原铝在离子液体中低温电解精炼的研究.pdf
2 0 2 0 年第5 期有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 5 1 d o i 1 0 .3 9 6 9 1 j .i s s n .1 0 0 7 - 7 5 4 5 .2 0 2 0 .0 5 .0 1 0 原铝在离子液体中低温电解精炼的研究 郑勇,郑永军,王振,牛永生 安阳工学院化学与环境工程学院,河南安阳4 5 5 0 0 0 摘要采用离子液体1 一乙基一3 一甲基咪唑氯铝酸盐为电解质,对原铝的低温电解精炼反应进行研究。根 据电化学测试结果,系统考察了原铝中各主要元素的氧化过程,证明铝与主要杂质元素在离子液体中具 有明显不同的初始氧化电位,能够通过恒电位电解法对原铝进行精炼提纯。在此基础上,通过两步电解 法完成了杂质的高效分离,获得了最佳的反应条件。结果表明,经过0 .2 ~o .4V 和4 0 ~8 0 ℃下的电解 精炼反应,可以得到纯度高于9 9 .9 5 %的精铝。 关键词原铝;离子液体;电解精炼;低温熔盐 中图分类号T F 8 2 1 ;0 6 4 6 .5 ;T F l l l .5 2 2文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 2 0 0 5 0 0 5 1 - 0 5 S t u d yo nL o w t e m p e r a t u r eE l e c t r o r e f i n i n go fP r i m a r y A l u m i n u mi nI o n i cL i q u i d Z H E N GY o n g ,Z H E N GY o n g j u n ,W A N GZ h e n ,N I UY o n g s h e n g D e p a r t m e n to fC h e m i c a la n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ,A n y a n gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y ,A n y a n g4 5 5 0 0 0 ,H e n a n ,C h i n a A b s t r a c t L o w t e m p e r a t u r ee l e c t r o r e f i n i n go fp r i m a r ya l u m i n u mi ni o n i cl i q u i d1 一e t h y l 一3 一m e t h y l i m i d a z o l i u m c h l o r o a l u m i n a t ew a sc a r r i e do u t .O x i d a t i o np r o c e s so fm a i ne l e m e n t so fp r i m a r ya l u m i n u mw a si n v e s t i g a t e d b ye l e c t r o c h e m i c a lm e a s u r e m e n t sw h i c hd e m o n s t r a t e dt h a to n s e to x i d a t i o np o t e n t i a lo fa l u m i n u mw a s d i f f e r e n tf r o mt h o s eo fi m p u r i t ye l e m e n t s ,w h i c hf a c i l i t a t e de l e c t r o r e f i n i n go fp r i m a r ya l u m i n u mu n d e r c o n s t a n tp o t e n t i a l .O nt h i sb a s i s ,s e p a r a t i o no fi m p u r i t i e sw a sc o m p l e t e dw i t hh i g he f f i c i e n c yb yt w o s t e p e l e c t r o l y s i sm e t h o da n dt h eo p t i m u me x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d .T h er e s u l t ss h o wt h a th i g h p u r i t ya l u m i n u mw i t hm a s sc o n t e n th i g h e rt h a n9 9 .9 5 %c a nb eo b t a i n e da t0 .2 ~O .4V a n d4 0 ~8 0 ℃b y e l e c t r o r e f i n i n g . K e yw o r d s p r i m a r ya l u m i n u m ;i o n i cl i q u i d ;e l e c t r o r e f i n i n g ;l o w t e m p e r a t u r em o l t e ns a l t s 目前,商品化的工业级铝锭即原铝的纯度通常 为9 9 .5 %左右[ 1 ] 。