[发明专利]一种采用离子液体低温电解氧化铝生产铝的方法

说明书

技术领域：

本发明属于金属冶炼领域，具体的说涉及到一种采用离子液体低温电解氧化铝生产铝的方法。

背景技术：

铝工业是世界上最大的电化学工业，铝的产量仅次于钢。由于铝具有质轻，良好的导热性和导电性，可加工性及构成合金等优良性能，大量的铝应用在建筑和结构材料、运输装置、饮料罐、包装材料、电力运输线、日用品、机械设备等方面。

现代铝工业生产铝主要采用Hall-Héroult法，即冰晶石-氧化铝融盐电解法。该法以氧化铝为原料，熔融冰晶石为电解质，直流电通入电解槽，在阴极和阳极发生电化学反应，阴极的电解产物是液体铝，阳极上是CO₂(约75％～85％)和CO(20％～25％)。该法每生产1吨铝，耗电14000kW.h，炭阳极550～600kg，氟盐30～50kg，氧化铝2吨，电力成本约占20％。然而Hall-Héroult法存在很多缺点：能量利用率低，不到50％；电解温度高，一般都在950℃～970℃，对设备和材质要求苛刻；环境污染严重，产生了大量的CO₂，CO及含氟有害气体。并且随着能源紧张、电力成本持续上升及全球氧化铝的价格持续走高，使得电解铝行业向边缘利润行业迈进，降低电解铝的成本是电解铝工业当务之急。

在低温电解质溶液中电解铝可以有效的降低槽电压。每槽降低电压0.1V，1吨铝将节电330kW.h；同时降低了杂质在铝中的溶解度，也大大减缓了对电极材料和槽衬的腐蚀。当前的低温铝电解技术仍然是基于Hall-Héroult法，以氧化铝作炼铝的原料，配合以惰性阴极、惰性阳极和绝缘侧壁，但电解温度仍然在800℃以上。

中国专利(CN1664170A)公布了一种低温生产铝及铝合金的办法，采用了AlCl₃型离子液体作为低温电解质。他们以氧化铝或含铝硅酸盐矿物包括铝土矿、煤矸石、高岭土或高岭石、蓝晶石、红柱石和硅线石为原料氯化得到无水氯化铝再进一步处理得到AlCl₃型离子液体。虽然有效地降低了电解温度，但是由于AlCl₃型离子液体合成条件苛刻，性质极不稳定，对空气中水分敏感，极易水解形成HCl烟雾，需要在真空或惰性气氛下制备和使用，同时对设备会造成严重腐蚀并且污染环境。此外，微量质子和氧化物杂质的存在都会对离子液体的性质造成较大影响，大大降低了电流效率及电解铝的纯度。纵观整个流程属于间接电解氧化铝，流程长，副反应多，涉及工序多，氯化过程危险较大，环境污染严重，不适合工业大规模生产。

发明内容：

本发明的目的在于克服当前电解铝工业电解温度高，能耗大，成本高，环境污染中的缺陷，提供一种采用离子液体直接低温电解氧化铝生产铝的方法，具有工艺流程简单、电解温度低、无氟化物排放、生产成本低的特点，能够用于工业电解铝的方法。

本发明通过如下技术步骤实现：

(1)离子液体的合成：

本发明主要采用[emim]HSO₄和[bmim]HSO₄型([Rmim]HSO₄)离子液体作为低温电解质，其合成反应式如下：

[mim]+RX＝[Rmim]X(R＝C₂H₅，C₄H₇，X＝Br，Cl.....)

[Rmim]X+NaHSO₄＝[Rmim]HSO₄+NaX

[emim]X+NaHSO₄＝[emim]HSO₄+NaX

[bmim]X+NaHSO₄＝[bmim]HSO₄+NaX；

其中mim为N-甲基咪唑，[emim]⁺为N-乙基-N’-甲基-咪唑阳离子，[bmim]⁺为N-丁基-N’-甲基-咪唑阳离子，[Rmim]⁺为N-烷基-N’-甲基-咪唑阳离子。

采用N-甲基咪唑与卤代烷烃按照摩尔比1∶1混和反应，50℃反应搅拌24h得到的离子液体前驱物[Rmim]X。然后向其中加入计量比的硫酸氢钠固体及一定量的丙酮，搅拌24h。得到的离子液体采用沙芯漏斗过滤，滤液采用CH₂Cl₂萃取。再经减压蒸馏和真空干燥脱除滤液中的CH₂Cl₂及丙酮，最终得到产品离子液体。

(2)氧化铝电解：