基于MKN熔盐体系可溶阳极电解法从废铝合金中可持续回收高纯铝的阴极沉积机制研究

针对废铝合金传统重熔工艺无法去除合金元素导致回收铝品质下降的行业难题，中国研究团队创新性地开发了MgCl2-KCl-NaCl(MKN)熔盐体系可溶阳极电解技术。通过实时监测电解过程、阴极沉积物表征及电化学分析，揭示了Mg2+欠电位沉积→Al3+/Mg2+共沉积→Al3+选择性还原的三阶段机制，优化参数下获得纯度99.84wt%的再生铝，为铝工业可持续发展提供了高效解决方案。

　　

在全球碳中和背景下，铝工业正面临严峻的减排压力——每吨原铝生产排放的CO₂是钢铁的6倍，消耗全球10%的工业用电。尽管废铝回收能降低95%的碳排放，但传统重熔工艺导致合金元素累积，使再生铝只能用于低端铸件。更棘手的是，预计到2030年全球将积压540万吨废铝合金，现有技术难以实现高值化回收。

针对这一重大挑战，东北大学（根据第一作者单位Gr?nges Aluminum Co., Ltd.位于上海推断）的研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表突破性成果。他们开创性地采用MgCl₂-KCl-NaCl(MKN)三元熔盐体系，通过可溶阳极电解技术直接从废铝合金中提取高纯铝。与常规AlCl₃体系相比，该技术不仅解决了低温电解中铝粉易氧化脱落的问题，还通过500°C高温操作获得致密铝沉积层。

研究团队运用循环伏安法、计时电位法等电化学分析手段，结合SEM-EDS、XRD等表征技术，系统探究了阴极沉积行为。通过热力学计算验证了AlCl₃添加对离子活度的调控作用，并建立三阶段沉积动力学模型。工业级废铝合金样本来自上海格朗吉斯铝业，实验参数经正交设计优化。

【阴极沉积机制】
实时监测发现独特的"三步走"沉积路径：初始阶段（0-30min）Mg²⁺发生欠电位沉积(UPD)，形成纳米镁晶核；中期（30-90min）Al³⁺开始共沉积，形成Mg-Al固溶体；后期（>90min）Al³⁺浓度积累至临界值后实现选择性沉积。这种动态转变源于AlCl₃添加引发的熔盐结构重组，使Al³⁺活度系数提升3.6倍。

【AlCl₃调控效应】
12.5wt% AlCl₃的引入产生双重功效：一方面通过形成[AlCl₄]^-络合物将Al³⁺沉积过电位降低0.28V，另一方面使Mg²⁺析出电位负移0.15V，有效抑制镁共析。这种"促抑并举"的离子调控策略使电流效率提升至89.7%。

【工艺优化】
在500°C、0.15A/cm²条件下，阴极铝纯度达99.84wt%，杂质元素(Mg,Si,Fe)含量均<0.05%。高温操作使沉积铝呈致密块状而非粉末，解决了低温柔性电解中产物回收率低(仅72-85%)的痛点。

该研究突破了废铝合金高值化回收的技术瓶颈，相比传统重熔工艺，新工艺使再生铝达到原铝标准，可重新用于航空航天等高端领域。MKN体系的高温稳定性更利于工业化放大，单吨铝能耗较Hall-Héroult工艺降低76%。这项技术为铝工业实现"双碳"目标提供了关键技术支撑，预计到2040年可帮助消纳870万吨废铝积压，创造千亿级循环经济价值。