[发明专利]一种超重力离子液体电解铝方法

说明书

技术领域

本发明属于特殊条件下的金属电沉积领域，具体涉及到在超重力环境下利用离子液体电解铝的方法。

背景技术

铝以优良的物理及力学性质在社会经济发展和工业应用中起着非常重要的战略作用。传统的工业生产主要采用有许多缺点的Hall-Héroult法，如高能量消耗、设备腐蚀、环境污染严重等。由于铝的标准电位为-1.66V，几乎不可能从铝盐的水溶液中把铝沉积出来，而近年来所研究的室温离子液体(RTIL)可用于电解铝，由于诸多优点，如良好的导电性，较宽的电化学窗口，良好的热稳定性、溶解性，极低的蒸气压、且可循环利用，被广泛研究。所以，利用离子液体电解铝的研究日益受到关注。

在过去的几十年里随着中国经济的快速发展，各种行业的铝制品也处于使用周期的循环利用中，而且铝废品的循环利用效率一直较低，因此铝废品的回收利用就显得非常重要和必不可少。铝的回收对经济、能源、环境、资源节约等诸多方面有着深远的意义，相比于铝的直接生产，废铝精炼的低成本成为铝生产的竞争优势。因此，由于其较广阔的应用但较低的金属回收生产效率，铝废品在室温离子液体中的回收利用引起了广泛的关注。

利用离子液体精炼铝，不仅能使国际上工业化广泛采用的铝精炼法(三层液电解精炼法和偏析法)从高温(800-1000℃)降到室温，还能克服水溶液中无法电解活泼金属的难题。电解精炼过程中有诸多优点，如电解温度低(低于120℃)，利于降低能耗，可以克服水溶液电解无法获得活泼金属的难题，副反应少，能得到质量较好的金属，提高电解过程的电流效率，大大减少设备腐蚀，且精炼过程中没有气体排放，无环境污染。此外，电解过程中较少的副反应使得离子液体电解铝可获得较好的铝层。

从目前所研究的可用于电解铝的离子液体中，人们在实验室中能分别得到均匀、致密、光亮的沉积层。虽然离子液体可能提高平衡转化率和选择性以及平衡分离常数，但通常具有高粘度，使得反应或分相时间长。常规重力下铝的沉积速度为0.1～0.3μm/min，生产过程中需要花费很长的时间才能获得较少的铝沉积层，导致实际生产效率低等问题。利用离子液体电解所得的沉积层薄，沉积过程中容易形成枝晶，粉状颗粒，易脱落，故难以实现金属铝在基体上的良好电镀。

为此，需研究开发适应离子液体特性的新型反应器及强化技术。超重力工程技术，是一种能够极大强化传递和分子混合过程的突破性过程强化新技术，作为一个全新的技术正日益受到各个领域科学工作者的重视。超重力技术是利用旋转产生的离心力模拟超重力环境，来强化微观混合与传递过程，可以大幅度地提高微观混合及传递过程的效率。

发明内容

本发明的目的是在离子液体电解铝的基础上，利用超重力强化技术，在保证电流效率的情况下，改善电解所得铝层的质量，细化晶粒，提高沉积速率，缩短铝的制备周期，进而利于实际生产效率的提高，且整个过程中无有害气体排放。

为实现上述目的，本发明采用下述方法：以铝片或铝基复合材料为阳极，以不锈钢片或铝片为阴极，以氯铝酸盐离子液体为电解质，以氮气或氩气为保护气体，在电解铝的同时使电解槽进行离心旋转产生超重力场，从而在超重力场中实现电解铝的过程，获得铝沉积层。

本发明所使用的氯铝酸盐离子液体为AlCl₃-BMIC(1-丁基-3-甲基咪唑氯酸盐)、AlCl₃-EMIC(1-乙基-3-甲基咪唑氯酸盐)、AlCl₃-BPC(氯代正丁基吡啶)、AlCl₃-TMPAC(氯化3-甲基苯胺)或AlCl₃-Et₃NHCl(三乙胺盐酸盐)离子液体。它们的配比比例为：AlCl₃与BMIC的摩尔配比1.5～2.5∶1，AlCl₃与EMIC的摩尔配比1.5～2.5∶1，AlCl₃与BPC的摩尔配比1.5～2∶1，AlCl₃与TMPAC的摩尔配比1.5～2∶1，AlCl₃与Et₃NHCl的摩尔比1.5～2∶1。