基于MKN熔盐体系可溶阳极电解的废铝合金高效提纯技术与机理研究

针对废铝合金传统重熔工艺无法去除合金元素导致降级回收的行业难题，上海Gr?nges Aluminum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、阴极沉积机理三阶段解析及AlCl3关键调控，实现纯度99.84 wt%再生铝的制备，为铝工业碳减排提供颠覆性解决方案。

　　

在全球碳中和背景下，铝工业正面临前所未有的环保压力——每吨原铝生产排放的二氧化碳是钢铁的6倍，消耗全球近10%的工业用电。更棘手的是，随着光伏等清洁能源设备报废潮来临，预计到2040年废铝合金累积量将达870万吨。传统重熔工艺虽能回收铝，但无法去除铜、硅等合金元素，导致材料性能逐代劣化，最终只能降级用于低端铸件，形成"回收即贬值"的恶性循环。

上海Gr?nges Aluminum有限公司的研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表突破性成果，开发出基于MgCl₂-KCl-NaCl(MKN)三元熔盐体系的可溶阳极电解新工艺。这项研究通过引入12.5 wt% AlCl₃作为关键调控剂，在500°C、0.15 A/cm²条件下，成功将废铝合金提纯至99.84 wt%，纯度媲美原铝。研究人员采用循环伏安法(CV)和计时电位法实时监测电解过程，结合扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)追踪阴极沉积演变，首次揭示出三阶段沉积机制：镁离子(Mg²⁺)的欠电位沉积(UPD)→Mg²⁺与铝离子(Al³⁺)共沉积→Al³⁺选择性还原。

【材料与方法】
研究选用工业废铝合金为阳极，在自主设计的MKN熔盐电解槽中，通过控制AlCl₃添加量调节离子活度，采用电化学工作站监测电极过程，结合能谱(EDS)分析沉积物成分演变，系统优化温度、电流密度等参数。

【热力学分析】
通过能斯特方程计算得出，Al³⁺/Al(-1.68V)与Mg²⁺/Mg(-2.37V)的理论分解电压差达0.69V，为选择性电解提供理论基础。实验证实AlCl₃添加可使实际沉积电位差扩大至0.82V，显著抑制Mg共沉积。

【阴极沉积机制】
1-2小时：阴极表面形成Mg纳米晶层(UPD效应)；
2-4小时：Al³⁺开始共沉积，形成Mg-Al固溶体；
4小时后：Al³⁺独占性还原，获得致密铝镀层。

【工艺优化】
电流效率提升关键：12.5 wt% AlCl₃使Al³⁺迁移数增至0.83，同时将Mg²⁺活度系数降至0.12。500°C时熔盐粘度最优(2.1 cP)，铝沉积速率达8.7 mg/cm²·h。

这项研究颠覆了传统废铝回收范式，其意义不仅在于创造95%的节能效益（相较原铝生产），更突破性地实现"废铝→高纯铝"的闭环升级。MKN体系特有的高温稳定性(>400°C)从根本上解决了低温AlCl₃熔盐的粉末氧化难题，沉积铝可直接轧制成材。正如作者指出，该技术若推广至全球10%的废铝处理，年减排量将达2200万吨CO₂，相当于再造1.4个塞罕坝林场。这项成果为铝工业实现国际铝协2050减排目标提供了最具可行性的技术路径。