一種超重力離子液體電解鋁方法
2023-05-21 08:01:26
專利名稱：一種超重力離子液體電解鋁方法
技術領域：
本發明屬於特殊條件下的金屬電沉積領域，具體涉及到在超重力環境下利用離子液體電解鋁的方法。
背景技術：
鋁以優良的物理及力學性質在社會經濟發展和工業應用中起著非常重要的戰略作用。傳統的工業生產主要採用有許多缺點的Hall-Héroult法，如高能量消耗、設備腐蝕、環境汙染嚴重等。由於鋁的標準電位為-1.66V，幾乎不可能從鋁鹽的水溶液中把鋁沉積出來，而近年來所研究的室溫離子液體(RTIL)可用於電解鋁，由於諸多優點，如良好的導電性，較寬的電化學窗口，良好的熱穩定性、溶解性，極低的蒸氣壓、且可循環利用，被廣泛研究。所以，利用離子液體電解鋁的研究日益受到關注。
在過去的幾十年裡隨著中國經濟的快速發展，各種行業的鋁製品也處於使用周期的循環利用中，而且鋁廢品的循環利用效率一直較低，因此鋁廢品的回收利用就顯得非常重要和必不可少。鋁的回收對經濟、能源、環境、資源節約等諸多方面有著深遠的意義，相比於鋁的直接生產，廢鋁精煉的低成本成為鋁生產的競爭優勢。因此，由於其較廣闊的應用但較低的金屬回收生產效率，鋁廢品在室溫離子液體中的回收利用引起了廣泛的關注。
利用離子液體精煉鋁，不僅能使國際上工業化廣泛採用的鋁精煉法(三層液電解精煉法和偏析法)從高溫(800-1000℃)降到室溫，還能克服水溶液中無法電解活潑金屬的難題。電解精煉過程中有諸多優點，如電解溫度低(低於120℃)，利於降低能耗，可以克服水溶液電解無法獲得活潑金屬的難題，副反應少，能得到質量較好的金屬，提高電解過程的電流效率，大大減少設備腐蝕，且精煉過程中沒有氣體排放，無環境汙染。此外，電解過程中較少的副反應使得離子液體電解鋁可獲得較好的鋁層。
從目前所研究的可用於電解鋁的離子液體中，人們在實驗室中能分別得到均勻、緻密、光亮的沉積層。雖然離子液體可能提高平衡轉化率和選擇性以及平衡分離常數，但通常具有高粘度，使得反應或分相時間長。常規重力下鋁的沉積速度為0.1～0.3μm/min，生產過程中需要花費很長的時間才能獲得較少的鋁沉積層，導致實際生產效率低等問題。利用離子液體電解所得的沉積層薄，沉積過程中容易形成枝晶，粉狀顆粒，易脫落，故難以實現金屬鋁在基體上的良好電鍍。
為此，需研究開發適應離子液體特性的新型反應器及強化技術。超重力工程技術，是一種能夠極大強化傳遞和分子混合過程的突破性過程強化新技術，作為一個全新的技術正日益受到各個領域科學工作者的重視。超重力技術是利用旋轉產生的離心力模擬超重力環境，來強化微觀混合與傳遞過程，可以大幅度地提高微觀混合及傳遞過程的效率。
發明內容
本發明的目的是在離子液體電解鋁的基礎上，利用超重力強化技術，在保證電流效率的情況下，改善電解所得鋁層的質量，細化晶粒，提高沉積速率，縮短鋁的製備周期，進而利於實際生產效率的提高，且整個過程中無有害氣體排放。
為實現上述目的，本發明採用下述方法以鋁片或鋁基複合材料為陽極，以不鏽鋼片或鋁片為陰極，以氯鋁酸鹽離子液體為電解質，以氮氣或氬氣為保護氣體，在電解鋁的同時使電解槽進行離心旋轉產生超重力場，從而在超重力場中實現電解鋁的過程，獲得鋁沉積層。
本發明所使用的氯鋁酸鹽離子液體為AlCl3-BMIC(1-丁基-3-甲基咪唑氯酸鹽)、AlCl3-EMIC(1-乙基-3-甲基咪唑氯酸鹽)、AlCl3-BPC(氯代正丁基吡啶)、AlCl3-TMPAC(氯化3-甲基苯胺)或AlCl3-Et3NHCl(三乙胺鹽酸鹽)離子液體。它們的配比比例為AlCl3與BMIC的摩爾配比1.5～2.5∶1，AlCl3與EMIC的摩爾配比1.5～2.5∶1，AlCl3與BPC的摩爾配比1.5～2∶1，AlCl3與TMPAC的摩爾配比1.5～2∶1，AlCl3與Et3NHCl的摩爾比1.5～2∶1。
