离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法

513 编辑：管理员来源：广州市香港科大霍英东研究院

2024-03-12 16:28:33

权利要求书： 1.一种离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.在水氧含量＜1ppm的低氧低水条件下，将无水氯化铝混合于咪唑氯盐型离子液体中，制得氯铝酸型离子液体电解质；

b.在氮气、氩气或氦气保护下，将电解电极插入液封后的所述氯铝酸型离子液体电解质中，进行五级电解精炼：以纯度95%的铝片作为所述电解电极的阴极，以铂片或铝合金材料作为一级电解的阳极，将n级电解后的阴极作为n+1级电解的阳极，其中，n=1、2、3、4，每级施加恒定电流电解；所述恒定电流为电流密度95?100mA的直流电流；所述五级电解精炼中各级电解的温度为：一级电解75?78℃、二级电解65?68℃、三级电解55?58℃、四级电解45?

48℃、五级电解35?38℃；经五级电解后的阴极产物即为纯度高于99.8%的高纯铝。

2.根据权利要求1所述的离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，其特征在于，所述咪唑氯盐型离子液体为[Bmim]Cl，所述氯铝酸型离子液体电解质为[Bmim][Al2Cl7]。

3.根据权利要求1所述的离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，其特征在于，所述铝合金材料为Cu含量3?5%的2024铝合金、Mg含量2?3%的5052铝合金、Zn含量4?

5%的7005铝合金或Cu含量1?2%、Mg含量2?3%和Zn含量5?6%的7075铝合金。

4.根据权利要求1所述的离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，其特征在于，步骤a中，所述氯化铝与咪唑氯盐离子液体的摩尔比为2:1，反应温度为30?60℃。

5.根据权利要求1所述的离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，其特征在于，步骤b中，所述液封所用液体为疏水型的二甲基硅烷。

说明书：一种离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法技术领域[0001] 本发明属于电解铝技术领域，涉及一种离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法。

背景技术[0002] 高纯铝是一种银白色，表面光洁，具有清晰结晶纹且夹杂含量极低的超精铝。在工业中，通常把纯度（质量纯度）大于99.8%的纯铝称为高纯铝（HighpurityAluminium)。其具

有低的变形抗力、高的电导率及良好的塑性等特性，正是由于其优异的性能使得高纯铝在

制备超级合金、集成电路配线、光电子存储媒体等方面起着不可估量的作用。已被广泛应用

于航空航天、精密仪器以及电子信息等高新技术和科学研究领域。

[0003] 关于高纯铝的制备，在工业中一般通过三层液电解法和偏析法对原铝进行精炼，进而得到纯度大于99.8%的高纯铝。其中三层液电解法制取高纯铝的原理是利用低纯度原

铝中的杂质元素与铝元素的电极电位差异而实现铝的提纯。该方法起步早，工艺成熟，是目

前高纯铝制备的主流工艺，但这种方法要求的反应温度在700℃以上，且电解能耗高达12?

3

18×10kW·h/t?Al，此外还伴随有大量氟化物的产生。如今由于三层液电解法存在高能

耗、高污染等问题，其发展极为受限。偏析法又称为凝固提纯法，该方法是利用杂质元素和

铝元素在熔融状态下平衡分配系数的不同即铝熔体冷却凝固过程中产生的偏析现象而使

3

原铝得到精炼提纯进而得到高纯铝，偏析法具有投资少，能耗低（3.0?5.0×10kW·h/t?

Al）等优点，但与三层液电解法相比，其在生产过程中存在有二次污染现象且生产效率低，

通常需要进行几次甚至几十次的重复操作，才能获得合格的产品。

[0004] 针对以上我国高纯铝制备工艺的发展现状，本发明提出了一种利用离子液体多级制备高纯铝的方法，与传统工艺不同，利用离子液体多级电解制备高纯铝的方法对于降低

高纯铝制备过程中的能耗，提高生产效率，消除环境污染等方面具有积极的意义。

[0005] 结合发明人的研究结果，提出了以铝合金材料作为电解电极，多级制备高纯铝的方法。目前随着我国建筑行业的高速发展，铝合金材料的使用量也逐年递增，与此同时也产

生了大量的废弃铝合金产品，从这些废弃铝产品中回收铝不仅可以大大降低铝的生产成

本，还可以使得铝土矿这种不可再生资源得到良好的循环利用，而利用离子液体多级电解

法从废旧铝合金材料中回收制备高纯铝，不仅可以保护环境，节约能源，降低能耗，还可以

得到具有高附加值的高纯铝产品，具有广阔的发展空间。

发明内容[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，该方法能耗低，绿色环保，电解效率高，所得产物铝质量纯度高。

