CN106967993A - 一种电解氯化铝制备氧化铝的方法 - Google Patents

一种电解氯化铝制备氧化铝的方法 Download PDF

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刘燕
潘喜娟
吕国志
豆志河
赵秋月
牛丽萍
傅大学
张伟光
王艳秀
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Abstract

本发明属于电解技术领域，具体涉及一种电解氯化铝制备氧化铝的方法。目的是利用广泛的氯化铝资源短流程、低能耗地获得冶金级氧化铝或化学品氧化铝产品。通过阳离子膜电解槽电解氯化铝溶液，对电解槽阴极区进行机械搅拌；通过过滤装置对电解液及氢氧化铝进行固液分离，滤液循环返回阴极区；烘干过滤产物获得氢氧化铝，氢氧化铝经焙烧可获得冶金级氧化铝或化学品氧化铝；收集阳极和阴极气体，获得副产品氢气和氯气。本发明采用电解的方法使氯化铝直接转化为氢氧化铝，电解工艺自动化程度高，流程短，有利于降低生产成本、提高生产效率。

Description

一种电解氯化铝制备氧化铝的方法
技术领域
本发明属于电解技术领域，具体涉及一种电解氯化铝制备氧化铝的方法。
背景技术
氧化铝是一种白色无定形粉末，不溶于水，可溶于无机酸和碱性溶液，熔点2050℃，沸点2980℃。目前普遍认为，氧化铝主要有α型和γ型两种变体，γ-Al2O3是氢氧化铝在140-150℃的低温环境下脱水制得，工业上也叫活性氧化铝、铝胶。γ型氧化铝不溶于水，能溶于强酸或强碱溶液，加热至1200℃就全部转化为α型氧化铝。
根据用途的不同，氧化铝被分为两大类：一类为用作电解铝原料的氧化铝，称为冶金级氧化铝；另一类用于陶瓷、化工、制药等领域的非冶金用氧化铝，称为特种氧化铝，也叫化学品氧化铝。目前世界上生产的氧化铝大部分用于电解铝，而用作其他用途的很少，但化学品氧化铝的应用领域也在不断拓展。
在很长一段时间内，全球的氧化铝生产量一直呈逐年增长趋势，全球主要的氧化铝生产国为中国、美国、巴西、牙买加、俄罗斯以及印度等。现如今氧化铝企业普遍采用拜耳法工艺，其工艺简单、产品质量高，但流程中溶出过程矿浆稀释程度大，母液蒸发过程能耗高。现有氧化铝企业通过提高循环效率和产出率的技术，可在原有流程设备的基础上提高产能。拜耳法生产氧化铝工艺已经步入依靠设备大型化来提高产能、实现节能降耗。
另外，氧化铝生产过程对环境的产生也产生了很大的影响，主要表现在：氧化铝生产过程中所产生的废渣(赤泥)、废水及废气对环境的影响，尤其是大量赤泥对环境的影响；其次是操作人员在生产现场可能受到的伤害及影响。
发明内容
针对现有技术中存在的能耗高、成本高以及污染大等难题，本发明提供了一种电解氯化铝制备氧化铝的方法，目的是利用广泛的氯化铝资源短流程、低能耗地获得冶金级氧化铝或化学品氧化铝产品。通过阳离子膜电解槽电解氯化铝溶液，对电解槽阴极区进行机械搅拌；通过过滤装置对电解液及氢氧化铝进行固液分离，滤液循环返回阴极区；烘干过滤产物获得氢氧化铝，氢氧化铝经焙烧可获得冶金级氧化铝或化学品氧化铝；收集阳极和阴极气体，获得副产品氢气和氯气。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
步骤1：对氯化铝水溶液进行电解，电解的工艺参数为：10℃≤温度＜100℃，电解的电压≥2.2V；
所述的电解在电解系统中进行，电解系统包括阳离子膜电解槽和过滤回收利用装置；
所述的阳离子膜电解槽包括：槽体12、阴极室1、阳极室2、阳离子交换膜3、搅拌器4、直流电源5；
所述的过滤回收利用装置包括过滤装置6、干燥箱7、第一溶解槽8、第一泵9、第二溶解槽10和第二泵11；
所述的电解系统具有搅拌和过滤的功能；
其中，槽体12内部设置有阳离子交换膜3，阳离子交换膜3将槽体12分为两室，其中，与直流电源5的正极连接的为阳极室，与直流电源5的负极连接的为阴极室1，在阴极室1内设置有搅拌器4，所述的搅拌器4通过电极驱动进行搅拌；
在阴极室1的下方设置有过滤装置6，过滤装置6设置有固体出口和液体出口，过滤机的固体出口与干燥箱7相连接，过滤机的液体出口与第二溶解槽10相连接，第二溶解槽10通过第二泵11与阴极室1相通；
在阳极室2的下侧设置开口与第一溶解槽8相连接，第一溶解槽8通过第一泵9与阳极室2相通。
所述的步骤1中，所述的氯化铝水溶液的质量浓度为任意值；
步骤2：控制阳离子膜电解槽电解电流密度为0.01-0.6A/cm2，使阳离子膜电解槽阴极室1内直接生成氢氧化铝；
步骤3：对阳离子膜电解槽的阴极室1进行搅拌，阴极室1电解液和氢氧化铝定向流动，通过过滤装置6进行过滤，固液分离，得到氢氧化铝和滤液，滤液循环返回至阴极室1作为阴极室1电解液；阳极室2溶液连续抽出，经调节浓度后返回阳极室2；收集阳极气体获得副产品氯气，收集阴极气体获得副产品氢气；
所述的步骤3中，所述的搅拌为机械搅拌或电磁搅拌，所述搅拌的作用在于抑制槽体12底部沉淀；
