Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Алюминий является одним из самых распространенных и широко используемых металлов в мире. Важность очистки алюминия от металлических и неметаллических включений возрастает в связи со следующими фактами: 1. Многие промышленные отходы, которые наносят серьезный вред окружающей среде, содержат большое количество Al2O3, SiO2 и Fe2O3 и привлекают внимание многих исследователей, работающих над методами их утилизации. Сплав Al-Si или сплав Al-Si-Fe можно получить путем карботермического восстановления из таких отходов и затем подвергнуть экстракции алюминия. 2. Первичный алюминий производится в электролизерах Эру-Холла, где происходит разложение оксида алюминия, растворенного в расплаве на основе криолита: Al2O3(раств.)+C=Al(ж)+CO2(г)+CO(г) Углерод, участвующий в процессе, является причиной значительного количества парниковых газов (CO2, CO, COF2, CF4, C2F6), поступающих в атмосферу, и генерации энтропии. Хорошо известно, что введение безуглеродного анода устраняет основные экологические проблемы, но приводит к снижению чистоты алюминия из-за загрязнения продуктами коррозии в соответствии с реакцией: Al2O3(раств.)+xMeO(раств.)=AlMex+(3/2+x)O2(г) Различные методы были предложены для замедления переноса продуктов коррозии в алюминий, однако крайне желателен недорогой экологически чистый процесс очистки алюминия. 3. Отработанные катализаторы, содержащие металлы платиновой группы (МПГ) и другие ценные элементы, были в центре внимания исследователей, пытающихся найти эффективный способ их извлечения. В недавно предложенной технологии [14] жидкий алюминий используется для сбора МПГ, в то время как носитель катализатора γ-Al2O3 растворяется в расплаве фторидов и электрохимически разлагается. Извлечение чистого алюминия из сплава Al-МПГ сделало бы гораздо более ценный продукт. Эта работа представляет собой поиск малоотходного и низкоэнергетического подхода к очистке и извлечению Al из лома в тонком слое многопористой электрохимической системы с расплавленной солью. Расстояние между двумя жидкими электродами, один из которых представляет собой алюминиевый сплав, а другой - чистый алюминий, может быть уменьшено, чтобы резко снизить омическое падение напряжения и увеличить скорости реакции из-за перекрывающихся диффузионных слоев. Это может быть достигнуто за счет введения устойчивой к коррозии и нагреванию ткани на основе, по-видимому, углеродного или керамического волокна, смачиваемого электролитом и действующего в качестве барьера между двумя алюминиевыми электродами. Новая конструкция однопористой ячейки (SPC) с квазиопорным электродом (qRE) на подложке TiB2 в тигле BN была предложена для изучения кинетики восстановления и растворения алюминия в узком канале с целью прогнозирования и объяснения поведения тонких частиц. пленочная многослойная электрохимическая система в условиях массопереноса и электродных процессов в порах. Важными задачами, рассматриваемыми в этой статье, являются определение приемлемой толщины слоя, температуры, доступных плотностей тока и предпочтительного состава расплавленной соли. Основные результаты этой работы: 1. Перспективным решением представляется новый подход к очистке жидких металлов с помощью тонкослойной пористой электрохимической системы на основе расплавов галогенидов; 2. Метод электролиза в одной поре может быть использован для кинетических исследований и других электрохимических приложений; 3. Подложка для квази-электрода сравнения на основе TiB2 является более предпочтительной, чем W-подложка; 4. Использование расплавов хлоридов для восстановления и окисления алюминия является более предпочтительным, чем использование фторидных смесей из-за гораздо большего окна электродных потенциалов, более высоких видимых предельных плотностей тока и коэффициентов диффузии и более низкого перенапряжения из-за доминирования диффузионной кинетики; 5. Анодное растворение алюминия в NaCl-KCl-AlF3 может происходить в области кинетических ограничений со стороны химической реакции. Плотность обменного тока составляла 105 мА см-2, а порядок реакции – 0,34; 6. Энергия активации восстановления щелочного металла в том же расплаве составляет 94,762 кДж/моль. Предпочтительная температура для очистки жидкого металла составляет 800 ° С. 7. Катодный процесс в расплаве KF-AlF3 имеет смешанную кинетику. Он обладает удивительно низкими кажущимися предельными плотностями тока (0,2 А см-2 при 800 °C и CR = 1,1) и кинетическими ограничениями со стороны химической реакции при более высоких CR (с плотностью обменного тока 50 мА см-2 и порядком реакции 0,08 при CR = 1.5). Это может происходить из-за совместного осаждения Al и K с выделением твердого криолита; 8. Состав расплава играет решающую роль в эффективности очистки. Оптимальное значение CR для расплава KF-AlF3 составляет 1,2. Это позволяет работать при плотности тока не выше 0,4 А см-2 при толщине тонкослойной системы менее 60 мкм. Предпочтительная концентрация расплава AlF3 в композиции NaCl-KCl-AlF3 составляет 10%. Это позволяет работать при 1,4 А см-2 при толщине 22 мкм и ниже. Стоит отметить, что тонкослойные ячейки также можно применять для очистки металлов, отличных от Al (Mg, Ce, Ca и др.), а также в высокотемпературных жидкометаллических гальванических элементах. Эти приложения могут стать предметом дальнейшей работы.