由于相對(duì)較高的能源消耗，此外，碳陽(yáng)極消耗的碳足跡，一直在考慮其他鋁制造方法。 Hall-Héroult 工藝在能耗和二氧化碳排放方面也接近理論最小值。 氯化物工藝是這些替代工藝之一。

Hall-Héroult工藝在鋁的生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位，它涉及通過(guò)電解生產(chǎn)鋁； 氧化鋁溶解在冰晶石基 (Na3AlF6) 中，然后在大約 960 °C 下電解還原成鋁。 該過(guò)程使用在電解過(guò)程中消耗并轉(zhuǎn)化為二氧化碳的碳陽(yáng)極。 氧化鋁由鋁土礦通過(guò)拜耳法生產(chǎn)。

盡管制造商不斷提高效率，但該過(guò)程導(dǎo)致電解池的熱量損失相對(duì)較高，以及陽(yáng)極的二氧化碳排放量較高。 拜耳法也有負(fù)面影響，會(huì)產(chǎn)生大量堿性赤泥。

氯化物工藝作為替代方案

氯化物工藝是舊的。第一個(gè)使用氯的是丹麥人 Hans Christian Oersted，他設(shè)法通過(guò)用鉀汞齊分解無(wú)水氯化鋁 (AlCl3) 來(lái)獲得少量鋁（1827 年德國(guó)弗里德里克·沃勒（Friedric Wohler）從這些作品中免除了汞）。奧斯特沒(méi)有使用汞合金，而是使用了金屬鉀 (K)，它會(huì)與 AlCl3 發(fā)生劇烈反應(yīng)。從 Wholer 的作品開(kāi)始，Henri Saint Claire Deville 與 Paul Morín 和盧梭兄弟于 1854 年使用鈉分解氯化鋁鈉 (NaAlCl4) 的程序，氯化鈉比 AlCl3 吸濕性和揮發(fā)性更小。

當(dāng)時(shí)，本生向德維爾提出利用法拉第的理論，他們?cè)噲D電解各種基于冰晶石的鹽混合物，但使用電池作為電能來(lái)源的成本太高，以至于當(dāng)時(shí)電解過(guò)程無(wú)法進(jìn)行工業(yè)開(kāi)發(fā)。

Gross 在 1944 年提出了一種使用 AlCl3 的工藝，其中 AlCl3 蒸汽通過(guò) 1000 °C 以上的不純粉碎鋁合金床，并根據(jù)反應(yīng)在 700 °C 下提取鋁：

3 AlCl (g) = 2 Al (l) + AlCl3 (g)

重整的AlCl 3 沒(méi)有冷凝并通過(guò)反應(yīng)爐再循環(huán)。因?yàn)橹挥袖X被冷凝，所以沒(méi)有進(jìn)一步去除 AlCl3。

在 1960 年代，Alcan 開(kāi)發(fā)了一種生產(chǎn)鋁的替代工藝，該工藝包括碳熱還原鋁礦物，然后純化一氯化物。由于與處理氯化物相關(guān)的問(wèn)題，包括應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和去除錳雜質(zhì)的效率低下，這項(xiàng)工作停止了。

1960 年至 1980 年間，美國(guó)鋁業(yè)致力于開(kāi)發(fā)一種基于拜耳法精制氧化鋁氯化的工藝：氯化鋁溶解在熔鹽中進(jìn)行電解。在這個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中也使用了石墨陽(yáng)極，但在這個(gè)過(guò)程中它們是惰性的。

從氯化物中提取鋁的常用途徑是通過(guò)歧化反應(yīng)和電解。其他途徑包括蒸餾和用其他金屬直接還原。

鹵化鋁（包括氯化物）的分解

Willmore (Alcoa) 發(fā)現(xiàn)，AlF3 和其他幾種氟化合物在 900-1300 °C 時(shí)選擇性地釋放鋁。 Klemm 和 Voss 的一項(xiàng)調(diào)查解釋說(shuō)，這是由于在 1200 °C 左右的溫度下形成了單價(jià)化合物（在本例中為 AlF）。這最終在 800 °C 左右的較低溫度下通過(guò)以下反應(yīng)分解：

3 AlF (l) = 2 Al (s) + AlF3 (s)

在這個(gè)過(guò)程中，鋁凝結(jié)成細(xì)粉末，與固體 AlF3 混合。因此，需要使用助熔劑的附加工藝來(lái)分離和凝聚鋁。

然后發(fā)現(xiàn)上述反應(yīng)也與其他鹵化鋁發(fā)生。事實(shí)上，鹵化物的形成一直是鋁生產(chǎn)和精煉過(guò)程的基礎(chǔ)，因?yàn)橥ǔＪ褂?AlF3。

在 1970 年代，Othmer 提出通過(guò)碳氯化（形成 AlCl3）然后在冷凝器中進(jìn)行鹵化，將鋁與含鋁礦物（鋁土礦、粘土、長(zhǎng)石）分離。袁和他的同事最近發(fā)表了一篇與氧化鋁碳氯化和歧化有關(guān)的論文。他們?cè)谡婵障逻M(jìn)行了碳氯化，并在 1430 °C 至 1580 °C 的溫度下觀察到了 AlCl (g)；壓力為 40 至 150 Pa。AlCl (g) 在 660 °C 以下分離成 Al 和 AlCl3 (g)。通過(guò)這種方式，他們能夠獲得平均純度為 95.32%（重量）的金屬鋁。

