Физико-химические аспекты технологии получения криолита, используемого для производства алюминия, гидрохимическим способом с использованием поваренной соли

   Цель – изучение физико-химических параметров технологии производства криолита, используемого при электролизе криолит-глиноземных расплавов, гидрохимическим способом с применением производимой плавиковой кислоты и местного минерального сырья – хлорида натрия. Употреблены титриметрический и рентгеноструктурный (с использованием модернизированной установки Дрон-2) методы анализа с целью определения химического элементного и фазового составов исходного, промежуточного и конечного продуктов. Проведенные исследования показали, что процесс получения криолита предлагаемым способом из плавиковой кислоты 28–30 % концентрации с использованием гидроксида алюминия и концентрированного раствора хлорида натрия протекает при температуре 25 °C в течение 10–15 мин. При этом выход криолита достигает 87,6 %, а ~ 12 % криолита остается в растворе соляной кислоты в растворенном виде. Показано, что с повышением температуры в интервале от 25 °С до 95 °С наблюдается снижение выхода криолита с 87,6 % до 69,3 %, связанное с повышением его растворимости в образующейся соляной кислоте. Достоверность протекания процесса получения криолита с применением поваренной соли подтверждена результатами рентгенофазового анализа. Установлено, что анализируемая проба соответствует эталону криолита, свидетельствуя о взаимодействии хлорида натрия и фторалюминиевой кислоты. На основе проведенных исследований была разработана принципиальная технологическая схема производства криолита гидрохимическим способом с применением плавиковой кислоты, гидроксида алюминия и поваренной соли. В результате проведенных исследований установлено, что технология получения криолита с применением поваренной соли проста в осуществлении и экономически эффективна за счет использования местного минерального сырья и малой энергозатратности производства.

1. Altenpohl D. G. Aluminum: technology, applications and environment. A profile of a modern metal aluminum from within. 6th Edition. Tukwila: Wiley-TMS, 1998. 488 p.

2. Grjotheim K., Kvande H. Introduction to aluminium electrolysis. Dusseldorf: Aluminium Verlag, 1993. 260 р.

3. Thonstad J., Fellner P., Haarberg G. M., Hives J., Kvande H., Sterten A. Aluminium electrolysis - fundamentals of Hall-Heroult process. 3rd edition. Düsseldorf: Aluminium-Verlag, 2001. 372 p.

4. Минцис М. Я. Электрометаллургия алюминия: монография / М. Я. Минцис, П. В. Поляков, Г. А. Сиразутдинов. – Новосибирск: Наука, 2001. – 368 с.

5. Haupin W. E. Electrochemistry of the Hall-Heroult process for aluminum smelting // Journal of Chemical Education1983. Vol. 60. Iss. 4. P. 279–282. https://doi.org/10.1021/ed060p279.

6. Gunasegaram D. R., Molenaar D. Towards improved energy efficiency in the electrical connections of Hall–Héroult cells through finite element analysis (FEA) modeling // Journal of Cleaner Production. 2015. Vol. 93. P. 174–192. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.01.065.

7. Polyakov P. V., Klyuchantsev A. B., Yasinskiy A. S., Popov Y. N. Conception of «Dream Cell» in aluminium electrolysis // Light Metals / eds. E. Williams. Cham: Springer, 2016. Р. 283–288. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-48251-4_47

8. Asadikiya M., Yang Songge, Zhang Yifan, Lemay C., Apelian D., Zhong Yu. A review of the design of high-entropy aluminum alloys: a pathway for novel Al alloys // Journal of Materials Science. 2021. Vol. 56. P. 12093–12110. https://doi.org/10.1007/s10853-021-06042-6.

9. Тютрин А. А. Изучение влияния параметров процесса электролиза на основные технико-экономические показатели работы ванн ОА-300М / А. А. Тютрин, Н. В. Немчинова, А. А. Володькина // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2020. – Т. 24. – № 4. – С. 906–918. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-4-906-918.

10. Korenko M., Priščák J., Šimko F. Electrical conductivity of system based on Na₃AlF₆–SiO₂ melt // Chemical Papers. 2013. Vol. 67. No. 10. P. 1350–1354. https://doi.org/10.2478/s11696-013-0393-x.

11. Khokhlov V. A. On the classification of molten salt electrolytes // Russian Metallurgy (Metally). 2010. Р. 96–104. https://doi.org/10.1134/S0036029510020047.

