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production of alumini-um by electrolysis of aluminium chloride
简介
把直流电流通入溶有氯化铝的碱金属和碱土金属氯化物电解质中，在电解槽阴极析出铝的一种铝电解方法。本法目前虽然还无法与冰晶石-氧化铝熔盐电解法竞争，但仍为人们不断进行研究。
早在冰晶石-氧化铝熔盐电解法发明之前，德国的本生(J.Bunsen)和法国的德维叶(C.Deville)在1854年曾经成功地电解NaAlCl4熔盐制得金属铝。1973年美国铝业公司(Aluminium Company of America)的阿尔阔(Alcoa)分公司宣布研究出一种新的氯化铝电解制铝法。
这种方法采用了多室电解槽的新工艺，与冰晶石-氧化铝熔盐电解法相比，可节电30%，还有占地面积小、单槽产量高，可避免强磁场等优点。该公司于1976年在得克萨斯州建成一座年生产能力为1.5万t铝的试验工厂。
阿尔阔(Alcoa)氯化铝电解法制铝主要由氯化铝制备和氯化铝电解两大过程组成 (图1)。
图1 Alcoa氯化铝电解法制铝设备连接原则流程
1—反应器; 2—过滤器; 3—冷凝器;4—贮仓; 5—过滤器; 6—电解槽; 7—通风机
氯化铝制备 为避免硅、铁等氯化物杂质污染AlCl3，仍采用工业纯Al2O3为原料。氯化过程在流态化氯化炉中进行。掺有焦炭颗粒的氧化铝从加料口加入，氯气从炉底通入。氯气要保持一定压力，以便使炉料处于流态化状态。氯化温度为973～1173K。在此氯化温度下，炉料中的Al2O3与氯气和焦炭发生生成AlCl3的反应：
前一个反应是吸热反应，后一个反应是放热反应。在氯化过程中鼓入适量的氧气，可使这两个反应的热量互补。从流态化氯化炉中出来的AlCl3气经过初步提纯，在冷凝器中得到固体AlCl3作为电解的原料。
氯化铝电解 Alcoa法的关键是采用双极性电极多室电解槽(图2)。这种电解槽的电极有阳极、阴极和诸多双极性电极，所有电极均由石墨制成。石墨电极几乎不消耗，不必象冰晶石-氧化铝熔盐电解那样要经常更换阳极，阳极、阴极和双极可密封在电解槽中，从而可使电解操作大为简化。
图2 AlCl3电解槽结构示意图1—耐火材料盖; 2—钢壳; 3—耐火内衬;4—阳极; 5—板状双极; 6—阴极; 7—铝; 8—石墨容器
这种电解槽的极间距很小，只有1.0～1.5cm。石墨双极电极的上表面作为阴极，下表面作为阳极，这样每一个室就是一个电解槽，整个电解槽相当于多个单室电解槽串联的多室槽。因此，每台电解槽的生产能力很大。电解槽极间距小、双极多室是Alcoa法节能的关键。电解槽的外壳用钢板焊成，内衬为耐高温、不导电、耐电解质腐蚀的耐火材料。为保证电极之间和电极与侧部的相对位置不变，有利于气体和铝液按希望的路线运动，电解槽侧部不能生长炉帮，在电解槽侧部和电极之间采用了氮化硅、氮化硼等较贵重的耐火材料。
当电流密度为0.8～2.3A/cm2时，单室的室电压为2.7V，其中含氯化铝的理论分解电压1.8V，阴、阳两极的超电位0.37V，电解质电压降大约为0.5V，其他还有少量导线和电极电压降。
氯化铝电解法制铝的电解质组成有两类。一类是纯氯化物组成的电解质体系，如NaCl-KCl-AlCl3系或NaCl-KCl-LiCl-AlCl3系;另一类是氯化物与氟化物混合体系，如NaCl-CaCl2-CaF2-AlCl3系等。AlCl3的蒸气压很大，在453K温度左右即达到0.1MPa。为了减少AlCl3的挥发损失，一般采用主要由蒸气压较小的NaCl、KCl、CaCl2、CaF2等组成的电解质。
AlCl3几乎不导电，在接近熔点时电导率只有0.56×10-4S/m。因此，电解质中的其他组分要具有较好导电性，以提高电解质的导电性和降低电耗。此外，电解质中的氧化物含量要低，因为当有氧化物存在时，氧离子会优先在阳极上放电：
202-+C-4e→CO2
从而消耗石墨阳极。欲使石墨电极使用3a而不更换，则电解质中的氧化物浓度不得高于0.03%。