СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АЛЮМИНИЯ
METHOD OF PRODUCING ALUMINIUM

Настоящее изобретение относится к способу получения алюминия и алюминийсодержащих материалов.
Термин «алюминийсодержащие материалы» охватывает в качестве примеров глинозем, гидрооксид алюминия, хлорид алюминия и тригидрат алюминия.
Процесс Байера для получения глинозема из алюминийсодержащих сырьевых материалов, таких как боксит, и процесс Холла-Эру для электролитического получения алюминия из глинозема являются единственным коммерчески значимым технологическим маршрутом получения металлического алюминия из алюминийсодержащих сырьевых материалов. Этот технологический маршрут также используют для получения глинозема и гидрооксида алюминия для других областей применения.
Однако несмотря на то, что указанный выше технологический маршрут является эффективным, у него есть недостатки, связанные с высокими капитальными затратами, пригодностью только для высококачественного боксита и лишь посредственной чистотой получаемых металлического алюминия и других алюминийсодержащих материалов, хотя они и подходят для большинства сегодняшних требований к такой продукции.
Настоящее изобретение предлагает альтернативный способ получения алюминия и алюминийсодержащих материалов из алюминийсодержащих сырьевых материалов.
Настоящее изобретение базируется на понимании того, что а) открытые в недавнее время органические реагенты, которые являются подходящими для процесса экстракции растворителями по экстрагированию ионов алюминия из водного раствора в комплекс алюминия, и б) электролитическая ячейка на основе электролит-ионной жидкости для непосредственного и опосредованного получения алюминия из этого комплекса алюминия являются основой альтернативного способа получения алюминия из алюминийсодержащих сырьевых материалов.
Согласно настоящему изобретению предлагается способ получения алюминия и алюминийсодержащих материалов из твердого алюминийсодержащего сырьевого материала, включающий в себя:
(а) выщелачивание алюминийсодержащего сырьевого материала выщелачивающим раствором и образование водного раствора, содержащего ионы алюминия;
(б) экстракцию ионов алюминия из водного раствора путем контактирования этого водного раствора с органическим реагентом, перехода ионов алюминия в органический реагент и образование комплекса алюминия;
(в) извлечение алюминия или алюминийсодержащего материала из комплекса алюминия.
Органическим реагентом могут быть любые подходящие комплексообразующий лиганд, соединение, полимер или ионообменная смола.
Подходящие органические реагенты описаны, например, в Международной заявке РСТ/AU02/00243 на имя Technological Resources Pty. Limited.
Существует ряд возможных вариантов этапа (в) извлечения.
Алюминийсодержащий материал может содержать, например, глинозем, гидрооксид алюминия, тригидрат алюминия и хлорид алюминия в любой подходящей твердой форме.
В одном варианте этап (в) извлечения включает в себя вытеснение ионов алюминия из комплекса алюминия путем контактирования комплекса алюминия с водным раствором и затем извлечение алюминия или алюминийсодержащего материала.
Раствор, используемый на этапе (в), может быть более кислым раствором, чем исходный выщелачивающий раствор, используемый на этапе (а), и иметь ограниченную растворимость по алюминию, так что ионы алюминия вытесняются из комплекса алюминия и сразу же осаждаются (выпадают в осадок) в виде твердого алюминийсодержащего материала, например в виде глинозема и/или гидрооксида алюминия, а затем этот твердый материал извлекают.
Раствор, используемый на этапе (в), может быть кислым раствором, так что ионы алюминия вытесняются из комплекса алюминия в раствор и затем извлекаются из раствора.
Предпочтительно этот раствор представляет собой раствор соляной кислоты.
Предпочтительно раствор соляной кислоты имеет значение рН 1-6.
В такой ситуации в качестве примера твердый алюминийсодержащий материал в форме глинозема или гидрооксида алюминия может быть извлечен из раствора путем нагревания этого раствора и вызывания термической диссоциации с удалением воды и соляной кислоты в газообразных формах и получением глинозема в порошковой форме.
