氧化铝、电解铝的基本原理

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1、1 .铝的生产铝的生产是由铝土矿开采业、氧化铝工业、电解铝工业等构成。早在1746年,德国化学家JH波特(Pott)在实验室里从明矶中提取出了一种白色的物质。法国科学家A.L拉瓦锡(Lavoisier认为那是一种尚未被发现的金属氧化物。它与氧有极大的亲和力,结合牢固,不能用碳和那时已知的任一种还原剂使其还原,这种白色的物质即是现在的氧化铝。1809年,英国化学家H戴维(Davy)#这种想象的尚未命名的金属称为“alumium”,后又改为“aluminium”。1825年丹麦人HC奥斯忒(Oersted)用钾汞齐还原无水氯化铝,制得一些其颜色与锡白色相同的小颗粒,成为了当今的铝。虽然当时由于技术

2、和工艺的限制,研究人员仅得到几毫克铝,但却宣告人类制得了在自然界中不以单质存在的铝。此后,德国人F沃勒(Wohler)用钾还原无水AlC13,制得了铝粉。1845年他又将A1C13,气体通过钾熔体表面制得了一些铝珠,其质量为1015ms/颗,并用它们测得了铝的密度与塑性。尽管当时实验准确性不是很高,但却使人们了解了铝是一种熔点不高的金属,且有相当好的延展性。1845年,法国科学家SC德维尔(Deville)用钠还原NaAlCl络合盐制成了一定数量的金属铝。由于当时用这种方法生产的铝量少且成本高,其价格一度接近了黄金价格,人们只,能把铝加工成一些诸如餐具、摆设之类的工艺品供皇室和高宫贵人使用。自

3、从铝被人类发现之后,各国的科学家们一直都在苦苦探索铝的生产工艺及其工业化生产,使其为人类服务。1886年美国奥伯林学院化学系学生c-M霍尔(Hall)发明冰晶石(Na3ALF6厂氧化铝熔盐电解法。几乎同时大洋彼岸法国巴黎矿业学院大学生PLT埃鲁(Heroult)也发明生产铝的这种方法。从此,人们把此法称为霍尔埃鲁法,直到100多年后的今天,全世界的原铝生产还都是用此种方法。100多年来,世界铝工业生产从铝矿的采掘、材料的供应、氧化铝和电解铝的生产、技术的应用;进出口贸易等已形成了一个相当完整的体系,各国间也形成了一种分工明确、组织有序、相互依存、相互竞争的格局。2 .氧化铝的生产铝的电解是以氧

4、化铝为原料、冰晶石为熔剂的电解过程。所以,氧化铝是电解铝生产中必不可少的主原料。由于铝土矿资源的特点不同,致使各氧化铝生产企业的生产工艺不同。目前世界上氧化铝的生产方法主要有拜耳法、碱石灰烧结法和拜耳烧结联合法三种。通常高品位铝土矿采用拜耳法生产,中低品位铝土矿采用联合法或烧结法生产。拜尔法由奥地利人拜耳(KJ-Bayer才1888年发明。拜尔法的生产原理是用苛性钠(NaOH溶液加工溶出铝土矿中的氧化铝,得到铝酸钠溶液,溶液与残渣分离后,通过降低温度,加入氢氧化铝作晶种,经长时间搅拌,铝酸钠分解析出氢氧化铝,洗净并在9501200温度下煅烧成氧化铝成品。由于铝矿石中三水铝石、一水软铝石和一水硬

5、铝石的结晶构造不同,它们在苛性钠溶液中的溶解性能有很大差异,所以一般要根据不同的铝矿石采取不同的溶出条件,即不同的溶出温度。三水铝石型铝土矿通常在125140下溶出,一水硬铝石型铝土矿则要在240260下并添加石灰(37)的条件下溶出。拜尔法问世之后,由于共流程简单,能耗低,成为当前氧化铝生产中应用最为主要的一种方法。目前这种氧化铝的生产产量约占全球氧化铝生产总量的95左右。碱石灰烧结法通常处理拜尔法不能处理的低晶位铝矿石。其原理是将铝土矿、碳酸钠和石灰按一定比例混合配料,在回转窑内烧结成由铝酸钠、铁酸钠、原硅酸钙和钛酸钙组成的熟料,然后用稀碱溶液溶出熟料中的铝酸钠,此时铁酸钠水解得到的NaO

6、H也进入溶液。如果溶出条件控制得当,原硅酸钙就不会大量与铝酸钠溶液发生反应,而与钛酸钙等组成赤泥排出。溶出熟料得到的铝酸钠溶液经过专门的脱硅过程,SiO2形成水合铝硅酸钠(称为钠硅渣)或水化石榴石沉淀,把C02气体通入精制铝酸钠溶液,加入晶体搅拌,得到氢氧化铝沉淀物和主要成分是碳酸钠的母液,氢氧化铝经煅烧成为氧化铝。采用烧结法的氧化铝生产厂,由于其碱耗平均值约为拜耳法生产的倍左右。3 .电解铝生产原理铝电解的原理是使直流电通过以氧化铝为原料、冰晶石为溶剂组成的电解质,在950970c下使电解质溶液中的氧化铝分解为铝和氧。可用下式表示:2Al203+3C=4A1+3CO3由于比重的差别在阴极上析出的铝液汇集于电解槽槽底,而在阳极上析出二氧化碳和一氧化碳气体,铝液从电解槽中吸出,经过净化去除氢气、非金属和金属杂质并澄清后,铸成各种铝锭

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