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AlCl₃-BMIC离子液体电解精炼铝中杂质行为研究

作　者: 裴启飞
导　师: 华一新
学　校: 昆明理工大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: AlCl3-BMIC离子液体铝电解精炼杂质行为
分类号: TF821
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着铝需求量的不断攀升和铝矿产资源的日益枯竭,铝的再生问题越来越受到人们的重视,尤其是再生铝的提纯问题已成为发展再生铝工业的研究热点。再生铝原料绝大部分是铝合金,通过目前的熔炼方法很难完全除去其中的金属杂质,主要通过再生处理生产铸造铝合金,大大限制了再生铝的应用范围。而采用离子液体电解精炼再生铝提纯得到金属铝可以扩大再生铝的应用范围。本文以x(AlC13)=0.667的AlCl3-BMIC室温离子液体作为电解质应用于再生铝的电解精炼,系统研究了再生铝中主要杂质金属及水在离子液体电解精炼铝过程中的行为。铝电极在AlCl3-BMIC离子液体中的阳极极化研究表明,铝电极电化学溶解会产生阳极钝化,阐明了AlCl4-浓度降低和Al2Cl7-浓度升高导致固体AlCl3在电极表面析出阻碍铝溶解的钝化机理,增加搅拌、升高温度、降低x(AlCl3)均有利于增加阳极极限氧化电流密度。恒电位库伦分析结果表明,再生铝中杂质金属Mn、Zn、Fe、Ni、Pb、Cu在AlCl3-BMIC离子液体中阳极氧化时,Mn、Zn、Fe、Ni、Pb以二价离子的形式,而Cu以一价离子进入离子液体。进一步测定了Zn(Ⅱ)/Zn、Pb(Ⅱ)/Pb、Fe(Ⅱ)/Fe、Cu(Ⅰ)/Cu、Ni(Ⅱ)/Ni相对与Al(Ⅲ)/Al参比的平衡电极电势,分别为0.02、0.21、0.32、0.63、0.64和0.86V；且发现它们的电化学活性顺序也与水溶液的Mn>Zn>Fe>Ni>Pb>Cu不同,为：Mn>Zn>Pb>Fe>Cu>Ni。测定了不同温度下Mn、Cu、Zn、Fe、Pb、Ni在AlCl3-BMIC离子液体中的腐蚀速率。在323-363K温度范围内,金属的腐蚀速率由大到小的顺序为Mn>Cu>Zn>Fe>Pb>Ni;而超过363K时,Ni的腐蚀速率超过了Pb。Mn、Cu、Zn、Fe、Pb、Ni在离子液体中的腐蚀活化能分别为52.23、66.42、53.02、50.42、41.11、60.55kJ/mol。电化学分析表明,进入离子液体中Cu(Ⅰ)、Zn(Ⅱ)和Ni(Ⅱ)对阴极Al(Ⅲ)的电还原具有去极化作用；Fe(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)表现为极化作用；Mn(Ⅱ)浓度低于50mg/L时,表现为去极化作用,浓度为100mg/L时,呈现极化作用；Li(Ⅰ)、Na(Ⅰ)、K(Ⅰ)、Ca(Ⅱ)、Mg(Ⅱ)对Al(Ⅲ)的电还原影响不显著。采用恒电流电解精炼Al-Cu、Al-Zn、Al-Fe、Al-Mn、Al-Ni和Al-Pb合金,阴极铝纯度超过99.9%;离子液体中Li(Ⅰ)、Na(Ⅰ)、K(Ⅰ)、Ca(Ⅱ)、Mg(Ⅱ)浓度即使达到2000mg/L,电沉积铝时也不会在阴极析出；另外,电解精炼再生铝合金(铝含量为75.33wt%),在铜基体上得到了纯度超过99.8%的金属铝,电流效率超过93.8%,直流电单耗在1.59-1.82kW·h/kg-Al之间,再生铝中各主要金属杂质均可通过电解精炼除去。因此,离子液体电解精炼铝是可行的。随着含水量的增加,AlCl3-BMIC离子液体的黏度增加、电导率降低。恒电流电沉积实验表明,离子液体中含水量不超过1.39mol/L时,水的存在可以细化沉积层铝颗粒,改善铝的沉积层质量,使沉积层变的致密均匀,当含水量较高达至1.67mol/L时,沉积层变得疏松、易脱落。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-32
  1.1 引言  10-11
  1.2 铝的循环与再生  11-19
    1.2.1 再生铝生产的历史与现状  11-12
    1.2.2 再生铝原料的来源及利用途径  12-13
    1.2.3 再生铝生产中的铝合金精炼  13-15
    1.2.4 铝的精炼工艺  15-19