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Алюминий - один из наиболее часто используемых металлов. Проблемы переработки и переработки алюминия с каждым годом привлекают все больше внимания по многим причинам. Промышленные отходы, которые в последнее время причинили серьезный вред окружающей среде, включают огромное количество Al2O3, SiO2 и Fe2O3, которые могут быть преобразованы в сплавы Al – Si или Al – Si – Fe путем карботермического восстановления, а затем извлечение алюминия может быть выполнено. В электролизере Эру-Холла присутствие углерода вызывает выделение значительного количества парниковых газов (CO2, CO, COF2, CF4, C2F6) в атмосферу и генерирование энтропии. Введение безуглеродистых анодов устраняет основные экологические проблемы, но приводит к снижению чистоты алюминия из-за продуктов коррозии в соответствии с реакцией (1), что делает крайне желательным недорогой экологически безопасный процесс рафинирования алюминия. Al2O3(р)+xMeO(р)=2AlMex/2+(3/2+x)O2(г) (1) В недавно предложенной технологии извлечения металлов платиновой группы (МПГ) из отработанных катализаторов жидкий алюминий используется для сбора МПГ, в то время как носитель, являющийся γ-Al2O3, растворяется во фторидном расплаве и подвергается электрохимическому разложению. Извлечение алюминия из сплава Al – PGM могло бы дать гораздо более ценный продукт. Существует несколько методов извлечения алюминия из сплавов. Их общие недостатки - низкая скорость реакции или низкая чистота алюминия. Электролиз расплавов солей часто считают наиболее перспективным процессом. Расплав NaCl – KCl – AlF3 (или Na3AlF6) с добавкой BaF2 используется при 690–850 °C с межэлектродным расстоянием ~10 см в традиционной трехслойной технологии, которая отличается чрезвычайно высоким расходом электроэнергии. Эта работа является продолжением поиска малоотходного и низкоэнергетического подхода к переработке алюминия в тонкослойной многокапиллярной электрохимической системе с расплавом солей. Расстояние между двумя жидкими электродами (алюминиевый сплав и чистый алюминий) необходимо уменьшить, чтобы снизить омическое падение напряжения и увеличить скорость реакции из-за перекрывающихся диффузионных слоев. Это может быть достигнуто за счет введения коррозионно-стойкой и жаропрочной пористой керамики, пропитанной электролитом и действующей как физический барьер между двумя алюминиевыми электродами. Расплавы NaCl – KCl – AlF3 и LiF – AlF3 были выбраны для исследования на основании их хороших характеристик в предыдущих экспериментах. Расплавы LiF – AlF3 имеют низкую температуру ликвидуса и высокую электропроводность. Расплавы на основе хлоридов также считаются низкотемпературными электролитами, как для процессов восстановления алюминия, так и для процессов рафинирования. В этом этапе исследовалось влияние температуры, состава расплавленных солей и количества капилляров (один или множество) на электрохимическое поведение жидкого Al-электрода. Проведены электрохимические исследования однокапиллярной и многокапиллярной системы с LiF – AlF3 и эквимолярным NaCl – KCl с 10 мас.% AlF3 при 720–850 °C. Представленные результаты призваны продемонстрировать сложность электродного процесса в капилляре и внести вклад в развитие технологии рафинирования алюминия в тонких слоях расплавленных галогенидов. Несколько типов однокапиллярных ячеек уже были представлены в предыдущем отчете. Они были способны получить ценные результаты, но их было довольно сложно произвести. Ранее использовавшаяся однокапиллярная ячейка была улучшена с точки зрения простоты изготовления. На основании ранее полученных данных была спроектирована пилотная многокапиллярная лабораторная ячейка. Тонкослойная переработка и рафинирование алюминия представляется перспективным подходом, позволяющим производить алюминий высокой чистоты с низким удельным энергопотреблением. Основные выводы из результатов однокапиллярного и многокапиллярного электролиза, полученных в отчетном периоде: □ катодный процесс на вертикальном жидком алюминиевом электроде в NaCl – KCl (+10 мас.% AlF3) в капилляре длиной 2,5 мм имеет смешанную кинетику с признаками замедленной диффузии и химической реакции; □ кажущийся коэффициент массопереноса изменяется от (5,6 до 13,1) ∙ 10-3 см/с, что по крайней мере в 10 раз выше, чем обычно наблюдается в традиционных ячейках с расплавом солей; □ зависимость между коэффициентом массопереноса и температурой соответствует поведению аррениусовского типа с энергией активации, равной 60,5 кДж/моль; □ присутствие натрия или калия в электролите приводит к совместному восстановлению названных металлов с алюминием при относительно низких плотностях тока. Для рафинирования разумно поддерживать плотность тока ниже 1 А/см2 или рассмотреть возможность пересмотра электролита (LiF-AlF3 был испытан как многообещающий кандидат); □ гальваностатический электролиз в многокапиллярной ячейке с расплавом 64LiF – 36AlF3 показал, что электрохимическое рафинирование можно проводить при плотности тока 1 А/см2 и выше с общим напряжением около 2,0 В и удельным расходом электроэнергии около 6 –7 кВтч/кг; □ сопротивление колеблется от 0,9 до 1,4 Ом во время электролиза в зависимости от плотности тока. Дальнейшие усилия следует направить на изучение влияния условий электролиза и параметров капилляров на степень извлечения, выход по току и чистоту алюминия. Следует также уменьшить омическое падение напряжения, чтобы электролизер мог работать с удельным энергопотреблением 5 кВтч/кг и ниже. Информация о проекте была опубликована в российских и зарубежных СМИ: 1. http://www.ipgg.sbras.ru/ru/news/uchenye-razrabotali-27112020 2. https://digestroom.ru/Digest/MIX/5406955-novyy-sposob-ochistki-metallov-ot-primesey-pri-pererabotke-loma 3. https://indiaeducationdiary.in/a-new-way-to-remove-impurities-from-metals-during-scrap-metal-recycling/#:~:text=A%20New%20Way%20to%20Remove%20Impurities%20from%20Metals%20During%20Scrap%20Metal%20Recycling,-By%20iednewsdesk%20on&text=Researchers%20of%20Siberian%20Federal%20University,impurities%20at%20lower%20energy%20costs.