随着社会和经济的不断发展,人 们对铝的品质要求越来越高,特别是纯度高于 9 9 .9 5 %的精铝 国际上也称为高纯铝 受到了广泛 青睐。这是因为精铝具有更好的导电性、延展性、反 射性和抗氧化性,可用于制备磁盘基片、集成电路导 线、电容器阳极箔和引线等先进材料,在电子、通讯、 国防、航空和航天等前沿领域有着良好的应用前 景[ 2 ] 。精铝一般在原铝的基础上,通过三层液电解 精炼法或偏析熔炼法进行制备睁“,这些方法具有成 本低、产量大、排放少的优点,但反应过程温度高 7 0 0 ℃以上 、能耗大 高于1 3k W h /k g 、操作复 杂,选择性不够好。因此,开发更高效、绿色的新型 低温制备技术是未来工作的关键,而离子液体的出 收稿日期2 0 2 0 0 1 1 3 基金项目国家自然科学基金资助项目 2 1 4 0 6 0 0 2 ,2 17 0 2 0 0 5 ;河南省高等学校青年骨干教师培养计划 2 0 1 7 G G J S l 7 5 作者简介郑勇 1 9 8 3 一 ,男,博士,副教授 万方数据 5 2 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 2 0 年第5 期 现为解决这一难题提供了崭新的机遇。离子液体能 够作为低温电解铝的优良电解质溶液,反应温度可 降低至1 0 0 ℃以下,能耗仅为3 ~9k W h /k g [ 5 。7 ] 。近 年来,已有部分文献报道了离子液体在铝精炼中的 应用,取得了一定的进展[ 8 呻] 。然而,大部分工作多 采用铝合金为原料,侧重于反应条件的考察和纯度 表征,在微观机理上认识不足,缺乏针对工业级原铝 精炼过程的研究[ 1 小1 1 ] 。所以,从技术应用的角度来 说,还需要加强对原铝低温电解精炼的探索。 本文从上述背景出发,根据前期经验,采用稳定 性较高、电化学性能较好的离子液体1 一乙基一3 一甲基 咪唑氯铝酸盐 [ - E m i m ] E A l 。C 1 ,] 为低温电解质溶 液,同时以工业级原铝为原料,系统研究了原铝样品 中铁、硅、镁、锌、铜等主要杂质元素的电解精炼过 程,获得了最佳的反应条件,进一步提高了铝产品的 质量。 1 试验部分 1 .1 试验材料 1 一乙基一3 一甲基咪唑氯盐 [ E m i m ] C 1 由林州市 科能材料科技有限公司提供,质量纯度高于 9 9 .0 0 %。无水三氯化铝、无水乙醇、盐酸、硫酸均为 分析纯试剂。高纯锌、铝、铜、铁、镁、硅质量纯度高 于9 9 .9 9 %。原铝样品采用市售A 0 0 铝锭 牌号 A 1 9 9 .6 0 加工而成。铂片电极、铝电极由天津艾达 恒晟科技发展有限公司提供,质量纯度高于9 9 .9 9 %。 1 .2 仪器设备 电化学工作站 C H l 6 6 0 E ,真空手套箱 L A B s t a r ,集热式磁力搅拌器 R C Tb a s i c ,扫描 电子显微镜 J S M 一6 7 0 0 F ,能谱仪 X M a x2 0 ,电 感耦合等离子体质谱仪 i C A PQ c ,原子吸收光谱 仪 A A 2 4 0 ,铝离子浓度测定仪 H 1 9 6 7 1 2 ,核磁共 振波谱仪 a v 一4 0 0M H z ,元素分析仪 V a r i oE L c u b e ,水分测定仪 7 8 7K FT i t r i n o 。 1 .3 试验方法 1 离子液体电解质的制备 在充满惰性气体的手套箱中,室温下将 [ E m i m ] C l 与无水三氯化铝按照摩尔比1 2 进行 混合反应。待体系变为均一溶液后通过砂芯漏斗过 滤,滤液在1V 下电解2 4h 以进一步纯化。产物经 过核磁共振波谱仪、元素分析仪和水分测定仪的测 试分析,化学组成和分子结构与[ E m i m ] E A l C 1 ,] 一 致,质量纯度高于9 9 .5 0 %,能够满足后续工作的 要求。 2 电化学试验 所有电化学试验均采用离子液体[ E m i m ] E A I C I ,] 作为电解质溶液,在上述手套箱中由电化 学工作站完成。在线性扫描伏安测试中,工作电极 分别由高纯铝、铁、硅、镁、锌、铜自制而成,对电极和 参比电极分别为铂电极和铝电极。在电解精炼中, 工作电极为原铝,对电极和参比电极分别为铂电极 和铝电极。试验前,所有电极经过砂纸打磨后用盐 酸/硫酸的混合酸溶液浸泡,随后用去离子水、无水 乙醇分别清洗并晾干。随后的精炼反应采用恒电位 电解法分两步进行,第一步在4 0 ℃和0 .1V 的电位 下对原铝进行电解3h ,以除去其中大部分的镁元 素;第二步在更新离子液体后,于4 0 ~1 0 0 ℃和 0 .2 “ - 0 .5V 下对样品继续进行电解1h 。最后,反 应获得的铝沉积物经过无水乙醇反复清洗后晾干。 3 铝样品的表征 铝样品中主要元素含量和形貌通过能谱仪、电 感耦合等离子体质谱、原子吸收光谱仪、铝离子浓度 测定仪、扫描电子显微镜等进行测定或表征。 2 结果与讨论 2 .1 电化学测试 根据文献调研和试验测试,原铝中含有的主要 杂质元素为铁、硅、镁、锌、铜等[ 2 ] 。以本研究采用的 A 1 9 9 .6 0 型原铝为例,铁、硅、镁、锌、铜的质量含量 分别约为o .1 7 %、0 .1 1 %、0 .0 3 %、0 .0 3 %、0 .0 2 %。 因此,为了实现原铝的电解精炼和杂质的分离,有必 要对上述元素在离子液体中的电化学行为进行系统 研究。 