在電解過程中，電解槽的轉速為600～1100rpm，利用離心旋轉營造超重力環境。陰、陽兩極分別固定在電解槽蓋上，兩電極平行放置，間距為15～20mm。在陰、陽兩極間通以直流電進行電解，電流密度100～700A/m2，槽電壓2～2.5V，陽極材料溶解於電解液中，而電解液中的鋁離子在陰極表面以粉末狀析出。電解溫度控制在80～120℃。作為保護氣體使用的氮氣或氬氣的純度大於99.99％。
將電解後所得的鋁層置於無水乙醇或丙酮中浸泡清洗，以除去附著的離子液體。
本發明的優點在於超重力可強化對流和擴散過程，促進離子傳質，提高沉積速率，縮短鋁的製備周期。轉速在1000r/min以上時，沉積速率可以達到0.5μm/min以上，是常規重力的2倍之多。超重力場下所得的鋁晶粒更細，所得沉積層更緻密，而且所伴隨的機械效應能明顯改善鋁沉積層的附著能力，避免枝晶鋁的產生，且可以解決目前沉積層容易脫落的問題。精煉過程中，陽極沒有氣體產生，無環境汙染。
以下結合
和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖1為用於超重力離子液體電解鋁的裝置構造圖； 圖2為電解槽內部結構圖； 圖3為常規重力鋁沉積層的表面分布效果圖； 圖4為超重力場下鋁沉積層的表面分布效果圖。
圖中，1-直流穩壓電源，2-工作電極，3-對電極，4-電解槽，5-平衡物，6-電機，7-導電滑環，8-熱電阻，9-加熱管，10-水浴。
具體實施例方式 本發明結合圖1所示裝置予以說明。
超重力場是通過轉子即電解槽4與平衡物5離心旋轉產生的，轉速是通過電機6所連接的變頻器控制的，通過設定不同的轉速營造不同的超重力場強度。電解過程所需的直流電由直流穩壓電源1提供，並通過導電滑環7輸送到工作電極2與對電極3上。電解溫度由熱電阻8與加熱管9所連接的PID溫控儀控制。對電極3為可溶性鋁片，電解過程中不斷溶於電解液中，所得的沉積鋁層在超重力的作用下附著在工作電極2上，電解結束後進行收集。
以下將結合實例予以闡述。
實施例1 在氮氣保護下，配製AlCl3-BMIC(1-丁基-3-甲基咪唑氯酸鹽)離子液體，AlCl3與BMIC的摩爾比為1.5～2.5∶1。以該離子液體為電解液，不鏽鋼片為陰極，可溶性鋁基複合材料為陽極，兩電極平行於離心力方向放置，固定極間距，設置一定的轉速，進行直流電解。電解過程中設置一定的溫度、電流密度及槽電壓。電解結束後，將陰極片置於無水乙醇中浸泡，晾乾後將鋁層剝落、稱重，並計算所得鋁的沉積速率與電流效率。
配製摩爾比分別為1.5∶1、2∶1與2.5∶1的AlCl3-BMIC離子液體，實驗條件與結論如下表所示
實施例2 在氮氣保護下，配製AlCl3-EMIC(1-乙基-3-甲基咪唑氯酸鹽)離子液體，AlCl3與EMIC的摩爾比為1.5～2.5∶1。以該離子液體為電解液，不鏽鋼片為陰極，可溶性鋁基複合材料為陽極，兩電極平行於離心力方向放置，固定極間距，設置一定的轉速，進行直流電解。電解過程中設置一定的溫度、電流密度及槽電壓。電解結束後，將陰極片置於無水乙醇中浸泡，晾乾後將鋁層剝落、稱重，並計算所得鋁的沉積速率與電流效率。
配製摩爾比分別為1.5∶1、2∶1與2.5∶1的AlCl3-EMIC離子液體，實驗條件與結論如下表所示
實施例3 在氬氣保護下，配製AlCl3-BPC(氯代正丁基吡啶氯酸鹽)離子液體，AlCl3與BPC的摩爾比為1.5～2∶1。以該離子液體為電解液，不鏽鋼片為陰極，可溶性鋁基複合材料為陽極，兩電極平行於離心力方向放置，固定極間距，設置一定的轉速，進行直流電解。電解過程中設置一定的溫度、電流密度及槽電壓。電解結束後，將陰極片置於無水乙醇中浸泡，晾乾後將鋁層剝落、稱重。計算所得鋁的沉積速率與電流效率為。