Глинозем, или гидрооксид алюминия, или другие алюминийсодержащие материалы, которые осаждены непосредственно из комплекса алюминия или осаждены из раствора, как описано выше, могут быть проданы как продукт или подвергнуты дальнейшей переработке для получения алюминия с использованием традиционного процесса Холла-Эру или других процессов, таких как процессы, описанные далее.
Твердые алюминийсодержащие материалы, в частности глинозем и гидрооксид алюминия, могут быть выгодным образом получены с очень малым размером частиц и высокой чистотой, что повышает их ценность при непосредственном использовании в различных областях применения, таких как изготовление керамики и антипиреновых композиционных материалов.
Альтернативно алюминий может быть извлечен из используемого на этапе (в) раствора путем перевода ионов алюминия в ионную жидкость и последующего извлечения алюминия из этой ионной жидкости.
Термин «ионная жидкость» следует понимать здесь как жидкость, которая по существу состоит из ионов и может использоваться в интервале температур 0-100°С.
Предпочтительно способ включает в себя извлечение алюминия из ионной жидкости путем приложения потенциала между анодом и катодом, размещенными так, что, по меньшей мере, катод находится в контакте с ионной жидкостью, и осаждения алюминия на катоде.
Перевод ионов алюминия в ионную жидкость может происходить непосредственно из раствора в ионную жидкость в той же самой камере.
В такой ситуации предпочтительно ионная жидкость является гидрофобной, имеет высокое сродство к алюминию и является стабильной в присутствии воды.
Перевод ионов алюминия в ионную жидкость может также происходить из раствора опосредованно.
Например, перевод может происходить из раствора, содержащегося в одной камере, в ионную жидкость, содержащуюся в другой камере, через мембрану, диафрагму или другое подходящее средство, которое является проницаемым для ионов алюминия и разделяет эти камеры.
При такой конструкции движущей силой для перевода ионов алюминия из камеры, содержащей раствор, в другую камеру, содержащую ионную жидкость, может являться либо градиент концентрации, либо наличие анода в водной камере и катода в камере с ионной жидкостью.
Предпочтительно мембрана, диафрагма или другое подходящее средство, которое является проницаемым для ионов алюминия, является устойчивой(ым) к воздействию раствора и ионной жидкости и является непроницаемой(ым) для других компонентов раствора и ионной жидкости.
Альтернативно способ может включать в себя получение глинозема, или гидрооксида алюминия, или других алюминийсодержащих материалов, осаждаемых в твердой форме непосредственно из комплекса алюминия или из раствора, как описано выше, затем растворение твердого материала в ионной жидкости непосредственно или опосредованно и извлечение алюминия из этой ионной жидкости, как описано выше.
Другой, хотя ни в коем случае не единственный, возможный вариант этапа (в) извлечения включает в себя вытеснение ионов алюминия непосредственно из комплекса алюминия путем перевода ионов алюминия в ионную жидкость и затем извлечение алюминия из этой ионной жидкости, например, электролитически, как описано выше.
Этот способ обеспечивает возможность использования в качестве сырьевых материалов широкого спектра алюминийсодержащих материалов, включая трудно перерабатываемый сегодня загрязненный дросс (изгарину) и отходы плавильных печей, и позволяет получать алюминий более высокой чистоты как продукт с добавочной стоимостью для использования в специальных областях применения, таких как конденсаторы и компакт-диски.
Настоящее изобретение далее описывается на примере со ссылкой на прилагаемую технологическую схему одного варианта реализации способа по изобретению.
Изображенный на этой технологической схеме способ подходит для получения алюминия из широкого спектра алюминийсодержащих сырьевых материалов, таких как боксит, каолин, дросс и продукты обескремнивания.
Обращаясь к чертежу, ключевыми этапами в данном варианте реализации способа являются следующие.
1. Выщелачивание алюминийсодержащего сырьевого материала
Этот этап включает в себя выщелачивание алюминия из подходящего сырьевого материала, например боксита, и образование водного раствора, содержащего ионы алюминия.