  1.3 离子液体电解精炼铝  19-29
    1.3.1 离子液体的定义  19
    1.3.2 离子液体的性质  19-20
    1.3.3 离子液体在金属电沉积中的应用  20-22
    1.3.4 离子液体电沉积铝的应用  22-29
  1.4 课题的提出、研究内容和创新  29-32
    1.4.1 课题的提出  29-30
    1.4.2 主要研究内容  30
    1.4.3 创新点  30-32
第二章实验材料与研究方法  32-38
  2.1 实验试剂  32-33
  2.2 实验仪器与设备  33
  2.3 离子液体的制备  33-34
  2.4 电化学测试  34-35
  2.5 电解精炼实验  35-38
    2.5.1 实验装置  35-36
    2.5.2 实验方法  36-37
    2.5.3 基本工艺参数  37
    2.5.4 电解精炼效果分析  37-38
第三章杂质的阳极行为研究  38-58
  3.1 AlCl_3-BMIC离子液体电解精炼铝原理  38-39
  3.2 铝阳极电化学溶解过程研究  39-45
    3.2.1 铝阳极电化学溶解行为  39-42
    3.2.2 搅拌对铝阳极极化的影响  42-43
    3.2.3 温度对铝阳极极化的影响  43-44
    3.2.4 离子液体成分对铝阳极极化的影响  44-45
  3.3 铝合金中杂质Mn、Zn、Pb、Fe、Cu、Ni阳极电化学溶解过程分析  45-53
    3.3.1 平衡电极电势测定  45-47
    3.3.2 离子液体中金属离子的氧化数测定  47-50
    3.3.3 铝合金中杂质金属的阳极极化行为  50-51
    3.3.4 化学腐蚀对杂质金属溶解的影响  51-53
  3.4 铝合金的阳极极化行为  53-57
  3.5 本章小结  57-58
第四章杂质的阴极行为研究  58-84
  4.1 部分电位比铝正的杂质金属离子对铝阴极电化学还原的影响  58-66
    4.1.1 循环伏安曲线  58-62
    4.1.2 线性扫描伏安曲线  62-66
  4.2 部分电位比铝负的杂质金属离子对铝阴极电化学还原的影响  66-73
    4.2.1 电导率测定  66-68
    4.2.2 电化学测试  68-73
  4.3 水对铝电还原的影响  73-82
    4.3.1 水对离子液体黏度的影响  73-74
    4.3.2 水对离子液体电导率的影响  74-76
    4.3.3 水对离子液体电化学性质的影响  76-78
    4.3.4 水对铝在铜电极上电结晶的影响  78-82
  4.4 本章小结  82-84
第五章杂质对AlCl_3-BMIC离子液体电解精炼铝的影响  84-119
  5.1 杂质对离子液体电解精炼铝槽电压的影响  84-88
  5.2 杂质对离子液体电解精炼铝电流效率及直流电单耗的影响  88-92
  5.3 阴极铝的成分分析  92-96
  5.4 杂质对铝沉积层形貌的影响  96-110
    5.4.1 阳极杂质对铝沉积层形貌的影响  96-98
    5.4.2 部分电位比铝正的金属离子对铝沉积层形貌的影响  98-103
    5.4.3 部分电位比铝负的金属离子对铝沉积层形貌的影响  103-109
    5.4.4 水对阴极铝沉积层形貌的影响  109-110
  5.5 离子液体电解精炼工业铝合金的研究  110-114
    5.5.1 阴极铝的成分分析  110-113
    5.5.2 阴极铝的形貌分析  113-114
  5.6 长周期电解实验  114-117
    5.6.1 沉积时间对沉积层形貌影响  114-115
    5.6.2 离子液体使用时间对沉积层形貌影响  115-116
    5.6.3 离子液体使用时间对循环伏安曲线影响  116-117
  5.7 本章小结  117-119
第六章结论与展望  119-121
  6.1 结论  119-120
  6.2 展望  120-121
致谢  121-122
参考文献  122-138
附录  138-141

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