CN103820818A

CN103820818A - 一步酸溶法生产的氧化铝电解用铝电解质体系及其应用

Info

Publication number: CN103820818A
Application number: CN201310744739.9A
Authority: CN
Inventors: 韩建国; 张一雯; 郭昭华; 张锋; 韩硕; 赵明; 池君洲; 王永旺
Original assignee: China Shenhua Energy Co Ltd; Shenhua Zhunneng Resources Development and Utilisation Co Ltd
Current assignee: China Shenhua Energy Co Ltd; Shenhua Zhunneng Resources Development and Utilisation Co Ltd
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2033-12-30
Also published as: CN103820818B

Abstract

本发明公开了一种一步酸溶法生产的氧化铝电解用铝电解质体系及其应用。该铝电解质体系包括Na₃AlF₆、Al₂O₃和添加剂，添加剂包括AlF₃、Li₂CO₃、CaF₂、MgF₂和Li₃AlF₆。将本发明所提供的铝电解质体系应用到一步酸溶法生产的氧化铝电解生产过程中，既可以达到比传统碱法氧化铝用电解质稍低的电解温度，又可以使一步酸溶法生产的氧化铝在该电解质中具有良好的溶解性能，从而提高了电流效率，达到较好的节能减排目的，解决了国内氧化铝供应不足的问题，为实现粉煤灰的综合利用开辟了一种新的有效途径。

Description

一步酸溶法生产的氧化铝电解用铝电解质体系及其应用

技术领域

本发明涉及氧化铝电解质技术领域，具体而言，涉及一种一步酸溶法生产的氧化铝电解用铝电解质体系及其应用。

背景技术

电解质是铝电解时溶解氧化铝并把它经电解还原为金属铝的反应介质，铝电解不能在水溶液中进行，因为在水溶液中电解时，阴极上只能析出氢而不能析出铝，因此，必须采用熔融盐电解质，电解质即是一种溶剂又是电的传媒导体。因此工业上对电解质有以下性能要求：一是能良好的溶解氧化铝并具有较高的溶解度；二是电解质具有良好的导电性，使电解质的电阻率较低，有利于降低槽电压和节能。电解质是一种复杂的熔融体系，其成分包括NaF、AlF₃、氧化铝和其它添加剂（LiF、CaF₂、MgF₂等），这些成分在电解质中所占含量的大小决定着电解质的初晶温度、电导率、溶解度等物化性质。

工业上提取金属铝的方法是先从铝矿中提取氧化铝，然后将氧化铝电解为金属铝。由于矿石中铝的品位不同，工业上采用不同的碱法制取氧化铝。1）拜耳法（湿化学法），适用于优质铝土矿和明矾石矿。2）烧结法，适用于低品位（高硅高铁）铝土矿和霞石矿；3）拜耳-烧结联合法，适用于各种铝土矿。

循环流化床粉煤灰生产氧化铝一步酸溶法工艺技术，即通过对粉煤灰磁选除铁、酸溶、树脂吸附除铁、浓缩结晶、煅烧等处理，得到氧化铝。这种一步酸溶法提取氧化铝的工艺因溶出率高且工艺简单，正日渐被广泛采用。但是一步酸溶法提取得到的氧化铝与传统的拜耳法、烧结法或联合法等工艺生产的氧化铝产品相比，在容重、粒度、安息角（流动性）、比表面积等方面有着较大的差别，使得传统碱法生产氧化铝所采用的电解质体系无法应用到一步酸溶法提取得到的氧化铝的电解中。因此，目前需要找出一种适合一步酸溶法生产氧化铝电解用铝电解质。

发明内容

本发明旨在提供一种一步酸溶法生产的氧化铝电解用铝电解质体系及其应用，该铝电解质体系对一步酸溶法生产得到的氧化铝的溶解性较好。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种一步酸溶法生产的氧化铝电解用铝电解质体系，包括Na₃AlF₆、Al₂O₃和添加剂，添加剂包括AlF₃、Li₂CO₃、CaF₂、MgF₂和Li₃AlF₆。

进一步地，按重量百分含量计，铝电解质体系包括以下组分：Li₃AlF₆1%～15%；Li₂CO₃2%～5%；CaF₂2%～7%；MgF₂1%～7%；Al₂O₃1.5%～3.5%；AlF₃2%～15%；其余为Na₃AlF₆。

进一步地，按重量百分含量计，铝电解质体系包括以下组分：Li₃AlF₆5%～10%；Li₂CO₃3%～4%；CaF₂3%～5%；MgF22%～5%；Al2O32%～3%；AlF35%～10%；其余为Na3AlF6。