所述的步骤3中，所述的定向流动为连续流动或间歇流动，所述的间歇流动的时间间隔根据所用的过滤设备不同而定。
所述的步骤3中，所述的滤液加水至原浓度后循环返回至阴极室1，作为阴极室1电解液，阳极室2电解液抽出后加入氯化铝调整浓度至初始反应氯化铝浓度后，返回至阳极室2，实现氯化铝的循环利用。
步骤4：将氢氧化铝烘干、焙烧，得到冶金级氧化铝或化学品氧化铝产品。
上述方法的反应分别为：
阳极反应：2Cl--2e＝Cl2 (1)
阴极反应：2H2O+2e＝H2+2OH- (2)
总反应：
煅烧反应：2Al(OH)3＝Al2O3+3H2O↑ (4)
查得，25℃时，标准生产电势V1＝-1.3583V、V2＝-0.8277，则E总＝-2.186，所以，槽电压必须高于2.186V。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)本发明采用电解的方法使氯化铝直接转化为氢氧化铝，电解工艺自动化程度高，流程短，有利于降低生产成本、提高生产效率；
(2)本发明采用电解的工艺生产氧化铝，生产过程中副产品氯气和氢气纯度高，可直接干燥利用，电解液经过滤后循环使用，流程中无污染性产物，环保、无害；
(3)本发明电解得到的氢氧化铝焙烧制得冶金级氧化铝或化学品氧化铝，所得产品纯度高。
附图说明
图1为本发明电解系统的结构示意图；
1-阴极室；2-阳极室；3-阳离子交换膜；4-搅拌器；5-直流电源；6-过滤装置；7-干燥箱；8-第一溶解槽；9-第一泵；10-第二溶解槽；11-第二泵；12-槽体。
具体实施方式
本发明实施例中采用的氯化铝溶液为任意浓度的氯化铝水溶液。
以下实施例所采用的电解系统为本发明说明书附图1的装置，该电解系统包括阳离子膜电解槽和过滤回收利用装置；
所述的阳离子膜电解槽包括：槽体12、阴极室1、阳极室2、阳离子交换膜3、搅拌器4、直流电源5；
所述的过滤回收利用装置包括过滤装置6、干燥箱7、第一溶解槽8、第一泵9、第二溶解槽10和第二泵11；
所述的电解系统具有搅拌和过滤的功能；
其中，槽体12内部设置有阳离子交换膜3，阳离子交换膜3将槽体12分为两室，其中，与直流电源5的正极连接的为阳极室2，与直流电源5的负极连接的为阴极室1，在阴极室1内设置有搅拌器4，所述的搅拌器4通过电极驱动进行搅拌；
在阴极室1的下方设置有过滤装置6，过滤装置6设置有固体出口和液体出口，过滤机的固体出口与干燥箱7相连接，过滤机的液体出口与第二溶解槽10相连接，第二溶解槽10通过第二泵11与阴极室1相通；
在阳极室2的下侧设置开口与第一溶解槽8相连接，第一溶解槽8通过第一泵9与阳极室2相通。
实施例1
本实施例由氯化铝电转化为氧化铝的方法，按以下步骤进行：
步骤1：对氯化铝水溶液进行电解，电解的工艺参数为：温度为20℃，电解的电压为3V；
所述的步骤1中，所述的氯化铝水溶液的质量浓度为50g/L；
步骤2：控制阳离子膜电解槽电解电流密度为0.01A/cm2，使阳离子膜电解槽阴极室1内直接生成氢氧化铝；
步骤3：对阳离子膜电解槽的阴极室1进行搅拌，阴极室1电解液和氢氧化铝定向流动，通过过滤装置6进行过滤，固液分离，得到氢氧化铝和滤液，滤液循环返回至阴极室1作为阴极室1电解液；阳极室2溶液连续抽出，经调节浓度后返回阳极室2；收集阳极气体获得副产品氯气，收集阴极气体获得副产品氢气；
所述的步骤3中，所述的搅拌为机械搅拌，所述搅拌的作用在于抑制槽体12底部沉淀；
所述的步骤3中，所述的定向流动为连续流动或间歇流动，所述的间歇流动的时间间隔根据所用的过滤设备不同而定。
所述的步骤3中，所述的滤液加水至50g/L后循环返回至阴极室1，作为阴极室1电解液，阳极室2电解液抽出后加入氯化铝调整浓度至初始反应氯化铝浓度后，返回至阳极室2，实现氯化铝的循环利用。
步骤4：将氢氧化铝烘干、焙烧，得到冶金级氧化铝或化学品氧化铝产品。
实施例2
步骤1：对氯化铝水溶液进行电解，电解的工艺参数为：温度为90℃，电解的电压为20V；
所述的步骤1中，所述的氯化铝水溶液的质量浓度为200g/L；
步骤2：控制阳离子膜电解槽电解电流密度为0.6A/cm2，使阳离子膜电解槽阴极室1内直接生成氢氧化铝；
步骤3：对阳离子膜电解槽的阴极室1进行搅拌，阴极室1电解液和氢氧化铝定向流动，通过过滤装置6进行过滤，固液分离，得到氢氧化铝和滤液，滤液循环返回至阴极室1作为阴极室1电解液；阳极室2溶液连续抽出，经调节浓度后返回阳极室2；收集阳极气体获得副产品氯气，收集阴极气体获得副产品氢气；
所述的步骤3中，所述的搅拌为机械搅拌，所述搅拌的作用在于抑制槽体12底部沉淀；
所述的步骤3中，所述的定向流动为连续流动或间歇流动，所述的间歇流动的时间间隔根据所用的过滤设备不同而定。
所述的步骤3中，所述的滤液加水至200g/L后循环返回至阴极室1，作为阴极室1电解液，阳极室2电解液抽出后加入氯化铝调整浓度至初始反应氯化铝浓度后，返回至阳极室2，实现氯化铝的循环利用。
步骤4：将氢氧化铝烘干、焙烧，得到冶金级氧化铝或化学品氧化铝产品。