[0007] 本发明的技术方案如下：[0008] 一种离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，包括以下步骤：[0009] a.在水氧含量＜1ppm的低氧低水条件下，将无水氯化铝混合于咪唑氯盐型离子液体中，制得氯铝酸型离子液体电解质；

[0010] b.在惰性气体保护下，将电解电极插入液封后的所述氯铝酸型离子液体电解质中，进行五级电解精炼：以纯度95%的铝片作为所述电解电极的阴极，以铂片或铝合金材料

作为一级电解的阳极，将n级电解后的阴极作为n+1级电解的阳极（n=1、2、3、4），每级施加恒

定电流电解，经五级电解后的阴极产物即为纯度高于99.8%的高纯铝。

[0011] 进一步的，所述咪唑氯盐型离子液体为[Bmim]Cl（1?丁基?3?甲基咪唑氯盐离子液体），所述氯铝酸型离子液体电解质为[Bmim][Al2Cl7]（1?丁基?3?甲基咪唑氯盐离子液体）。

[0012] 进一步的，所述惰性气体为氮气、氩气或氦气。[0013] 进一步的，所述铝合金材料为2024铝合金[Al?Cu(3?5%)]、5052铝合金[Al?Mg(2?3%)]、7005铝合金[Al?Zn(4?5%)]或7075铝合金[Al?Cu(1?2%)?Mg(2?3%)?Zn(5?6%)]。

[0014] 进一步的，步骤a中，所述氯化铝与咪唑氯盐离子液体的摩尔比为2:1，反应温度为30?60℃。

[0015] 进一步的，步骤b中，所述液封所用液体为疏水型的二甲基硅烷。[0016] 进一步的，步骤b中，所述恒定电流为电流密度95?100mA的直流电流；所述五级电解精炼中各级电解的温度为：一级电解75?78℃、二级电解65?68℃、三级电解55?58℃、四级

电解45?48℃、五级电解35?38℃。

[0017] 本发明具有如下有益效果：[0018] 本发明选用的氯铝酸型离子液体电解质是一种无污染的绿色溶剂，可显著降低反应温度，减少反应能耗和废气排放，同时可提高产品的质量，增加工业化生产的安全系数。

[0019] 本发明电解电极不仅可选用惰性阳极材料，还可选用废旧铝合金或低纯度的原铝，其反应原理为：

[0020] 阳极：Al(废旧铝合金或低纯度原铝)+7[AlCl4]?→4[Al2Cl7]?+3e?[0021] 阴极：4[Al2Cl7]?+3e?→Al(高纯铝)+7[AlCl4]?[0022] 整个制备过程在低温环境下（40 100℃）进行，经五级电解精炼后可于阴极得到连~

续、致密、黏附性好的铝沉积层，所得反应产物铝沉积层质量纯度大于99.8%，电解效率高于

80%。

附图说明[0023] 图1是本发明实施例中五级电解精炼所用的单级装置图；[0024] 图2是本发明实施例中五级电解精炼所用的多级装置图；[0025] 图3是本发明实施例1中经五级电解后的阴极产物铝沉积层SEM表面形貌图和EDAX质量纯度表征结果图；

[0026] 图4是本发明实施例2中经五级电解后的阴极产物铝沉积层SEM表面形貌图和EDAX质量纯度表征结果图；

[0027] 1、恒流电源，2、进气口，3、阳极，4、硅油，5、磁力搅拌子，6、可控温磁力搅拌器，7，出气口，8、电解槽密封盖，9、电解槽，10、阴极。

具体实施方式[0028] 下面结合实施例对本发明进行详细的说明，实施例仅是本发明的优选实施方式，不是对本发明的限定。

[0029] 实施例1[0030] 一种离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，包括以下步骤：[0031] a.在水氧含量＜1ppm的低氧低水条件下，将无水氯化铝混合于咪唑氯盐离子液体[Bmim]Cl中，氯化铝与咪唑氯盐离子液体[Bmim]Cl的摩尔比为2:1，反应温度为60℃，制得

氯铝酸型离子液体电解质[Bmim][Al2Cl7]；

[0032] b.采用图1所示装置，各级电解槽9中装入所述氯铝酸型离子液体电解质[Bmim][Al2Cl7]，加入二甲基硅烷进行液封，将电解电极插入液封后的氯铝酸型离子液体电解质