进一步地，按重量百分含量计，铝电解质体系包括以下组分：Li₃AlF₆7%；Li₂CO₃4%；CaF₂4%；MgF₂5%；Al₂O₃2.5%；AlF₃7%；其余为Na₃AlF₆。

进一步地，按重量百分含量计，铝电解质体系包括以下组分：Li₃AlF₆8%；Li₂CO₃3.5%；CaF₂3.5%；MgF₂4%；Al₂O₃2.5%；AlF₃8%；其余为Na₃AlF₆。

进一步地，铝电解质体系的初晶温度为820℃～930℃，电导率为1.8～2.2/Ω·cm，密度为1.81～2.10g/cm³，粘度为2.9×10-³～3.3×10^-3Pa·S。

根据本发明的另一方面，提供了上述任一种铝电解质体系在一步酸溶法得到的氧化铝电解中的应用。

应用本发明的技术方案，针对一步酸溶法生产的氧化铝电解问题，本发明提供了一种包括Na₃AlF₆、Al₂O₃和添加剂AlF₃、Li₂CO₃、CaF₂、Li₃AlF₆和MgF₂的铝电解质体系，将该铝电解质体系应用到一步酸溶法生产的氧化铝电解生产过程中，既可以达到比传统碱法氧化铝用电解质稍低的电解温度，又可以使一步酸溶法生产的氧化铝在该电解质中具有良好的溶解性能，从而提高了电流效率，达到较好的节能减排目的，解决了国内氧化铝供应不足的问题，为实现粉煤灰的综合利用开辟了一种新的有效途径。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。

为了针对一步酸溶法生产的氧化铝进行电解，本发明提供了一种铝电解质体系，包括Na₃AlF₆、Al₂O₃和添加剂，添加剂包括AlF₃、Li₂CO₃、CaF₂、Li₃AlF₆和MgF₂。

本发明所提供的铝电解质体系初晶温度低、电导率高且溶解性能佳，将该铝电解质体系应用到一步酸溶法生产的氧化铝电解生产过程中，既可以达到比传统碱法氧化铝用电解质稍低的电解温度，又可以使一步酸溶法生产的氧化铝在该电解质中具有良好的溶解性能，从而提高了电流效率，达到较好的节能减排目的，解决了国内氧化铝供应不足的问题，为实现粉煤灰的综合利用开辟了一种新的有效途径。

优选地，按重量百分含量计，包括以下组分：Li₃AlF₆1%～15%；Li₂CO₃2%～5%；CaF₂2%～7%；MgF₂1%～7%；Al₂O₃1.5%～3.5%；AlF₃2%～15%；其余为Na₃AlF₆。采用各组分在上述比例范围内的铝电解质体系，可以得到初晶温度较低、溶解性能较好且电导率较高的铝电解质体系，有助于得到适合一步酸溶法生产的氧化铝电解的铝电解质体系。

其中，向铝电解质体系中添加锂盐Li₃AlF₆和Li₂CO₃，可显著地降低铝电解质体系的初晶温度，有效地提高铝电解质体系的电导率，从而提高电流效率，降低电耗。添加MgF₂、CaF₂有利于降低电解质体系的初晶温度，提高电流效率降低电耗。

进一步优选地，按重量百分含量计，铝电解质体系包括以下组分：Li₃AlF₆5%～10%；Li₂CO₃3%～4%；CaF₂3%～5%；MgF₂2%～5%；Al₂O₃2%～3%；AlF₃5%～10%；其余为Na₃AlF₆。最优选地，按重量百分含量计，铝电解质体系包括以下组分：Li₃AlF₆7%；Li₂CO₃4%；CaF₂4%；MgF₂5%；Al₂O₃2.5%；AlF₃7%；其余为Na₃AlF₆。

本发明所提供的铝电解质体系，初晶温度为890℃～910℃，电导率为2.2～2.4/Ω·cm，密度为1.81～2.10g/cm³，粘度为2.9×10^-3～3.3×10^-3Pa·S。与传统的碱法生产铝电解质体系相比，本发明提供的铝电解质体系的初晶温度降低了20～30℃，电导率提高了0.1～0.3/Ω·cm。

