一级黄色网站在线视频看看,久久精品欧美一区二区三区 ,国产偷国产偷亚洲高清人乐享,jy和桃子为什么绝交,亚洲欧美成人网,久热九九

特別說明：本文由學研匯技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。

原創丨苯乙烯硅氫（學研匯 技術中心）

編輯丨風云

與鐵、銅并列，鋁是社會上廣泛使用的三大賤金屬之一。 除了使用熔融電解從鋁土礦生產的原鋁外，據估計，世界鋁循環中 52% 的鋁合金錠是再生鋁合金錠。盡管是一種回收率非常高的金屬，鋁的質量品位不可避免地被當前使用的重熔回收工藝降低，因為鋁消費后廢料的精煉非常困難。迄今為止，鋁回收的成功取決于對低品位鋁的大量需求。

在工業中，鋁通常與硅、銅、鎂和其他元素形成合金。鋁合金基本上分為兩類：鍛造合金通常含有約 5% 的合金元素，而鑄造合金則含有 6% 到 27%，比鍛造合金的范圍要寬得多。鋁的化學性質使得幾乎不可能從重熔鋁廢料中去除合金元素。因此，隨著連續循環的進行，合金元素的積累是不可避免的，這意味著再生鋁不符合鍛造合金所需的嚴格成分規格。這種降級再生鋁的最終產品是鋁鑄合金。由于其廣泛用于生產內燃機汽車的發動機缸體和變速箱，汽車行業在全球鋁合金鑄造市場中占據主導地位，份額為 52.2%。

在可預見的未來，預計當前的鋁回收系統不會突然崩潰。然而，隨著從內燃機汽車向電動汽車的轉變，預計內燃機汽車中使用的發動機缸體和其他鋁鑄件產品的需求將下降。這將導致鋁循環不平衡和再生鋁過剩。 這種鋁將成為“死金屬”。在最近關于材料循環性的討論中，Reuter等人提出了基于煉油技術局限性的挑戰。雖然提供了關于回收系統缺陷的見解，但討論僅限于當前使用的冶金工藝。無可爭辯的是，如果當前的體系保持不變，那么就存在鋁危機的真正風險。

使用傳統的真空蒸餾工藝、氧化物基或氯化物基助熔劑等工藝無法從鋁中選擇性地去除典型的合金元素。只有兩種正在使用的工業化技術能夠提煉鋁：一種是稱為 Hoopes 工藝的三層電解法，另一種是偏析法。這兩種工藝都用于原鋁的選擇性提煉。在前者中，液態Al-Cu合金（陽極）、熔鹽（電解質）和液態純鋁（陰極）自下而上形成具有不同比重的三層液態結構。用這種方法可以將純度為99.5%的鋁提純到99.99%，但由于鋁和硅的密度相近，所以硅與鋁一起向上移動而沒有被去除。偏析法利用合金元素在固態和液態鋁中的溶解度差異。在獲得高純度鋁之前，該過程需要重復熔化和極慢的冷卻步驟。當在此過程中添加鑄造合金時，由于高濃度合金元素的含量很高，很大一部分鋁無法使用。由于這些限制，這兩種工藝不適合精煉鋁廢料。

為了滿足未來對高品位鋁的需求，需要一種新的鋁回收方法，能夠將廢料提升到與原鋁相似的水平。為了達到此目的，日本東北大學Tetsuya Nagasaka教授、北京科技大學朱鴻民教授等人提出了一種固態電解工藝，該工藝使用熔鹽來回收鋁廢料。固態電解工藝生產的鋁純度與鋁合金鑄造原鋁相當。此外，固態電解工藝的能源消耗估計不到原鋁生產過程的一半。通過有效地回收鋁廢料，可以始終如一地滿足社會對高品位鋁的需求。通過使用這種高效、低能耗的工藝，可以實現鋁循環的真正可持續性。

圖1是所提出的固態電解工藝的示意圖。在固態電解過程中，鋁廢料以固態精煉。為確保鋁屑保持固態，熔鹽電解質的熔點必須低于鋁合金，典型的 Al-Si-Cu 基鋁合金的熔點約為 580°C。此外，熔鹽電解質還應具有其他特點，如高電導率、寬電化學勢窗口、易于操作和低成本。堿金屬氯化物、堿土金屬氯化物或它們的混合物是用于固態電解的極有前途的電解質，特別是因為它們具有寬的電化學電位窗口和相對較低的成本?？紤]到上述要求，兩種不同的電解質，熔融 MgCl₂-NaCl-KCl（47.1 mol% MgCl₂-30.2mol% NaCl-22.7 mol% KCl：385°C）和 LiCl-KCl（58.6 mol% LiCl-41.4 mol% KCl：353 °C）被應用到本工作的固態電解工藝中，為了避免揮發性問題，兩者都添加了 5mol% AlF₃ 而不是 AlCl₃。

在固態電解工藝中，陽極是鋁鑄件和壓鑄合金廢料。在電解過程中，鋁以鋁離子的形式從陽極溶解出來，精煉的鋁以陰極沉積的形式被收集起來。電化學反應如下所示：

陽極反應：Al = Al³⁺ + 3e^-

陰極反應：Al³⁺ + 3e^- = Al

總反應：Al = Al

圖 2顯示了鋁的電化學溶解行為和鋁合金中典型的合金元素。由于硅、銅、鋅、錳和鐵的溶解電位高于鋁，鋁優先溶解，而這些元素以陽極泥的形式分離。 然后將溶解的鋁沉積在陰極上以進行收集和回收。溶解的鎂不會沉積在陰極上，因為它的電位低于鋁的電位。在 200 mA?cm^-2 的恒定電流密度下，鋁鑄造合金 (AC2A) 電化學溶解前后的循環伏安曲線中有較大的電流并且只對應了鋁的電化學反應，證實電解后只有Al³⁺溶解。