考虑到相关元素的性质特点,在相同条件下,使 用线性扫描伏安法对铝、铁、硅、镁、锌、铜分别组成 的不同工作电极进行了测试。为便于对比,所有测 试均采用铝电极为参比电极,即参照离子液体中 A I 1 1 1 /A l 的标准电极电势。如图1 所示,铝、铁、 镁、锌、铜在离子液体[ E m i m ] [ A l C l ,] 中的初始氧 化电位分别约为0 、0 .8 7 、一0 .5 0 、0 .2 1 、0 .7 2V ,而 硅则在测试范围内未发生显著的氧化反应。上述结 果表明,这些元素的初始氧化电位存在着明显的差 异,区分度较好。因此,可以采用离子液体作为电解 质溶液,通过电解法实现原铝样品中铁、硅、镁、锌、 铜等主要杂质元素的分离。 另一方面,从图1 可以看出,在测试的初始阶 段,上述元素的氧化电流一般随着电位的升高而增 大。除镁和硅外,当电位上升至一定程度时,其他元 万方数据 2 0 2 0 年第5 期 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 5 3 素的氧化电流出现了最大值,随后又不同程度地降 低。这说明在试验测试的范围内,当电位过高时,部 分元素容易产生钝化现象,不利于元素之间的氧化 分离[ 10 【。因此,为了达到对原铝充分电解精炼的目 的,获得较高纯度的铝产物,需要选择适中的电位以 促进铝与杂质元素间最大程度的分离。 p 皇 U ● 昌 ≤ 燃 韶 避 脚 图14 0 ℃下由各种元素组成的不同工作电极在 离子液体[ E m i m l [ 灿C l ,] 中的线性扫描伏安曲线图 F i g .1 L i n e a rs w e e pv o l t a m m o g r a m sr e c o r d e da t d i f f e r e n tw o r k i n ge l e c t r o d e sc o m p o s e do f v a r i o u se l e m e n t si n [ E m i m l [ A 1 2C 1 7 ] a t4 0 ℃ 2 .2 铝产物的表征 综合上述试验结果,为了达到将几种主要杂质 元素充分分离的目的,本研究采用两步电解法进行 原铝的精炼。首先,在0 .1V 的电位下对原铝进行 恒电位电解,以此通过氧化反应除去样品中最活泼 的镁元素。然后更新离子液体,并在0 .2 ~o .5V 下 继续对原铝进行恒电位电解,从而完成铝的精炼过 程,获得较高纯度的产物。因此,为了获得适宜的精 炼条件并提高产物纯度,重点考察了第二步电解电 位和温度对获得的产物中主要元素含量的影响。 如表1 所示,相同条件下,当电位在0 .2 ~o .5V 的范围内升高时,产物中铁、硅、镁、锌、铜等主要杂 质元素的含量总体呈现出不断增长的趋势。结合电 化学测试结果和反应特点,原则上电位的升高使铁、 硅、锌、铜等较为不活泼的元素更易于被氧化,从而 造成更多的杂质元素进入溶液并与铝共同还原析 出,使产物的纯度降低。特别是当电位达到0 .5V 时,铝的氧化反应经历了较显著的钝化过程,更加不 利于样品的电解精炼。 另一方面,在相同的电位下,产物杂质元素中锌 的含量最高,其次是铜、铁、镁和硅。该结果证明了 在第一步电解中已充分将原铝中的镁氧化分离,其 他元素在第二步电解中也得到了较高程度的分离, 这些元素含量的高低顺序与其氧化的先后顺序基本 一致。其中,在电位0 .2 ~o .4V 下精炼获得的产物 纯度可达到9 9 .9 5 %以上,电解精炼获得的铝产物 的能谱图如图2 所示。 表14 0 ℃下不同电位下电解精炼后获得的 产物中主要元素含量 T a b l e1M a i ne l e m e n tc o n t e n t so fa l u m i n u mo b t a i n e d b ye l e c t r o r e f i n i n ga t4 0 ℃a n dd i f f e r e n tp o t e n t i a l s /% 电位/V A 1F eS i M g Z nC u 0 .29 9 .9 9 5O .0 0 100O .0 0 20 .0 0 1 0 ,39 9 .9 9 10 .0 0 20O .0 0 1O .0 0 3O .0 0 2 O .49 9 .9 8 00 .0 0 3O .O O lO .0 0 2O .0 0 6O .0 0 5 0 .5 9 9 .9 4 60 .O 】0 0 .0 0 30 .0 0 50 .0 160 .0 】3 U 246Sl U l Z l 浊e V 图2 在4 0o C 、0 .2V 下电解精炼获得的 铝产物的能谱图 F i g .2E n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r u mo fa l u m i n u m o b t a i n e db ye l e c t r o r e f i n i n ga t4 0o ca n d0 .2V 如表2 所示,温度对铝的电解精炼反应有着较 大的影响。在相同的条件下,随着温度的升高,产物 中主要杂质元素的含量持续增长。根据研究,温度 的升高一般会降低元素的氧化电位,从而使离子液 体中的物质扩散和电荷传递增强[ 1 2 1 3 ] 。在此情况 下,杂质元素更易于被溶剂化并伴随着铝共同还原 沉积,因此降低了产物的纯度。同时,当温度大于 8 0 。C 时,受到较高温度下电化学副反应的不利影 响,也往往导致了较低的纯度和电流效率。