根据本发明的又一方面，提供了一种铝电解质体系在一步酸溶法生产的氧化铝电解过程中的应用。

下面结合具体实施例和对比例进一步说明本发明的有益效果：

实施例1

按照表1中的组分混合制备铝电解质体系，各原料组分均为高纯度的市售产品。对比例1

采用碱法生产氧化铝应用在最优的电解质组分中进行电解，所添加的组分以及NaF与AlF₃的摩尔比值，具体见表1。

对实施例1至6及对比例1中制备的铝电解质体系进行测定：

取一定量铝电解质被测试样置于铂坩埚中，将坩埚放入保温效果非常良好的井式高温炉中，加热至电解质试样全部熔融并过热10℃～20℃温度，然后缓慢降温，并用铂铑热电偶测温，用电位差计自动记录降温全过程的温度时间曲线。冷却曲线的第一个拐点所对应的温度即为该电解质的初晶温度。

氧化铝饱和溶解度采用旋转刚玉片法测定，即当铝电解质的熔体温度到达900℃，使刚玉片在熔体中按一定的速率旋转，每隔一定时间取熔体样，使用LECO TC400氮氧分析仪分析试样中氧含量，从而转化为氧化铝含量；当所取试样氧化铝含量达到稳定值时，这个稳定值为氧化铝饱和溶解度。采用熔盐电导测定仪测试铝电解质体系的熔盐电导率，采用范氏旋转黏度计测定粘度，电解质密度测定的基本原理是阿基米德浮力定律。各参数具体数值见表1。

表1

从表1的数据可以看出，按照实施例4中的组分配比制备的铝电解质体系最优，其初晶温度较低，电导率较高，电解效果较好。将采用传统的碱法生产的氧化铝应用在最优的电解质体系配比中（即对比例1中），得到的铝电解质体系的初晶温度较高，电导率较低，说明适合于一步酸溶法生产的氧化铝电解的组分，并不适合碱法氧化铝电解，电解效果较差。

本发明的铝电解质体系与现有的铝电解质体系相比，具有如下有益效果：

1）与现行的工业铝电解质相比，本发明通过添加AlF₃、Li₂CO₃、CaF₂、MgF₂和Li₃AlF₆添加剂，并通过优化配比，降低了铝电解质体系的初晶温度，提高了电导率，使得氧化铝饱和溶解度有一定的提高。

2）通过添加Li₃AlF₆和Li₂CO₃，降低了铝电解质体系的电解温度，提高了电导率。

3）通过添加AlF₃、MgF₂、CaF₂，降低了电解质的初晶温度，提高了电流效率，进而降低了电耗。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一步酸溶法生产的氧化铝电解用铝电解质体系，其特征在于，包括Na₃AlF₆、Al₂O₃和添加剂，所述添加剂包括AlF₃、Li₂CO₃、CaF₂、MgF₂和Li₃AlF₆。

2.根据权利要求1所述的铝电解质体系，其特征在于，按重量百分含量计，所述铝电解质体系包括以下组分：

Li₃AlF₆ 1%～15%； Li₂CO₃ 2%～5%；

CaF₂ 2%～7%； MgF₂ 1%～7%；

Al₂O₃ 1.5%～3.5%； AlF₃ 2%～15%；

其余为Na₃AlF₆。

3.根据权利要求2所述的铝电解质体系，其特征在于，按重量百分含量计，所述铝电解质体系包括以下组分：

Li₃AlF₆ 5%～10%； Li₂CO₃ 3%～4%；

CaF₂ 3%～5%； MgF₂ 2%～5%；

Al₂O₃ 2%～3%； AlF₃ 5%～10%；

其余为Na₃AlF₆。

4.根据权利要求3所述的铝电解质体系，其特征在于，按重量百分含量计，所述铝电解质体系包括以下组分：

Li₃AlF₆ 7%； Li₂CO₃ 4%；

CaF₂ 4%； MgF₂ 5%；

Al₂O₃ 2.5%； AlF₃ 7%；

其余为Na₃AlF₆。

5.根据权利要求3所述的铝电解质体系，其特征在于，按重量百分含量计，所述铝电解质体系包括以下组分：

Li₃AlF₆ 8% Li₂CO₃ 3.5%；

CaF₂ 3.5%； MgF₂ 4%；

Al₂O₃ 2.5%； AlF₃ 8%；

其余为Na₃AlF₆。

6.根据权利要求1所述的铝电解质体系，其特征在于，所述铝电解质体系的初晶温度为820℃～930℃，电导率为1.8～2.2/Ω·cm，密度为1.81～2.10g/cm³，粘度为2.9×10^-3～3.3×10-³Pa·S。

7.一种权利要求1至6中任一项所述的铝电解质体系在一步酸溶法得到的氧化铝电解中的应用。