Claims (5)

1.一种电解氯化铝制备氧化铝的方法，其特征在于步骤包括：
步骤1：对氯化铝水溶液进行电解，电解的工艺参数为：10℃≤温度＜100℃，电解的电压≥2.2V；
所述的电解在电解系统中进行，电解系统包括阳离子膜电解槽和过滤回收利用装置；所述的阳离子膜电解槽包括：槽体、阴极室、阳极室、阳离子交换膜、搅拌器、直流电源；所述的过滤回收利用装置包括过滤装置、干燥箱、第一溶解槽、第一泵、第二溶解槽和第二泵；所述的电解系统具有搅拌和过滤的功能；其中，槽体内部设置有阳离子交换膜，阳离子交换膜将槽体分为两室，其中，与直流电源的正极连接的为阳极室，与直流电源的负极连接的为阴极室，在阴极室内设置有搅拌器，所述的搅拌器通过电极驱动进行搅拌；在阴极室的下方设置有过滤装置，过滤装置设置有固体出口和液体出口，过滤机的固体出口与干燥箱相连接，过滤机的液体出口与第二溶解槽相连接，第二溶解槽通过第二泵与阴极室相通；在阳极室的下侧设置开口与第一溶解槽相连接，第一溶解槽通过第一泵与阳极室相通；
步骤2：控制阳离子膜电解槽电解电流密度为0.01-0.6A/cm2，使阳离子膜电解槽阴极室内直接生成氢氧化铝；
步骤3：对阳离子膜电解槽的阴极室进行搅拌，阴极室电解液和氢氧化铝定向流动，通过过滤装置进行过滤，固液分离，得到氢氧化铝和滤液，滤液循环返回至阴极室作为阴极室电解液；阳极室溶液连续抽出，经调节浓度后返回阳极室；收集阳极气体获得副产品氯气，收集阴极气体获得副产品氢气；
步骤4：将氢氧化铝烘干、焙烧，得到冶金级氧化铝或化学品氧化铝产品。
2.根据权利要求1所述的一种电解氯化铝制备氧化铝的方法，其特征在于步骤1中，所述的氯化铝水溶液的质量浓度为任意值。
3.根据权利要求1所述的一种电解氯化铝制备氧化铝的方法，其特征在于步骤3中，所述的搅拌为机械搅拌或电磁搅拌，所述搅拌的作用在于抑制槽体底部沉淀。
4.根据权利要求1所述的一种电解氯化铝制备氧化铝的方法，其特征在于步骤3中，所述的定向流动为连续流动或间歇流动，所述的间歇流动的时间间隔根据所用的过滤设备不同而定。
5.根据权利要求1所述的一种电解氯化铝制备氧化铝的方法，其特征在于步骤3中，所述的滤液加水至原浓度后循环返回至阴极室，作为阴极室电解液，阳极室电解液抽出后加入氯化铝调整浓度至初始反应氯化铝浓度后，返回至阳极室，实现氯化铝的循环利用。
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