Способ получения алюминия

 

Изобретение относится к электрометаллургии алюминия. Цель изобретения - снижение материальных и энергетических затрат, а также улучшение экологической чистоты процесса. Сущность: электролиз водных растворов солей алюминия с алюминиевым катодом. На катоде одновременно выделяют алюминий и водород в режиме диффузионной или смешанной кинетики.

Изобретение относится к металлургии легких металлов, применительно к задачам получения алюминия.

В известных способах получения алюминия глиноземсодержащее сырье после дробления, размола и обогащения подвергают обработке раствором гидрата окиси натрия или спекают с известняком и содой, подвергая полученный спек выщелачиванию водой, содовым растворами и т.п. с получением щелочного водного раствора алюмината натрия, прокалки, дробления, кислотной обработки, обезжелезивания и фильтрации получают водный раствор соли алюминия, например хлористого алюминия, при использовании солянокислого выщелачивания.

Полученный водный раствор соли алюминия направляют на дальнейшую переработку и производят осветление, декомпозицию, фильтрацию и кальцинацию, после которой оксид алюминия направляют на электролиз по способу Эру-Холла. Далее производят химическую очистку, обезвоживание и полученный в конечном счете безводный хлористый алюминий подвергают электролизу в смеси расплавленных хлоридов.

Производство глинозема или хлористого алюминия и в конечном итоге алюминия состоит из большого числа энерго- и материалоемких переделов. Капитальные затраты оказываются высокими в связи с необходимостью строительства цехов и участков декомпенсации, фильтрации, кальцинации или выпарки, обезвоживания и т. д. В результате затраты на глинозем в себестоимости алюминия, получаемого методом Эру-Холла, составляют около 45% К недостаткам вышеперечисленных способов, в том числе и прототипа, относится выделение больших количеств пыли, щелочных или кислых паров в сырьевых переделах, а также фтористого водорода, фторидов натрия и алюминия, канцерогенных полиароматических углеводородов при коксовании пеков в процессах формирования анодов для электролиза в методе Эру-Холла.

При электролизе хлористого алюминия в расплавленных солевых системах выделяются хлористый водород и хлориды металлов. Таким образом, все рассматриваемые и известные способы получения алюминия не являются экологически чистыми, в то время, как требование экологической чистоты является важнейшим для вновь создаваемых современных технологий.

Сущность изобретения заключается в использовании для производства алюминия непосредственно полученных водных растворов солей алюминия, например щелочного раствора алюмината натрия или кислого раствора хлористого алюминия, подвергаемых электролизу с алюминиевым катодом. В результате в режиме диффузионной или смешанной кинетики выделяют на катоде одновременно два товарных продукта алюминий и водород. Отличие от прототипа состоит в электролизе водного раствора соли алюминия с алюминиевым катодом в режиме диффузионной или смешанной кинетики. Кинетика процесса обеспечивает диффузионные затруднения доставки ионов водорода к поверхности катода при увеличении плотности тока, что и способствует совместному разряду на катоде более электроотрицательного иона алюминия при предельном диффузионном токе для ионов водорода. Таким образом исключается большинство энергоемких и экологически вредных переделов.

Одновременно с задачей получения алюминия решается другая важнейшая задача попутного получения водорода для нужд так называемой водородной энергетики. Производство сразу двух товарных продуктов снижает затраты на получение каждого из них. Вместо архаичных и экологически грязных методов получения алюминия с использованием на конечных стадиях электролиза расплавленных солей вводится электролиз водных растворов промежуточных продуктов, менее энергоемкий и более экологически чистый. В предложенном методе нет физически непреодолимых препятствий к созданию герметичных электролизеров, работающих без выделений вредностей в окружающую среду. Попутный водород собирают для использования в качестве топлива или сырья для химического синтеза.

Электролиз водных растворов для производства алюминия в настоящее время неизвестен и не используется, так как принято считать, что единственным катодным продуктом в рассматриваемых системах является водород, поскольку стандартный равновесный потенциал водородного электрода превышает таковой для алюминиевого электрода на 1,66 В. При таком соотношении потенциалов казалось бы невозможно выделить алюминий из водных растворов, но в условиях нестандартных, а тем более неравновесных взаимное распределение потенциалов значительно меняется. Перенапряжение водорода возрастает при диффузионном режиме и кинетика электродного процесса обеспечивает возможность одновременного выделения алюминия и водорода в режиме предельного тока.

Лабораторные исследования предложенного способа проведены для раствора алюмината натрия, полученного в результате переработки бокситов после переделов обогащения, дробления, размола и выщелачивания раствором гидрата окиси натрия. Раствор после отделения гидроксидов железа и осветления направляют на электролиз в U-образных стеклянных электролизерах с алюминиевым катодом. Алюминатный раствор с каустическим модулем 7 и 30 мас. Na₂O имел рН 11,7. Выход по току водорода и алюминия при электролизе в режиме диффузионной кинетики при катодной плотности тока 1,3 А/см² составил 45 и 55% соответственно.

После обработки каолинита соляной кислотой с последующим обезжелезиванием и фильтрацией водный раствор хлористого алюминия (28 мас.) при рН 0,97 подвергают электролизу в U-образном стеклянном электролизере с алюминиевым катодом при плотности тока на нем 0,31 А/см² и температуре 298 К. Выход по току водорода и алюминия при электролизе в режиме диффузионной кинетики 58 и 42% соответственно.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ, включающий обработку алюминийсодержащих пород растворителем и электролиз, отличающийся тем, что, с целью снижения материальных и энергетических затрат и улучшения экологической чистоты процесса, электролизу подвергают водные растворы соединений алюминия, электролиз осуществляют с использованием алюминиевого катода и выделяют на нем одновременно алюминий и водород, при этом электролиз ведут в режимах диффузионной или смешанной кинетики.