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一、研究背景

与铁和铜一样，铝是社会上广泛使用的三种主要贱金属之一。除了使用熔融电解法从铝土矿生产的原铝外，估计世界铝循环中52%的铝合金锭是再生铝合金锭。尽管铝是一种非常容易回收的金属，但在当前使用重熔的回收过程中，铝不可避免地被降级。这是因为提炼消费后的铝废料很困难。迄今为止，铝回收的成功依赖于对降级铝的强劲需求。在工业上，铝通常与硅、铜、镁和其他元素形成合金。铝合金基本上分为两类:锻造合金通常含有大约5%的合金元素，而铸造合金含有6-27%，比锻造合金的范围要宽得多。铝的活性化学性质使得从重熔铝屑中去除合金元素几乎是不可能的。因此，随着连续几轮回收，合金元素的积累是不可避免的，这意味着回收的铝不符合锻造合金所需的严格成分规格。这种降级再生铝的最终归宿是铸造铝合金。由于铝铸造合金广泛用于生产内燃机车(ICEVs)的发动机缸体和变速箱，汽车行业在全球铝铸造合金市场占据主导地位，份额为52.2%。在可预见的未来，目前的铝回收系统不会突然崩溃。然而，随着内燃机车向电动汽车的转变，内燃机车对发动机缸体和其他铝铸件的需求预计会下降。这将导致铝循环的不平衡和二次铝过剩。这种铝将成为“死金属”。在图1所示的年情景中，预测除非开发和实施创新的铝回收技术，否则万吨再生铝将成为“死金属”。对高等级铝需求的增加，以及将铝降级为需求不断减少的材料的回收体系，这两者的综合效应是不可持续的。在最近一次关于材料循环的讨论中，有研究者提出了基于炼油技术局限性的挑战。虽然对回收系统的缺点提出了宝贵的见解，但讨论仅限于目前使用的冶金工艺。无可争议的是，如果目前的体系继续发展下去，铝危机的风险确实存在。然而，随着创新的废料精炼技术的引入，预计铝流量将发生巨大变化。使用传统的真空蒸馏工艺或氧化物基或氯化物基熔剂处理，无法从铝中选择性去除典型的合金元素。目前只有两种工业化技术能够提炼铝:一种是被称为胡普斯法的三层电解法，另一种是分离法。这两种工艺都用于原铝的选择性提质。在前一种情况下，液态铝铜合金(阳极)、熔盐(电解质)和液态纯铝(阴极)自下而上形成比重不同的三层液态结构。使用这种方法，纯度为99.5%的铝可以提纯到99.99%，但是由于铝和硅的密度相似，硅与铝一起向上移动，没有被去除。偏析法利用合金元素在固态和液态铝中溶解度的差异。在获得高纯度铝之前，这一过程需要反复熔化和极其缓慢的冷却步骤。当铸造合金加入到这一过程中时，由于高含量的浓缩合金元素，大部分的铝是不能使用的。由于这些限制，这两种方法不适合精炼废铝。为了开发提炼废铝的新技术，已经进行了多次实验室规模的尝试。Schwartz在年提出的用于净化熔融铝合金的电解池使用了一种特殊的隔膜，但是尽管多年来一直在努力寻找一种能够承受工业生产的隔膜，仍然没有突破。最近，两种离子液体和富含AlCl3的盐已经在大约℃的低温电解过程中用于精炼铝。虽然有希望，但因为离子液体的电导率比熔融盐的电导率低两个数量级以上，所以在电解过程中大量的能量损失在焦耳加热上。工业应用的另一个障碍是离子液体的极高成本。此外，富含AlCl3的盐的高挥发性使得它们不适合用于废铝的连续电解。

二、研究成果

如今，利用重熔技术回收铝废料会降低铝的质量，这种降级回收铝的最终用途是铸造铝合金。随着消费者选择电池供电的电动汽车而非内燃机汽车，预计对高等级铝的需求将会增加，同时对低等级再生铝的需求将会下降，这种铝主要用于生产内燃机。为了满足未来对高级铝的需求，需要一种新的铝回收方法，能够将废料提升到与原铝相似的水平。今日，北京科技大学朱鸿民教授课题组等人提出了一种固态电解(SSE)工艺，使用熔融盐回收废铝。SSE从铸造铝合金中生产出纯度与原铝相当的铝。此外，工业SSE的能耗估计不到原铝生产过程的一半。通过有效地回收铝废料，有可能持续满足我们对高等级铝的需求。通过使用这种高效、低能耗的工艺，可以预见铝循环的真正可持续性。相关研究工作以“Asolid-stateelectrolysisprocessforupcyclingaluminiumscrap”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。祝贺北京科技大学！

三、图文速递

图1.年和年全球铝循环图2.提出的固态电解(SSE)工艺的示意图和电化学原理为了通过升级废铝来实现铝的真正可持续性，作者开发了一种新的固态电解(SSE)工艺，使用熔盐作为电解质。图2(a)中提供了所提出的电解槽的示意图。在SSE工艺中，废铝是在固态下精炼的。为了确保废铝保持固态，熔盐电解质的熔点必须低于铝合金，典型的Al-Si-Cu基铸造铝合金的熔点约为°C。此外，熔盐电解质应该带来其他优点，例如高电导率、宽电化学电势窗口、容易操作和低成本。碱金属氯化物、碱土金属氯化物或它们的混合物是用于SSE的有希望的电解质，特别是因为它们的宽电化学电势窗口和相对低的成本。考虑到上述要求，在本研究中研究了两种不同的电解质，熔融氯化镁-氯化钠-KCl(47.1mol%氯化镁-30.2mol%氯化钠-22.7mol%KCl:℃)和氯化锂-KCl(58.6mol%氯化锂-41.4mol%KCl:℃)，这两种电解质都加入了5mol%三氟化铝代替三氯化铝以避免挥发性问题。图3.AC2A铸造合金在熔融MgCl2-NaCl-KCl-5mol%AlF3中的电解结果图4.SSE工艺与其他工业铝工艺的比较使用SSE工艺，废铝可以升级为纯度和质量与原铝相当的铝。在图1所示的年情景中，SSE工艺的使用将有效防止“死金属”的产生，并且铝回路可以在数量和质量都有保证的情况下闭合。此外，通过使用通过SSE工艺升级的铝，与生产相同数量的原铝相关的碳排放将显著减少。

四、结论与展望

基于熔盐电解的原理，所提出的SSE工艺具有很大的工业应用潜力。工业熔盐电解目前在各种规模下运行，从钛电解精炼和稀土元素电解的5-10kA，到镁电解和铝三层电解的-kA，甚至高达原铝电解的kA。熔盐电解在工业上的成功应用对SSE工艺的放大和工业应用起到了指导作用。这项研究的发现证明了SSE的技术优势，包括其去除杂质的能力和低能耗，而其他因素，如资本和运营成本，是正在进行研究的重要课题。考虑到未来铝行业可能出现的各种挑战，本文提出的SSE工艺所代表的技术为真正的可持续铝行业铺平了道路，并成为在行业层面实现真正可持续发展的典范。

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