高纯铝制取(preparation of high purity aluminium)

进一步脱除精铝中的杂质，产出高纯铝的一种铝精炼方法。用作制取高纯铝原料的精铝纯度一般在99.99％左右，高纯铝通常指纯度在99.999％以上的金属铝。高纯铝需控制的杂质元素因用途而异，一般有硅、铁、铜、铅、锌、镓、钛、镉、银和铟等。高纯铝经区域熔炼，或有机溶液电解与区域熔炼相结合的方法精炼所得的纯度高于99.9995％的铝，被称为超纯铝。

高纯铝大部分制成铝箔后，用于制造电解电容器。其他用途中有用作电解电容器引线、集成电路用导线、真空蒸发材料、喷涂材料等。还可用作超导体的稳定导体、计算机外部记忆装置材料及磁盘合金的基体金属等。

通常主要采用电化学提纯方法和物理提纯方法。前者有有机溶液电解法，后者有定向凝固法、单晶法和区域熔炼法。

有机溶液电解法   铝的电位比氢更负，不能采用电解含铝水溶液的方法制取或精炼铝，而只能用熔盐电解的方法。熔盐电解过程一般在高于铝熔点的条件下进行，在高温电解条件下，一些杂质也会进入阴极铝中，难以获得纯度在99.999％或更高的高纯铝。有机溶液电解法则可以在低的电解温度下进行，可避免杂质进入阴极铝中，而能获得高纯铝。

齐格勒(Ziegler)等人电解氟化钠与三乙基铝的配合物[NaF•2A1(C₂H₅)₃]，在铅阳极上得到Pb(C₂H₅)₄：

12(C₂H₅^-)+3Pb=12e+3Pb(C₂H₅)₄

在铝阴极上得到纯度为99.999％的高纯铝：

4Al(C₂H₅)₄+12e=4Al+12(C₂H₅^-)

电解的电流效率为98％～99％，电压在1v以下，每公斤铝的电能消耗率仅为2～3kW•h。副产物Pb(C₂H₅)₄可用作防爆剂。

汉尼巴尔(Hannibal)等人研究了三乙基铝有机溶液电解过程。他们把NaF•2Al(C₂H₅)₃配合物溶解在甲苯(CH₃C₆H₅)中，配合物含量为50％，电解温度373K，槽电压1.0～1.5V，电流密度0.3～0.5A/dm²，极间距2～3cm，采用铝阴极，铝从阳极上溶解，在阴极上析出高纯铝，阴极电流效率接近100％。用99.99％纯度的精铝作阳极进行有机溶液电解时，可得到纯度在99.9995％以上的超纯铝。

物理提纯法   主要有定向凝固法、单晶法和区域熔炼法，它们是利用杂质在主成分固液两相中的分凝效应进行提纯的方法。若将含杂质金属熔化后再凝固，当固液两相处于平衡状态时，其所含杂质量是不同的。继续使金属液慢慢凝固，则在金属固体中先后凝固的各部分中杂质含量也不同。这种现象称为分凝效应。杂质元素在处于平衡状态下的固液两相中浓度之比称为平衡分配系数，或平衡分凝系数，通常以K。表示。

式中c。为杂质在固相中的浓度，C₁为杂质在液相中的浓度。

K。<1，杂质元素趋向于聚集在开始凝固端；K。>1，杂质元素趋向于聚集在最终凝固端；K。=0，杂质元素均匀分布于固液相中，而难于分离。将聚集杂质的凝固端切除，即可得到纯金属。

在金属实际熔化、凝固过程中，由于受凝固的速率，即凝固过程中的固液相界面的前进速率和杂质在液体中混合程度的影响，实际的分配系数K往往偏离于K。。称实际的分配系数K为有效分配系数。铝中一些杂质元素的K。列举于表。O.O3

定向凝固法又称正常凝固法。把欲提纯的铝放在容器内全部熔化后，在稳定的温度下，从溶液中一端缓慢地向另一端冷凝，然后将凝固的鼠体纯端切下，再加以熔化和凝固，达到所要求纯度为止。定向凝固生产量大，广泛用于铝的提纯。

单晶法是用高纯铝籽晶或自生籽晶作为引晶，以一定的旋转速度以铝熔体中缓慢平稳地拉制出单晶的提纯方法。由于单晶可消除晶粒间界(晶粒间界处杂质较为富集)，因而比定向凝固法具有更好的提纯效果。

区域熔炼法是使原料一部分在一定时间内熔化，这一熔区在一定的前进速率下移动，产生凝固与熔化作用的两个界面，杂质在固液相中产生分凝效应而起提纯作用。分离杂质的程度随着熔区通过全部原料的次数的增加而提高。区域熔炼提纯效果较定向凝固法好。

铝区域熔炼是把盛有条状铝锭的高纯氧化铝舟置于石英管内，在惰性气氛中用感应加热铝锭形成熔区进行熔炼提纯，可保持较狭的熔区和减少来自高温加热装置对产品的污染。纯度99.99％的铝，在0.5cm/h熔区移动速度下，经过三次区熔后，纯度可达99.998％以上。为了防止容器污染产品，亦可采用磁悬浮法，因为铝是表面张力与密度有高比率的材料。

高纯铝中的纯度可用它在室温(298K)的电阻率与在氦液化温度(4.2K)的电阻率之比ρ_298K/ρ_4.2K来表征。