CN107177858B - 一种氯化铝电转化为氧化铝的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电解技术领域，具体涉及一种氯化铝电转化为氧化铝的方法，目的在于利用广泛的氯化铝资源短流程、低耗能地获得冶金级氧化铝或化学品氧化铝产品，以避免或解决现有技术中存在的能耗高、成本高以及污染大等难题。本发明采用电解的方法使氯化铝直接转化为铝化合物沉淀，电解工艺自动化程度高，流程短，与传统制备氧化铝方法相比，取消了蒸发、浓缩过程及其设备，有利于降低生产成本、提高生产效率；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；本发明电解得到的铝化合物焙烧制得冶金级氧化铝或化学品氧化铝，所得产品纯度高。

Description

一种氯化铝电转化为氧化铝的方法
技术领域
本发明属于电解技术领域，具体涉及一种氯化铝电转化为氧化铝的方法。
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
本发明一种氯化铝电转化为氧化铝的方法的目的在于利用广泛的氯化铝资源短流程、低耗能地获得冶金级氧化铝或化学品氧化铝产品，以避免或解决现有技术中存在的能耗高、成本高以及污染大等难题。
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、供气装置和过滤回收利用装置；
所述的阳离子膜电解槽包括：槽体14、阴极室3、阳极室4、阳离子交换膜5、搅拌器6、直流电源7；
所述的供气装置包括二氧化碳储气罐1和气体流量计2；
所述的过滤回收利用装置包括过滤装置8、干燥箱9、第一溶解槽10、第一泵11、第二溶解槽12和第二泵13；
所述的电解系统具有搅拌、通气、过滤和烘干的功能；
其中，槽体14内部设置有阳离子交换膜5，阳离子交换膜5将槽体14分为两室，其中，与直流电源7的正极连接的为阳极室4，与直流电源7的负极连接的为阴极室3，在阴极室3内设置有搅拌器6，所述的搅拌器6通过电极驱动进行搅拌；
在阴极室3的下方设置有过滤装置8，过滤装置8设置有固体出口和液体出口，过滤机的固体出口与干燥箱9相连接，过滤机的液体出口与第二溶解槽12相连接，第二溶解槽12通过第二泵13与阴极室3相通；
在阳极室4的下侧设置开口与第一溶解槽10相连接，第一溶解槽10通过第一泵11与阳极室4相通；
槽体14下部设置有二氧化碳储气罐1，二氧化碳储气罐1与气体流量计2相连。
所述的步骤1中，所述的氯化铝水溶液的质量浓度小于220g/L的任意值，优选为40g/L-180g/L；
步骤2：向阳离子膜电解槽中阴极室3电解液通入高纯二氧化碳气体，使阳离子膜电解槽阴极室3内直接生成铝的碳氢氧化合物沉淀；
所述的步骤2中，高纯二氧化碳气体通过电解槽阴极室3底部通气孔通入。
步骤3：对阳离子膜电解槽的阴极室3进行搅拌，阴极室3电解液和铝化合物沉淀定向流动，迅速通过过滤装置8进行过滤，实现快速的固液分离，得到沉淀和滤液，滤液循环返回至阴极室3作为阴极室3电解液；阳极室4溶液连续抽出，经调节浓度后返回阳极室4；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机械与气体的耦合搅拌，所述搅拌的作用在于抑制槽体14底部沉淀以及促进气泡分散；
所述的步骤3中，所述的定向流动为连续流动，使铝化合物沉淀快速离开电解槽，实现固液分离，以避免沉淀的反溶。
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3，作为阴极室3电解液，阳极室4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4，实现氯化铝的循环利用。
步骤4：将铝化合物沉淀烘干，经焙烧得到二氧化碳气体和氧化铝产品，二氧化碳返回电解过程，氧化铝产品的纯度≥98％。
所述的步骤4中，所述的铝的碳氢氧化合物经焙烧可获得冶金级氧化铝或化学品氧化铝。
本发明的一种氯化铝电转化为氧化铝的方法涉及的主要反应如下：
阳极反应：2Cl--2e＝Cl2 (1)
阴极反应：2H2O+2e＝H2+2OH- (2)
总反应：AlCl3+H2O+CO2＝AlCaObHc↓+H2↑+Cl2↑ (3)
煅烧反应：AlCaObHc＝Al2O3+H2O↑+CO2↑ (4)
查得，25℃时，标准生产电势V1＝-1.3583V、V2＝-0.8277V，则E总＝-2.186V，所以，槽电压必须高于2.186V。
本发明一种氯化铝电转化为氧化铝的方法的有效益处为：
(1)本发明采用电解的方法使氯化铝直接转化为铝化合物沉淀，电解工艺自动化程度高，流程短，与传统制备氧化铝方法相比，取消了蒸发、浓缩过程及其设备，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)本发明电解得到的铝化合物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；
1-二氧化碳储气罐；2-气体流量计；3-阴极室；4-阳极室；5-阳离子交换膜；6-搅拌器；7-直流电源；8-过滤装置；9-干燥箱；10-第一溶解槽；11-第一泵；12-第二溶解槽；13-第二泵；14-槽体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
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、供气装置和过滤回收利用装置；
所述的阳离子膜电解槽包括：槽体14、阴极室3、阳极室4、阳离子交换膜5、搅拌器6、直流电源7；
所述的供气装置包括二氧化碳储气罐1和气体流量计2；
所述的过滤回收利用装置包括过滤装置8、干燥箱9、第一溶解槽10、第一泵11、第二溶解槽12和第二泵13；所述的电解系统具有搅拌、通气、过滤和烘干的功能；
