氧化铝电解铝的基本原理

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J·H·波特(Pott)在实验室里从明矾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)将这种想象的尚未命名的金属称为“alumium”，后又改为“alumin—ium”。1825年丹麦人H·C·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10～15ms／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S·C·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)一氧化铝熔盐电解法。几乎同时大洋彼岸法国巴黎矿业学院大学生P·L·T·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一埃鲁法，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(K·J·Bayer)于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950—1200℃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125－140℃下溶出，一水硬铝石型铝土矿则要在240—260℃下并添加石灰(3％－7％)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NaOH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1.5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950～970℃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。