12. Tarcy G. P., Tørklep K. Current efficiency in prebake and Søderberg cells // Essential Readings in Light Metals: Aluminum Reduction Technology / eds. G. Bearne, M. Dupuis, G. Tarcy. Vol. 2. Cham: Springer, 2013. P. 211–216. https://doi.org/10.1002/9781118647851.ch30.

13. Khramov A. P., Shurov N. I. Modern views on the composition of anionic oxy-fluoride complexes of aluminium and their rearrangement during the electrolysis of cryolite-alumina melts // Russian Metallurgy (Metally). 2014. Vol. 2014. Р. 581–592. https://doi.org/10.1134/S0036029514080059.

14. Kirik S. D., Zaitseva Yu. N., Leshok D. Yu., Samoilo A. S., Dubinin P. S., Yakimov I. S., et al. NaF-KF-AlF3 system: phase transition in K₂NaAl₃F₁₂ ternary fluoride // Inorganic Chemistry. 2015. Vol. 54. No. 12. Р. 5960–5969. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.5b00772.

15. Samoilo A. S., Zaitseva Yu. N., Dubinin P. S., Piksina O. E., Ruzhnikov S. G., Yakimov I. S., et al. Structural aspects of the formation of solid solutions in the NaF-KF-AlF₃ system // Journal of Solid State Chemistry. 2017. Vol. 252. P. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2017.04.037.

16. Padamata S. K., Yasinskiy A. S., Polyakov P. V. Progress of inert anodes in aluminium industry: review // Journal Siberian Federal University. Chemistry. 2018. Vol. 11. No. 1. P. 18–30. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0055.

17. Wang Jun-qing, Li Chang-lin, Chai Deng-peng, Zhou Yun-feng, Fang Bin, Li Qiang. Relationship between aluminium electrolysis current efficiency and operating condition in electrolyte containing high concentration of Li and K // Light metals / eds. O. Martin. Cham: Springer, 2018. P. 621–626. https://doi.org/10.1007/978-3-319-72284-9_80.

18. Korenko M., Vaskova Z., Šimko F., Šimurda M., Ambrova M., Shi Zhong-ning. Electrical conductivity and viscosity of cryolite electrolytes for solar grade silicon (Si-SoG) electrowinning // Transactions Nonferrous Metals Society China. 2014. Vol. 24. Iss. 12. P. 3944−3948. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(14)63554-8.

19. Васюнина Н. В. Растворимость алюминия в криолитоглиноземных электролитах / Н. В. Васюнина [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2011. – Т. 52. – № 4. – C. 360−363.

20. Васюнина Н. В. Растворимость и скорость растворения глинозема в кислых криолитоглиноземных расплавах / Н. В. Васюнина [и др.] // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. – 2009. – Т. 50. – № 4. – C. 338–342.

21. Позин М. Е. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот): монография. Ч. 2 / М. Е. Позин. – 4-е изд., испр. – Л.: Изд-во «Химия», 1974. – 768 с.

22. Гузь С. Ю. Производство криолита, фтористого алюминия и фтористого натрия / С. Ю. Гузь, Р. Г. Барановская. – М.: Металлургия, 1964. – 238 с.

23. Wan Bingbing, Li Wenfang, Sun Wanting, Liu Fang-fang, Chen Bin, Xu Shiyao, et al. Synthesis of cryolite (Na₃AlF₆) from secondary aluminum dross generated in the aluminum recycling process // Materials. 2020. Vol. 13. Iss. 17. Р. 3871. https://doi.org/10.3390/ma13173871.

24. Wang Liangshi, Wang Chunmei, Yu Ying, Huang Xiaowei, Long Zhiqi, Hou Yongke, et al. Recovery of fluorine from bastnasite as synthetic cryolite by-product // Journal of Hazardous Materials. 2012. Vol. 209-210. Р. 77–83. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2011.12.069.

25. Chen Jie-Yuan, Lin Chih-Wei, Lin Po-Han, Li Chi-Wang, Liang Yang-Min, Liu Jhy-Chern, et al. Fluoride recovery from spent fluoride etching solution through crystallization of Na₃AlF₆ (synthetic cryolite) // Separation and Purification Technology. 2014. Vol. 137. Р. 53–58. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2014.09.019.

26. Саттаров И. Национальное достояние Таджикистана. К 45-летию Таджикской алюминиевой компании / И. Саттаров. – 2020. [Электронный ресурс]. URL: https://asiaplustj.info/ru/news/tajikistan/society/20200331/natsionalnoe-dostoyanie-tadzhikistana-k-45-letiyu-tadzhikskoi-alyuminievoi-kompanii (23. 09. 2021).