结果表 明,可在4 0 ~8 0 ℃获得纯度高于9 9 .9 5 %的精铝。其 中,在0 .2V 和4 0 。C 下得到的产物纯度最高,可达到 9 9 .9 9 5 %。根据扫描电子显微镜的表征 图3 ,产物 中的铝晶体致密、均一,具有较好的表面形貌。 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .e n 2 0 2 0 年第5 期 表20 .2V 下不同温度电解精炼后获得产物的 主要元素含量 ‘ 1 h b I e2M a i ne l e m e n tc o n t e n t so fa l u m i n u mo b t a i n e d b ye l e c t r o r e f m i n ga t0 .2V a n dd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s /% 图3 在4 0o C 、0 .2V 电解精炼获得铝产物的 S E M 照片 F i g .3 S E Mm i c r o s t r u c t u r eo fa l u m i n u mo b t a i n e d b ye l e c t r o r e f i n i n ga t4 0 ℃a n d0 .2V 综上所述,采用离子液体E E m i m - ] [ A l 。C I ,] 为电 解质,通过两步电解法可达到原铝低温精炼的目的, 这主要归功于不同元素在氧化电位上的显著差异。 其中,电位和温度是影响精炼效果的重要因素,适宜 的反应条件是实现杂质元素高效分离的关键。在 0 .2 ~o .4V 和4 0 ~8 0 ℃电解精炼可获得纯度高于 9 9 .9 5 %的精铝。有关研究进一步加深了对离子液 体中原铝低温电解精炼反应的认识,有利于技术的 发展和工业化应用。 3结论 1 线性扫描伏安法的测试结果表明,铝与主要 杂质元素铁、硅、镁、锌、铜在离子液体[ E m i m ] [ A l 。C 1 ,] 中具有明显不同的初始氧化电位,能够通 过恒电位电解法对原铝进行精炼提纯。 2 在第一步完成原铝中镁元素电解分离的基础 上,选择适中的电解温度和电位能够获得纯度较高 的铝产物。过高的电位或温度容易增大杂质元素的 溶解和沉积,造成产物纯度的降低。 3 在0 .2 ~o .4V 和4 0 - - - 8 0 ℃电解精炼得到产 物的纯度高于9 9 .9 5 %,符合工业上精铝的标准。 其中,在0 .2V 和4 0 ℃下获得的产物纯度最高,达 到了9 9 .9 9 5 %,铝晶体形貌均一、致密。 参考文献 [ 1 - 1 L I N D S A YSJ .V e r yh i g hp u r i t ya l u m i n u m A n h i s t o r i c a lp e r s p e c t i v e [ J ] .J O M ,2 0 1 4 ,6 6 2 2 1 7 2 2 2 . 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W A N GMM ,X UCY ,H U AYX ,e ta 1 .E f f e c to f t o l u e n ea d d i t i o n o ne l e c t r o d e p o s i t i o nb e h a v i o ro f a l u m i n u mi nA I C l 3 - T E B A Ci o n i cl i q u i d [ J ] .N o n f e r r o u s M e t a l s E x t r a c t i v eM e t a l l u r g y ,2 0 1 6 8 6 4 6 9 . E 6 3 B A K K A RA ,N E U B E R TV .An e wm e t h o df o r p r a c t i c a le l e c t r o d e D o s i t i o no fa l u m i n i u mf r o mi o n i c l i q u i d s [ J ] .E l e c t r o c h e m i s t r yC o m m u n i c a t i o n s ,2 0 1 5 , 5 1 1 1 3 - 1 1 6 . [ 7 ] 郑勇,王倩,郑永军,等.离子液体电沉积制备纳米铝技术 的研究与应用[ J ] .有色金属 冶炼部分 ,2 0 1 7 1 2 2 1 2 5 . Z H E N GY ,W A N GQ ,Z H E N GYJ ,e ta 1 .R e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no fi o n i cl i q u i d si np r e p a r a t i o no fn a n o a l u m i n u n l [ J ] .N o n f e r r o u sM e t a l s E x t r a c t i v eM e t a l l u r g y , 2 0 1 7 1 2 2 1 2 5 . [ 8 3 钟熊伟,熊婷,陆俊,等.离子液体电解质体系铝及铝合 金电沉积与铝精炼研究进展[ J ] .