還有許多其他測(cè)試，但一般來(lái)說(shuō)——在真空下進(jìn)行的工作之外——氯化物工藝是在比 Hall-Héroult 工藝更低的溫度下進(jìn)行的，通常為 720°C。與消耗碳陽(yáng)極的傳統(tǒng)電解相比，該工藝使用惰性陽(yáng)極。這意味著與改進(jìn)后的 Hall-Héroult 的 12 kWh/kgAl 相比，氯化物工藝可以以 9.6 kWh/kgAl 的更低能耗運(yùn)行。

較低的能耗意味著氯化物工藝的碳足跡將略低于 Hall-Héroult。然而，這兩種工藝的化學(xué)碳足跡相似，因?yàn)槁然X是通過(guò)氧化鋁的碳氯化產(chǎn)生的，其中氧化鋁與碳 (C) 和氯化物氣體 (Cl2) 反應(yīng)形成氯化鋁 (AlCl3) 和 CO2。每公斤鋁產(chǎn)生的二氧化碳與傳統(tǒng)電解中的碳陽(yáng)極一樣多。但是，有一些重要的區(qū)別使氯化變得有趣：

通過(guò)碳氯化法生產(chǎn)氯化鋁不會(huì)對(duì)碳提出機(jī)械要求，它只是一種試劑。因此，可以使用生物碳，這與 Hall-Héroult 不同，后者需要具有高機(jī)械強(qiáng)度和密度的陽(yáng)極，因此必須使用來(lái)自煉油廠的焦炭。

碳氯化可以在工藝氣體中產(chǎn)生相當(dāng)高的 CO2 濃度，從而促進(jìn) CO2 捕獲和儲(chǔ)存的實(shí)施。

在實(shí)踐中，氯化物工藝無(wú)法與 Hall-Héroult 工藝競(jìng)爭(zhēng)，并且關(guān)于該方法的工業(yè)經(jīng)驗(yàn)的信息很少。氯化法工藝可承受起始原料的不良污染。可能會(huì)發(fā)生許多不良副反應(yīng)，并且含有氯的氣體通常是有毒的。例如，據(jù)報(bào)道會(huì)形成氯化烷烴 (PAHs) 和聯(lián)苯 (PCBs)，但溫度太低而無(wú)法形成二惡英。與 Hall-Héroult 工藝一樣，水分會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)。

原料直接氯化

在美鋁工藝啟動(dòng)期間，對(duì)工藝和原材料的氯化進(jìn)行了大量研究。之后又是一片寂靜，直到興趣再次回升。

氯化物工藝不限于純氧化鋁作為起始材料。這意味著您可以考慮轟炸拜耳工藝，從而避免在該工藝中沉積大量紅色污泥的問(wèn)題。原則上，可以對(duì)許多含有足量鋁的礦物進(jìn)行直接氯化。自然地，尋找鋁熱力學(xué)松散的礦物，例如粘土如鋁土礦和高嶺石以及鋁酸鹽（硫酸鋁水合物）。

然而，也有成功的 leucitis 礦物試驗(yàn)報(bào)道。這些類型的研究已被多個(gè)研究中心采用，包括挪威的未來(lái)能源效率和競(jìng)爭(zhēng)性工業(yè)中心 (FME HighEFF)，該中心于 2018 年開(kāi)始在 SINTEF 為該領(lǐng)域的未來(lái)活動(dòng)建立平臺(tái)。這對(duì)挪威的條件很有趣，因?yàn)檫@些礦物類似于斜長(zhǎng)石，一種在挪威擁有豐富礦床的礦物。該過(guò)程可能很復(fù)雜，并且需要針對(duì)每種礦物量身定制的解決方案來(lái)控制氯化。氯化后可以進(jìn)行選擇性氯化和氯化物去除。當(dāng)前的一些示例是：

斜長(zhǎng)石是一種主要由石灰和鈉長(zhǎng)石組成的礦物。氯化后，鈣和鈉首先被氯化，并以固體形式保留在裝料中。然后鋁被氯化成AlCl3，它在180°C以上以氣態(tài)形式存在。類似的程序可以應(yīng)用于其他長(zhǎng)石礦物。斜長(zhǎng)石含有很少的鐵，這是一種在氯化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生并發(fā)癥的元素。

鋁土礦是世界鋁生產(chǎn)的主要來(lái)源。它含有大量的三價(jià)氧化鐵，而且這種氯化物非常穩(wěn)定，可以通過(guò)Fe2O3和AlCl3反應(yīng)生成，即你吃到你想要的產(chǎn)品。因此，重要的是有效地去除鐵，從而通過(guò)執(zhí)行將氧化鐵轉(zhuǎn)化為硫化鐵的活化步驟來(lái)保證鐵的快速氯化。這通常是先通過(guò)添加 SO2/CO 將鐵硫化成 FeS，然后將鐵氯化得到高熔點(diǎn)的二價(jià)氯化鐵。然后鋁被氯化并以氣態(tài)形式提取為AlCl3。鋁土礦還含有鈦，鈦也是氯化的。氯化鈦的沸點(diǎn)較低（136 °C），必須在氯化鋁之前將其除去。

高嶺土是由鋁和硅的水合物組成的粘土。含有高嶺土的粘土通過(guò)加入硫酸銨進(jìn)行活化；這將鋁與硅分離，也有利于鋁對(duì)硅的氯化。

與 Hall-Héroult 工藝相比，該工藝可以實(shí)現(xiàn) 25-30% 的潛在節(jié)能，以及更簡(jiǎn)單的二氧化碳捕獲和儲(chǔ)存，這對(duì)于鋁業(yè)自 21世紀(jì)初。 隨著時(shí)間的推移，可能的盈利操作的條件可能會(huì)發(fā)生變化，因此不時(shí)以新的眼光看待舊流程可能是健康的。