其中，槽体14内部设置有阳离子交换膜5，阳离子交换膜5将槽体14分为两室，其中，与直流电源7的正极连接的为阳极室4，与直流电源7的负极连接的为阴极室3，在阴极室3内设置有搅拌器6，所述的搅拌器6通过电极驱动进行搅拌；
在阴极室3的下方设置有过滤装置8，过滤装置8设置有固体出口和液体出口，过滤机的固体出口与干燥箱9相连接，过滤机的液体出口与第二溶解槽12相连接，第二溶解槽12通过第二泵13与阴极室3相通；
在阳极室4的下侧设置开口与第一溶解槽10相连接，第一溶解槽10通过第一泵11与阳极室4相通；
槽体14下部设置有二氧化碳储气罐1，二氧化碳储气罐1与气体流量计2相连。
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：向阳离子膜电解槽中阴极室3电解液通入高纯二氧化碳气体，流量为20m3/h，使阳离子膜电解槽阴极室3内直接生成铝的碳氢氧化合物沉淀；
所述的步骤2中，高纯二氧化碳气体通过电解槽阴极室3底部通气孔通入。
步骤3：对阳离子膜电解槽的阴极室3进行搅拌，阴极室3电解液和铝化合物沉淀定向流动，迅速通过过滤装置8进行过滤，实现快速的固液分离，得到沉淀和滤液，滤液循环返回至阴极室3作为阴极室3电解液；阳极室4溶液连续抽出，经调节浓度后返回阳极室4；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，所述的搅拌为机械与气体的耦合搅拌，所述搅拌的作用在于抑制槽体14底部沉淀以及促进气泡分散；
所述的步骤3中，所述的定向流动为连续流动，使铝化合物沉淀快速离开电解槽，实现固液分离，以避免沉淀的反溶。
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3，作为阴极室3电解液，阳极室4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4，实现氯化铝的循环利用。
步骤4：将铝化合物沉淀烘干，经焙烧得到二氧化碳气体和氧化铝产品。
步骤4中，所述的铝的碳氢氧化合物经焙烧可获得冶金级氧化铝或化学品氧化铝。
实施例2
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：向阳离子膜电解槽中阴极室3电解液通入高纯二氧化碳气体，流量为80m3/h，使阳离子膜电解槽阴极室3内直接生成铝的碳氢氧化合物沉淀；
所述的步骤2中，高纯二氧化碳气体通过电解槽阴极室3底部通气孔通入。
步骤3：对阳离子膜电解槽的阴极室3进行搅拌，阴极室3电解液和铝化合物沉淀定向流动，迅速通过过滤装置8进行过滤，实现快速的固液分离，得到沉淀和滤液，滤液循环返回至阴极室3作为阴极室3电解液；阳极室4溶液连续抽出，经调节浓度后返回阳极室4；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14底部沉淀以及促进气泡分散；
所述的步骤3中，所述的定向流动为连续流动，使铝化合物沉淀快速离开电解槽，实现固液分离，以避免沉淀的反溶。
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3，作为阴极室3电解液，阳极室4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4，实现氯化铝的循环利用。
步骤4：将铝化合物沉淀烘干，经焙烧得到二氧化碳气体和氧化铝产品。
步骤4中，所述的铝的碳氢氧化合物经焙烧可获得冶金级氧化铝或化学品氧化铝。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氯化铝电转化为氧化铝的方法，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、供气装置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；所述的供气装置包括二氧化碳储气罐和气体流量计；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、通气、过滤和烘干的功能；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；槽体下部设置有二氧化碳储气罐，二氧化碳储气罐与气体流量计相连；
步骤2：向阳离子膜电解槽中阴极室电解液通入高纯二氧化碳气体，使阳离子膜电解槽阴极室内直接生成铝的碳氢氧化合物沉淀；
步骤3：对阳离子膜电解槽的阴极室进行搅拌，阴极室电解液和铝化合物沉淀定向流动，迅速通过过滤装置进行过滤，实现快速的固液分离，得到沉淀和滤液，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；
所述的搅拌为机械搅拌或机械与气体的耦合搅拌，所述搅拌的作用在于抑制槽体底部沉淀以及促进气泡分散；
步骤4：将铝化合物沉淀烘干，经焙烧得到二氧化碳气体和氧化铝产品，二氧化碳返回电解过程，氧化铝产品的纯度≥98％。
2.根据权利要求1所述的一种氯化铝电转化为氧化铝的方法，其特征在于步骤1中，氯化铝水溶液的质量浓度为低于220g/L的任意值。
3.根据权利要求1所述的一种氯化铝电转化为氧化铝的方法，其特征在于步骤1中，氯化铝水溶液的质量浓度为40g/L-180g/L。
4.根据权利要求1所述的一种氯化铝电转化为氧化铝的方法，其特征在于步骤2中，高纯二氧化碳气体通过电解槽阴极室底部通气孔通入。
5.根据权利要求1所述的一种氯化铝电转化为氧化铝的方法，其特征在于步骤3中，所述的定向流动为连续流动，使铝化合物沉淀快速离开电解槽，实现固液分离，以避免沉淀的反溶。
6.根据权利要求1所述的一种氯化铝电转化为氧化铝的方法，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。
7.根据权利要求1所述的一种氯化铝电转化为氧化铝的方法，其特征在于步骤4中，铝的碳氢氧化合物经焙烧可获得冶金级氧化铝或化学品氧化铝。
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