有色金属科学与工 程,2 0 1 4 ,5 2 4 4 - 5 1 . Z H O N GXW ,X 1 0 N GT ,L UJ ,e ta 1 .A d v a n c e so f e l e c t r o - d e p o s i t i o na n da l u m i n u mr e f i n i n go fa l u m i n u m a n da l u m i n u ma l l o yi ni o n i cl i q u i de l e c t r o l y t e ss y s t e m [ J - ] . N o n f e r r o u sM e t a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,2 0 1 4 , 5 2 4 4 5 1 . 万方数据 2 0 2 0 年第5 期 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l .b g r i m m .c n 5 5 [ 9 ] Z E I NE LA B E D I NS .E l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro f a l u m i n u ma n ds o m eo fi t sa l l o y si nc h l o r o a l u m i n a t e i o n i cl i q u i d s E l e c t r o l y t i ce x t r a c t i o na n de l e c t r o r e f i n i n g [ J , 1 . J o u r n a lo fS o l i dS t a t eE l e c t r o c h e m i s t r y ,2 0 1 2 ,1 6 2 7 7 5 7 8 3 . E 1 0 , l 裴启飞,华一新,李艳,等.杂质Z n ,F e 和C u 对B M I C - A I C I 。离子液体电解精炼铝的影响l J , 1 .过程工程学报, 2 0 1 2 ,1 2 2 2 4 7 - 2 5 2 . P E IQF ,H U AYX ,L IY ,e ta 1 .I n f l u e n c e s o fZ n ,F e a n dC ui m p u r i t i e so ne l e c t r o r e f i n i n go fa l u m i n u mi n B M I C - A 1 C 1 3i o n i cl i q u i dE J , 1 .T h eC h i n e s eJ o u r n a lo f P r o c e s sE n g i n e e r i n g ,2 0 1 2 ,1 2 2 2 4 7 - 2 5 2 . [ 1 1 ] 王喜然,刘海洋.N a C I 对离子液体中电解精炼铝的影 响[ J - I .化学通报,2 0 1 1 ,7 4 8 7 3 7 7 4 1 . W A N GXR .L I UHY .‘I ’h ee f f e c to fN a C lo nt h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fi o n i cl i q u i da n dr e c y c l i n go f a l u m i n u mm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e [ J , 1 .C h e m s t r y ,2 0 11 , 7 4 8 7 3 7 - 7 4 1 . [ 1 2 , iZ H E N GY ,Z H E N GYJ ,W A N GQ ,e ta 1 . E l e c t r o d e p o s i t i o no fn a n o c r y s t a l l i n ea l u m i n i u mf r o m 1 - e t h y l - 3 - m e t h y l i m i d a z o l i u mc h l o r o a l u m i n a t ew i t hn i a c i m m i d e a sa ne f f i c i e n ta d d i t i v e [ J ] .I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f E l e c t r o c h e m i c a lS c i e n c e ,2 0 1 8 ,1 3 1 1 1 0 9 4 8 - 1 0 9 6 0 . [ 1 3 ] Y U EGK ,L UXM ,Z H UYL ,e ta 1 .S u r f a c e m o r p h o l o g y ,c r y s t a l s t r u c t u r ea n do r i e n t a t i o no f a l u m i n i u mc o a t i n g se l e c t r o d e p o s i t e do nm i l ds t e e li n i o n i cl i q u i d [ J ] .C h e m i c a lE n g i n e e r i n gJ o u r n a l 。2 0 0 9 , 1 4 7 i 7 9 - 8 6 . 万方数据