Тип публикации: отчёт о НИР
Год издания: 2019
Ключевые слова: рафинирование металлов, получение алюминия, ионные расплавы, электролиз, массоперенос, переработка катализаторов, кинетика, электродные процессы, инертный анод, низкотемпературный расплав
Аннотация: Алюминий является одним из самых распространенных и широко используемых металлов в мире. Важность очистки алюминия от металлических и неметаллических включений возрастает в связи со следующими фактами:?1. Многие промышленные отходы, которые наносят серьезный вред окружающей среде, содержат большое количество Al2O3, SiO2 и Fe2O3 и пПоказать полностьюривлекают внимание многих исследователей, работающих над методами их утилизации. Сплав Al-Si или сплав Al-Si-Fe можно получить путем карботермического восстановления из таких отходов и затем подвергнуть экстракции алюминия.?2. Первичный алюминий производится в электролизерах Эру-Холла, где происходит разложение оксида алюминия, растворенного в расплаве на основе криолита:??Al2O3(раств.)+C=Al(ж)+CO2(г)+CO(г)??Углерод, участвующий в процессе, является причиной значительного количества парниковых газов (CO2, CO, COF2, CF4, C2F6), поступающих в атмосферу, и генерации энтропии. Хорошо известно, что введение безуглеродного анода устраняет основные экологические проблемы, но приводит к снижению чистоты алюминия из-за загрязнения продуктами коррозии в соответствии с реакцией:??Al2O3(раств.)+xMeO(раств.)=AlMex+(3/2+x)O2(г)??Различные методы были предложены для замедления переноса продуктов коррозии в алюминий, однако крайне желателен недорогой экологически чистый процесс очистки алюминия.?3. Отработанные катализаторы, содержащие металлы платиновой группы (МПГ) и другие ценные элементы, были в центре внимания исследователей, пытающихся найти эффективный способ их извлечения. В недавно предложенной технологии [14] жидкий алюминий используется для сбора МПГ, в то время как носитель катализатора γ-Al2O3 растворяется в расплаве фторидов и электрохимически разлагается. Извлечение чистого алюминия из сплава Al-МПГ сделало бы гораздо более ценный продукт.?Эта работа представляет собой поиск малоотходного и низкоэнергетического подхода к очистке и извлечению Al из лома в тонком слое многопористой электрохимической системы с расплавленной солью. Расстояние между двумя жидкими электродами, один из которых представляет собой алюминиевый сплав, а другой - чистый алюминий, может быть уменьшено, чтобы резко снизить омическое падение напряжения и увеличить скорости реакции из-за перекрывающихся диффузионных слоев. Это может быть достигнуто за счет введения устойчивой к коррозии и нагреванию ткани на основе, по-видимому, углеродного или керамического волокна, смачиваемого электролитом и действующего в качестве барьера между двумя алюминиевыми электродами. Новая конструкция однопористой ячейки (SPC) с квазиопорным электродом (qRE) на подложке TiB2 в тигле BN была предложена для изучения кинетики восстановления и растворения алюминия в узком канале с целью прогнозирования и объяснения поведения тонких частиц. пленочная многослойная электрохимическая система в условиях массопереноса и электродных процессов в порах. Важными задачами, рассматриваемыми в этой статье, являются определение приемлемой толщины слоя, температуры, доступных плотностей тока и предпочтительного состава расплавленной соли.?Основные результаты этой работы:?1. Перспективным решением представляется новый подход к очистке жидких металлов с помощью тонкослойной пористой электрохимической системы на основе расплавов галогенидов;?2. Метод электролиза в одной поре может быть использован для кинетических исследований и других электрохимических приложений;?3. Подложка для квази-электрода сравнения на основе TiB2 является более предпочтительной, чем W-подложка;?4. Использование расплавов хлоридов для восстановления и окисления алюминия является более предпочтительным, чем использование фторидных смесей из-за гораздо большего окна электродных потенциалов, более высоких видимых предельных плотностей тока и коэффициентов диффузии и более низкого перенапряжения из-за доминирования диффузионной кинетики;?5. Анодное растворение алюминия в NaCl-KCl-AlF3 может происходить в области кинетических ограничений со стороны химической реакции. Плотность обменного тока составляла 105 мА см-2, а порядок реакции – 0,34;?6. Энергия активации восстановления щелочного металла в том же расплаве составляет 94,762 кДж/моль. Предпочтительная температура для очистки жидкого металла составляет 800 ° С.?7. Катодный процесс в расплаве KF-AlF3 имеет смешанную кинетику. Он обладает удивительно низкими кажущимися предельными плотностями тока (0,2 А см-2 при 800 °C и CR = 1,1) и кинетическими ограничениями со стороны химической реакции при более высоких CR (с плотностью обменного тока 50 мА см-2 и порядком реакции 0,08 при CR = 1.5). Это может происходить из-за совместного осаждения Al и K с выделением твердого криолита;?8. Состав расплава играет решающую роль в эффективности очистки. Оптимальное значение CR для расплава KF-AlF3 составляет 1,2. Это позволяет работать при плотности тока не выше 0,4 А см-2 при толщине тонкослойной системы менее 60 мкм. Предпочтительная концентрация расплава AlF3 в композиции NaCl-KCl-AlF3 составляет 10%. Это позволяет работать при 1,4 А см-2 при толщине 22 мкм и ниже.?Стоит отметить, что тонкослойные ячейки также можно применять для очистки металлов, отличных от Al (Mg, Ce, Ca и др.), а также в высокотемпературных жидкометаллических гальванических элементах. Эти приложения могут стать предметом дальнейшей работы.