[Bmim][Al2Cl7]中，关闭电解槽密封盖8，打开出气口7，进气口2通入氮气，可控温磁力搅拌

器6中加入硅油4后使磁力搅拌子8转动搅拌并控制电解温度，在氮气保护下，进行五级电解

精炼：打开恒流电源1，每级施加电流密度100mA的直流电流电解；以纯度95%的铝片作为所

述电解电极的阴极，以铂片作为一级电解的阳极，一级电解温度为75℃，电解时间13h；将一

级电解后的阴极作为二级电解的阳极，二级电解温度为65℃，电解时间12h；将二级电解后

的阴极作为三级电解的阳极，三级电解温度为55℃，电解时间11h；将三级电解后的阴极作

为四级电解的阳极，四级电解温度为45℃，电解时间10h；将四级电解后的阴极作为五级电

解的阳极，五级电解温度为35℃，电解时间9h；经五级电解后的阴极产物即为纯度高于

99.8%的高纯铝。整个五级电解精炼所用的装置如图2所示。

[0033] 对每级电解后的阴极产物进行纯度分析，试验结果如下表所示：阴极铝纯度

一级电解后 96.7%

二级电解后 97.4%

三级电解后 99.1%

四级电解后 99.7%

五级电解后 99.9%

[0034] 可见，本发明五级电解精炼总反应效率可达90%，经五级电解后的阴极产物铝纯度为99.9%。

[0035] 对经五级电解后的阴极进行表征，阴极产物铝沉积层SEM表面形貌图如图3（a）所示、EDAX质量纯度表征结果如图3（b）所示，可见，本发明所得产物铝沉积层连续、致密，黏附

性好，质量纯度高。

[0036] 实施例2[0037] 一种离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，包括以下步骤：[0038] a.在水氧含量＜1ppm的低氧低水条件下，将无水氯化铝混合于咪唑氯盐型离子液体[Bmim]Cl中，氯化铝与咪唑氯盐离子液体[Bmim]Cl的摩尔比为2:1，反应温度为30℃，制

得氯铝酸型离子液体电解质[Bmim][Al2Cl7]；

[0039] b.在氩气保护下，将电解电极插入经疏水型的二甲基硅烷液封后的所述氯铝酸型离子液体电解质[Bmim][Al2Cl7]中，进行五级电解精炼：每级施加电流密度100mA的直流电

流电解；以纯度95%的铝片作为所述电解电极的阴极，以2024铝合金[Al?Cu(3?5%)]作为一

级电解的阳极，一级电解温度为78℃，电解时间13h；将一级电解后的阴极作为二级电解的

阳极，二级电解温度为68℃，电解时间11h；将二级电解后的阴极作为三级电解的阳极，三级

电解温度为58℃，电解时间9h；将三级电解后的阴极作为四级电解的阳极，四级电解温度为

48℃，电解时间7h；将四级电解后的阴极作为五级电解的阳极，五级电解温度为38℃，电解

时间5h；经五级电解后的阴极产物即为纯度高于99.8%的高纯铝。

[0040] 对每级电解后的阴极产物进行纯度分析，试验结果如下表所示：阴极铝纯度

一级电解后 95.2%

二级电解后 98.8%

三级电解后 99.5%

四级电解后 99.8%

五级电解后 99.9%

[0041] 可见，本发明五级电解精炼总反应效率可达80%，经五级电解后的阴极产物铝纯度为99.9%。

[0042] 对经五级电解后的阴极进行表征，阴极产物铝沉积层SEM表面形貌图如图4（a）所示、EDAX质量纯度表征结果如图4（b）所示，可见，所得产物铝沉积层连续、致密，黏附性好，

质量纯度高。

[0043] 采用2024铝合金(其中铝含量约为92%)作为阳极材料，在此方法下经五级电解精炼得到的铝沉积层电流效率和铝纯度均满足高纯铝的生产及产品要求。

[0044] 实施例3[0045] 一种离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，包括以下步骤：[0046] a.在水氧含量＜1ppm的低氧低水条件下，将无水氯化铝混合于咪唑氯盐型离子液体[Bmim]Cl中，氯化铝与咪唑氯盐离子液体[Bmim]Cl的摩尔比为2:1，反应温度为40℃，

制得氯铝酸型离子液体电解质[Bmim][Al2Cl7]；

[0047] b.在氩气保护下，将电解电极插入经疏水型的二甲基硅烷液封后的所述氯铝酸型离子液体电解质[Bmim][Al2Cl7]中，进行五级电解精炼：每级施加电流密度100mA的直流电

