空气室的气压保持在一定的范围并保有一定的透气速率，气压压差以控制在1-20kPa为宜。从经济可行性角度考虑，优选富氧空气作为氧阴极的补给氧气源，将阳极室生成的氧气收集回馈于氧气室或富氧空气室，剩下的氧气短缺部分用空气补偿。

经过除杂纯化的碳化母液在注入节能型电解槽后进行电解所发生的系列反应，主要包括以下步骤：

(1)在阳极室，碳酸钠水溶液被电解酸化转化成碳酸氢钠并释放析出钠离子和氧气：

2Na₂CO₃+H₂O-2e→2NaHCO₃+1/2O₂+2Na⁺  (1)

电解析出的氧气经过收集后导入氧气室或富氧空气室；反应释放的Na⁺离子通过阳离子膜迁移至阴极区；反应生成的碳酸氢钠从阳极室引出后用于碳化分解铝酸钠溶液。

(2)在阴极室，来自氧气室或富氧空气室的氧气被电解还原，与水结合形成氢氧根离子：

1/2O₂+H₂O+2e＝2OH^-           (2)

氢氧根离子再与通过阳离子交换膜从阳极室扩散过来的钠离子结合成氢氧化钠：

2Na⁺+2OH^-＝2NaOH             (3)

氢氧化钠从阴极室引出后用于浸取铝土矿。

为了进一步降低槽压及电解能耗，可在注入阳极室的碳化母液中添加0.05-2M的NaNO₃作为辅助电解质以提高阳极室电解液的电导率，碳化母液中的碳酸钠浓度范围控制在0.5-2.2M为佳；注入阴极室的阴极电解液可以是氢氧化钠溶液或纯水，优选0.05-12M的氢氧化钠溶液作为阴极电解液。

(四)附图说明

为了更直观说明本发明的特征，本发明结合说明书附图进行说明。附图1是本发明的节电型电解槽的结构图1.电解槽单体，2.阳极端子，3.阳极集流体，4.碳酸钠储罐，5.阳离子交换膜，6.氧阴极，7.阴极端子，8.氢氧化钠电解液，9.输液泵，10.氧气室或又称富氧空气室。

附图2是本发明的节电型电解槽用于电解碳化母液所实测的与普通电解槽相比的节电效果，曲线1为节电型电解槽的实测数据，曲线2为普通电解槽的电解结果。

(五)具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步的说明，其中实施例1和实施例2是在本发明的节能型电解槽内进行阳循环电解的实验结果，实施例3是在普通电解槽内进行常规电解的实验结果。

实施例1

将1L含有2.2MNa₂CO₃的经过除铁脱硅的碳化母液通入电解槽阳极室，1L5.8M的NaOH溶液通入阴极室。采用镍板为阳极，以LaCoNiO₃催化的活性炭电极为氧阴极，阴极氧气室预先通入气压为1个大气压的氧气。在4.5A下进行恒流电解12.9h，电解槽压在1.2-1.35V之间，电解温度为30-70℃，使阳极室中的碳酸钠在电解的作用下发生水解，得到碳酸氢钠溶液。相应当量的钠离子经过阳离子交换膜的选择性作用进入阴极室，并形成更浓的氢氧化钠溶液。经过酸碱滴定分析实验表明，阳极室得到1.82M的阴极碳酸氢钠溶液，阴极室得到的6.5M的NaOH溶液。

实施例2

以1L含有2.0M Na₂CO₃和0.2M NaNO₃的水溶液为阳极电解液，0.3L 3M的NaOH溶液为阴极电解液。采用镍合金为阳极，以Ag催化的碳电极为氧阴极。阴极氧气室预先通入气压为120kPa的富氧空气。在4.2A下进行恒流电解12h，电解槽压在1.35-1.5V之间，电解温度为30-70℃，使阳极室中的碳酸钠在电解的作用下发生水解，得到碳酸氢钠溶液。相应当量的钠离子经过阳离子交换膜的选择性作用进入阴极室，并形成更浓的氢氧化钠溶液。经过酸碱滴定分析实验表明，阳极室得到1.76M的阴极碳酸氢钠溶液，阴极室得到的6.2M的NaOH溶液。

实施例3

以1L 2.0M Na₂CO₃溶液为阳极电解液，0.3L 3M的NaOH溶液为阴极电解液。采用钛镀钌电极为阳极，以碳钢为阴极。在4.1A下进行恒流电解12h，电解槽压在2.6-3.4V之间，电解温度为30-70℃，使阳极室中的碳酸钠在电解的作用下发生水解，得到碳酸氢钠溶液。相应当量的钠离子经过阳离子交换膜的选择性作用进入阴极室，并形成更浓的氢氧化钠溶液。经过酸碱滴定分析实验表明，阳极室得到1.72M的阴极碳酸氢钠溶液，阴极室得到的6.0M的NaOH溶液。

Claims (3)

1.一种电解槽，由氧阴极、氧气室或富氧空气室、阴极室、阳离子交换膜、阳极室和阳极构成，阳极室用来接纳以碳酸钠为主要溶质的溶液并使之向碳酸氢钠电解转化，阴极室用来将纯水或0.05-12M的氢氧化钠溶液电解转化为更高浓度的氢氧化钠溶液,其特征在于通过将阳极室产生的氧气收集后导入专门为电解槽配置的氧气室或富氧空气室并在氧阴极上得到还原，从而达到显著降低槽电压和节电的目的。

2.一种用于降低碱溶碳分法生产氧化铝电耗的方法，其特征在于利用如权利要求1所述的电解槽实现以碳酸钠为主要溶质的溶液电解为碳酸氢钠和氢氧化钠溶液，将阳极生成的氧气收集起来回馈于氧气室或富氧空气室，使其在氧阴极重新还原，使氧阴极反应保持高电位，进而明显降低槽电压得到节电效果；缺失的氧气部分采用空气补偿。

3.如权利要求书2所述的用于降低碱溶碳分法生产氧化铝电耗的方法，其中在阳极电解液中添加硝酸钠作为辅助导电电解质，可以起到提高电解液的电导率，降低电解能耗的效果。 

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