配製摩爾比分別為1.5∶1、1.75∶1與2∶1的AlCl3-BPC離子液體，實驗條件與結論如下表所示
實施例4 在氬氣保護下，配製AlCl3-TMPAC(氯化3-甲基苯胺)離子液體，AlCl3與TMPAC的摩爾比為1.5～2∶1。以該離子液體為電解液，不鏽鋼片為陰極，可溶性鋁基複合材料為陽極，兩電極平行於離心力方向放置，固定極間距，設置一定的轉速，進行直流電解。電解過程中設置一定的溫度、電流密度及槽電壓。電解結束後，將陰極片置於無水乙醇中浸泡，晾乾後將鋁層剝落、稱重。計算所得鋁的沉積速率與電流效率為。
配製摩爾比分別為1.5∶1、1.75∶1與2∶1的AlCl3-TMPAC離子液體，實驗條件與結論如下表所示
實施例5 在氮氣保護下，配製AlCl3-Et3NHCl(三乙胺鹽酸鹽)離子液體，AlCl3與Et3NHCl的摩爾比為1.5～2∶1。以該離子液體為電解液，不鏽鋼片為陰極，可溶性鋁基複合材料為陽極，兩電極平行於離心力方向放置，固定極間距，設置一定的轉速，進行直流電解。電解過程中設置一定的溫度、電流密度及槽電壓。電解結束後，將陰極片置於無水乙醇中浸泡，晾乾後將鋁層剝落、稱重。計算所得鋁的沉積速率與電流效率為。
配製摩爾比分別為1.5∶1、1.75∶1與2∶1的AlCl3-Et3NHCl離子液體，實驗條件與結論如下表所示
權利要求
1.一種超重力離子液體電解鋁方法，其特徵在於以鋁片或鋁基複合材料為陽極，以不鏽鋼片或鋁片為陰極，以氯鋁酸鹽離子液體為電解質，以氮氣或氬氣為保護氣體，在電解鋁的同時使電解槽進行離心旋轉產生超重力場，從而在超重力場中實現電解鋁的過程，獲得鋁沉積層。
2.根據權利要求1所述的一種超重力離子液體電解鋁方法，其特徵在於所述的氯鋁酸鹽離子液體為AlCl3-BMIC、AlCl3-EMIC、AlCl3-BPC、AlCl3-TMPAC或AlCl3-Et3NHCl離子液體。
3.根據權利要求2所述的一種超重力離子液體電解鋁方法，其特徵在於所述的氯鋁酸鹽離子液體的配比為AlCl3與BMIC的摩爾配比1.5～2.5∶1，AlCl3與EMIC的摩爾配比1.5～2.5∶1，AlCl3與BPC的摩爾配比1.5～2∶1，AlCl3與TMPAC的摩爾配比1.5～2∶1，AlCl3與Et3NHCl的摩爾比1.5～2∶1。
4.根據權利要求1或3所述的一種超重力離子液體電解鋁方法，其特徵在於電解槽的轉速為600～1100rpm，電解溫度80～120℃，電流密度100～700A/m2，槽電壓2～2.5V，兩極間距15～20mm。
5.根據權利要求4所述的一種超重力離子液體電解鋁方法，其特徵在於所述的氮氣或氬氣的純度大於99.99％。
全文摘要
本發明公開了一種超重力離子液體電解鋁方法，屬於特殊條件下的金屬電沉積領域。本發明所採用的方法為以鋁片或鋁基複合材料為陽極，以不鏽鋼片或鋁片為陰極，以氯鋁酸鹽離子液體為電解質，以氮氣或氬氣為保護氣體，在電解鋁的同時使電解槽進行離心旋轉產生超重力場，從而在超重力場中實現電解鋁的過程，獲得鋁沉積層。本發明的優點在於超重力可強化對流和擴散過程，促進離子傳質，提高沉積速率，縮短鋁的製備周期。超重力場下所得的鋁晶粒更細，所得沉積層更緻密，而且所伴隨的機械效應能明顯改善鋁沉積層的附著能力，避免枝晶鋁的產生，且可以解決目前沉積層容易脫落的問題。精煉過程中，陽極沒有氣體產生，無環境汙染。
文檔編號C25C1/22GK101760758SQ20101010868
公開日2010年6月30日 申請日期2010年2月5日 優先權日2010年2月5日
發明者陳建峰, 唐廣濤, 張鵬遠, 徐聯賓, 初廣文, 鄒海魁, 毋偉 申請人:北京化工大學