電解實驗在 500°C 下使用熔融的 MgCl₂-NaCl-KCl-5 mol% AlF₃ 和 LiCl-KCl-5 mol% AlF₃ 進行。在這個實驗中，典型的鑄造合金（AC2A）和最常見的壓鑄合金（AD）都被用作陽極。AC2A 合金在熔融 MgCl₂-NaCl-KCl-5mol%AlF₃ 中的電解結果如圖 3 所示。電解時間為 2 小時，電流密度為 100 mA?cm^-2。電解后，AC2A鑄造合金陽極（圖3（a））表面變成黑色的陽極泥（圖3（b）），而在陰極上沉積了餅狀鋁（圖3（c））。電解后陽極橫截面的掃描電子顯微鏡圖像（圖 3（d））顯示了電解過程中鋁溶解后陽極泥層的多孔結構。XRD 結果表明，典型的合金元素在陽極泥中以 Si 和 Al₂Cu 的形式從初始鑄鋁合金中分離出來（圖 3（e））。根據ICP-AES的結果，在陰極沉積的鋁的純度為99.9％，并且在陽極泥中富集了硅、銅和鐵。根據陽極泥中的鋁渣量和沉積在陰極上的鋁渣量，計算出初始鋁合金中 95% 的鋁沉積在陰極上。初始 AC2A 鑄鋁合金（圖 3（g））和陽極泥（圖 3（h））的 EPMA元素分析進一步表明鋁基體相消失，留下富Si相和Al-Cu-Fe相作為陽極泥層的主要成分。通過硅與Al-Cu-Fe相之間的密度或熔點差異分離硅后，剩余在陽極泥層中的鋁可以被回收到鋁廢料的鑄造過程中，用于生產新的陽極?；谑褂霉虘B電解工藝在 LiCl-KCl 5mol% AlF₃ 中電解 AC2A 和 AD12 的結果，證實合金元素也被有效去除，證明了這種方法的有效性。

圖3. AC2A鑄造合金在熔融MgCl₂-NaCl-KCl-5mol%AlF₃中的電解結果

亮點二：維護少，能耗低

本工作提出的固態電解工藝的另一個好處是它需要的維護非常少。這可以通過考慮鋁合金廢料中所含鎂的去向來理解。盡管合金中幾乎所有的鎂在固態電解工藝過程中都溶解了，但由于鎂的沉積電位遠低于鋁，因此不會在陰極上發生鎂沉積。因此電解液中Mg²⁺（MgCl₂）的含量在長期電解后將緩慢增加。雖然增加的 Mg²⁺ (MgCl₂) 不會影響鋁廢料的精煉，但它會改變電解液的熔點。例如，在 500°C 的溫度下，共晶 MgCl₂-NaCl-KCl 電解質（MgCl₂ 含量為 47.1 mol%）中 MgCl₂ 的含量可能會增加到 58 mol%，即 280 kg MgCl₂ 用于 1 噸電解質。由于經過固態電解工藝進行提煉的鋁鑄件或壓鑄合金通常具有較低的 Mg 含量（<0.3%），因此使用 1 噸電解液可以電解超過 24 噸鋁合金。也就是說，一個 10 kA 的電解槽需要連續運行將近一年才能在電解液中積累 280 kg 的 MgCl₂。估計在大約一年的時間后，才需要進行維護。

固態電解工藝的另一個優點是其能耗估計不到原鋁生產工藝的一半。參考Hall-Héroult工藝的實際電池電壓，估計工業固態電解工藝的實際電池電壓約為2.22 V（1.94~2.80 V）。整個固態電解過程的總能量需求，包括廢料的熔化、將其澆鑄到電極中以及在固態電解過程后將沉積的鋁重熔成錠，估計為 65.4 (58.4~79.9) MJ?(kg-Al)^-1。電解槽的垂直對稱設計、較低的理論電解電壓（在 0V 左右）、較低的電解溫度（500°C）和電解質的高電導率都有助于降低能耗。

基于熔鹽電解原理，所提出的固態電解工藝具有巨大的工業應用潛力。工業熔鹽電解目前運行規模不一，從鈦電解精煉和稀土元素電解的5-10 kA，到鎂電解和鋁三層電解的100-200 kA，甚至高達600 kA原鋁電解。熔鹽電解在工業上的成功應用為固態電解工藝的規模化和工業化應用提供了指導。這項研究的結果證明了固態電解的技術優勢，包括其去除雜質的能力和低能耗?？紤]到未來鋁業可能出現的各種挑戰，所提出的固態電解工藝所代表的技術為實現真正的可持續鋁業鋪平了道路，并成為在行業層面實現真正可持續發展的典范。

在本工作中，研究者提出了一種全新的固態電解工藝技術對鋁金屬進行提純，可以達到提升冶煉鋁的品位的目的，同時這種工藝具有高效率，低能耗等優點，向大量生產高品位鋁金屬邁出了關鍵的一步。

參考文獻：

Xin Lu et al. A solid-state electrolysis process for upcycling aluminium scrap. Nature. 2022.

DOI: 10.1038/s41586-022-04748-4

https:// doi.org/10.1038/s41586-022-04748-4