流电解；以纯度95%的铝片作为所述电解电极的阴极，以5052铝合金[Al?Mg(2?3%)]作为一

级电解的阳极，一级电解温度为78℃，电解时间13h；将一级电解后的阴极作为二级电解的

阳极，二级电解温度为68℃，电解时间11h；将二级电解后的阴极作为三级电解的阳极，三级

电解温度为58℃，电解时间9h；将三级电解后的阴极作为四级电解的阳极，四级电解温度为

48℃，电解时间7h；将四级电解后的阴极作为五级电解的阳极，五级电解温度为38℃，电解

时间5h；经五级电解后的阴极产物即为纯度高于99.8%的高纯铝。

[0048] 对每级电解后的阴极产物进行纯度分析，试验结果如下表所示：阴极铝纯度

一级电解后 97.5%

二级电解后 99.0%

三级电解后 99.8%

四级电解后 99.8%

五级电解后 99.9%

[0049] 可见，本发明五级电解精炼总反应效率可达85%，经五级电解后的阴极产物铝纯度为99.9%。

[0050] 采用5052铝合金(其中铝含量约为95%)作为阳极材料，在此方法下经五级电解精炼得到的铝沉积层电流效率和铝纯度均满足高纯铝的生产及产品要求。

[0051] 实施例4[0052] 一种离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，包括以下步骤：[0053] a.在水氧含量＜1ppm的低氧低水条件下，将无水氯化铝混合于咪唑氯盐型离子液体[Bmim]Cl中，氯化铝与咪唑氯盐离子液体[Bmim]Cl的摩尔比为2:1，反应温度为45℃，

制得氯铝酸型离子液体电解质[Bmim][Al2Cl7]；

[0054] b.在氩气保护下，将电解电极插入经疏水型的二甲基硅烷液封后的所述氯铝酸型离子液体电解质[Bmim][Al2Cl7]中，进行五级电解精炼：每级施加电流密度100mA的直流电

流电解；以纯度95%的铝片作为所述电解电极的阴极，以2024铝合金7005铝合金[Al?Zn(4?

5%)]作为一级电解的阳极，一级电解温度为78℃，电解时间13h；将一级电解后的阴极作为

二级电解的阳极，二级电解温度为68℃，电解时间11h；将二级电解后的阴极作为三级电解

的阳极，三级电解温度为58℃，电解时间9h；将三级电解后的阴极作为四级电解的阳极，四

级电解温度为48℃，电解时间7h；将四级电解后的阴极作为五级电解的阳极，五级电解温度

为38℃，电解时间5h；经五级电解后的阴极产物即为纯度高于99.8%的高纯铝。

[0055] 对每级电解后的阴极产物进行纯度分析，试验结果如下表所示：阴极铝纯度

一级电解后 96.0%

二级电解后 98.8%

三级电解后 99.7%

四级电解后 99.8%

五级电解后 99.8%

[0056] 可见，本发明五级电解精炼总反应效率可达84%，经五级电解后的阴极产物铝纯度为99.8%。

[0057] 采用7005铝合金(其中铝含量约为91%)作为阳极材料，在此方法下经五级电解精炼得到的铝沉积层电流效率和铝纯度均满足高纯铝的生产及产品要求。

[0058] 实施例5[0059] 一种离子液体电解质体系低温恒流多级电解制取铝的方法，包括以下步骤：[0060] a.在水氧含量＜1ppm的低氧低水条件下，将无水氯化铝混合于咪唑氯盐型离子液体[Bmim]Cl中，氯化铝与咪唑氯盐离子液体[Bmim]Cl的摩尔比为2:1，反应温度为50℃，

制得氯铝酸型离子液体电解质[Bmim][Al2Cl7]；

[0061] b.在氩气保护下，将电解电极插入经疏水型的二甲基硅烷液封后的所述氯铝酸型离子液体电解质[Bmim][Al2Cl7]中，进行五级电解精炼：每级施加电流密度100mA的直流电

流电解；以纯度95%的铝片作为所述电解电极的阴极，以7075铝合金[Al?Cu(1?2%)?Mg(2?

3%)?Zn(5?6%)]作为一级电解的阳极，一级电解温度为78℃，电解时间13h；将一级电解后的

阴极作为二级电解的阳极，二级电解温度为68℃，电解时间11h；将二级电解后的阴极作为

三级电解的阳极，三级电解温度为58℃，电解时间9h；将三级电解后的阴极作为四级电解的

阳极，四级电解温度为48℃，电解时间7h；将四级电解后的阴极作为五级电解的阳极，五级

电解温度为38℃，电解时间5h；经五级电解后的阴极产物即为纯度高于99.8%的高纯铝。

[0062] 对每级电解后的阴极产物进行纯度分析，试验结果如下表所示：阴极铝纯度

一级电解后 98.5%

二级电解后 98.9%

三级电解后 99.6%

四级电解后 99.8%

五级电解后 99.9%

[0063] 可见，本发明五级电解精炼总反应效率可达88%，经五级电解后的阴极产物铝纯度为99.9%。

[0064] 采用7075铝合金(其中铝含量约为87%)作为阳极材料，在此方法下经五级电解精炼得到的铝沉积层电流效率和铝纯度均满足高纯铝的生产及产品要求。