Обычно выщелачивание осуществляют с использованием выщелачивающего раствора, содержащего каустический щелочной раствор с высоким рН или разбавленную кислоту с рН 3-4.
Поскольку алюминий впоследствии извлекают экстракцией растворителем, как описано ниже, этап выщелачивания не должен осуществляться при высоких температурах и давлениях. В частности, не требуется достижение пересыщения для способствования последующему осаждению. Это оставляет доступным более широкий диапазон рабочих условий растворения, в особенности при использовании небокситных сырьевых материалов.
2. Экстракция
Этот этап включает в себя экстракцию алюминия из щелока от выщелачивания с использованием органического реагента того типа, который описан в Международной заявке РСТ/AU02/00243.
Алюминий экстрагируется селективно и образует комплекс алюминия, что позволяет избежать проблем с очисткой.
3. Реэкстракция алюминия
Этот этап включает в себя реэкстракцию алюминия из комплекса алюминия, то есть обогащенной органической фазы, содержащей ионы алюминия, путем контактирования комплекса алюминия с подходящим раствором.
Один вариант состоит в осуществлении этого этапа с использованием раствора, который является более кислым, чем исходный выщелачивающий раствор (и может быть нейтральным или немного основным), и имеет низкую растворимость по алюминию, за счет чего алюминий вытесняется из комплекса алюминия и сразу же осаждается в виде твердого алюминийсодержащего материала.
Другой вариант состоит в осуществлении этого этапа с использованием умеренно сильного раствора соляной кислоты, за счет чего ионы водорода вытесняют алюминий из комплекса алюминия, в результате чего алюминий переходит в раствор соляной кислоты и регенерирует органический реагент. Регенерированный органический реагент может быть использован повторно для дальнейшей экстракции алюминия.
Еще один вариант состоит в непосредственном переводе ионов алюминия из комплекса алюминия в электролит-ионную жидкость.
4. Извлечение алюминия
Одним вариантом извлечения алюминия из раствора соляной кислоты является использование термической диссоциации для удаления воды и соляной кислоты с получением в остатке порошка чистого глинозема для продажи в качестве продукта и/или для применения в электролизерах с целью получения алюминия высокой чистоты.
Другим вариантом извлечения алюминия из раствора соляной кислоты является перевод алюминия из раствора соляной кислоты в электролит-ионную жидкость и получение металлического алюминия высокой чистоты посредством электролиза ионов алюминия в этой ионной жидкости.
Форма реализации этого этапа электролиза зависит частично от природы используемой ионной жидкости.
Один подход при таком варианте состоит в использовании ячейки, которая выполнена таким образом, что алюминий переходит из водного кислого раствора в ионную жидкость через ионоселективную мембрану.
Другой подход при таком варианте состоит в использовании гидрофобной ионной жидкости с высоким сродством к алюминию, которая является стабильной в присутствии воды и кислоты, за счет чего алюминий переходит непосредственно в ионную жидкость. Такому подходу может также способствовать введение химических добавок к ионной жидкости для повышения сродства к алюминию этой ионной жидкости. Химические добавки включают в качестве примера комплексообразующие реагенты, повышающие сродство к алюминию ионной жидкости.
Другой вариант состоит в выделении алюминия в форме твердого алюминийсодержащего материала, такого как глинозем, тригидрат алюминия и/или хлорид алюминия, и растворении этого твердого материала в ионной жидкости для обеспечения источника алюминия.
Реакция на катоде электролизной ячейки дает металлический алюминий. При соответствующей анодной реакции наиболее вероятно выделяется газообразный хлор или кислород. Газообразный хлор может быть возвращен в этот процесс для повторного использования (рециркулирован) после конверсии в соляную кислоту, а кислород может быть уловлен в качестве отдельного продукта.
Описанное выше электролитическое извлечение алюминия из ионной жидкости, содержащей ионы алюминия, применяется также для извлечения алюминия из ионной жидкости, содержащей ионы алюминия, выделенные непосредственно из комплекса алюминия.
В описанном выше варианте реализации настоящего изобретения может быть сделано множество модификаций без отхода от сущности и объема настоящего изобретения.