鋁電解中電極過程

1、關(guān)于鋁電解中的電極過程第一張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月主要內(nèi)容鋁電解的電化學(xué)體系及其性質(zhì)鋁電解的理論分解電壓鋁電解的電極過程鋁的電解精煉鋁電解的工藝及設(shè)備熔鹽電解電流效率第二張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月重點(diǎn)內(nèi)容鋁電解的電化學(xué)體系及其性質(zhì)鋁電解的電極過程鋁電解的工藝及設(shè)備第三張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月現(xiàn)代鋁工業(yè)三個(gè)主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)： （1）從鋁土礦提取純氧化鋁 （2）用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法生產(chǎn)鋁 （3）鋁加工輔助環(huán)節(jié)： （1）炭素電極制造 （2）氟鹽生產(chǎn)第四張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.1鋁電解冶金的電化學(xué)體系及其性質(zhì)1.鋁電解

2、電化學(xué)體系 由電極（陽(yáng)極碳電極、陰極為液態(tài)鋁）和熔融電解質(zhì)組成。其中電解質(zhì)由熔劑冰晶石和煉鋁原料氧化鋁組成。（圖片）第五張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.1鋁電解冶金的電化學(xué)體系及其性質(zhì)2.冰晶石-氧化鋁熔鹽理化性質(zhì)冰晶石（Na3AlF6或3NaF.AlF3）,無色，有強(qiáng)烈的腐蝕性，熔點(diǎn)為1010，單斜晶系。雖有天然產(chǎn)物，但數(shù)量頗少。煉鋁工業(yè)采用的是合成冰晶石。氧化鋁，白色粉末，熔點(diǎn)為2050 。工業(yè)氧化鋁的純度為99%。 第六張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（1）熔點(diǎn)有冰晶石和氧化鋁組成的二元系是簡(jiǎn)單的共晶系，從圖中可以確定其共晶點(diǎn)在氧化鋁含量為1011.5%（質(zhì)量

3、比）或18.621.1%（摩爾比），溫度為960962第七張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鋁電解的電解質(zhì)往往在上述二元合金中還加入AlF3,因而形成三元系，不僅使熔點(diǎn)降低，還可以改善電解質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)。第八張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（2）密度三元素使熔鹽的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致密度下降，電解質(zhì)的密度小于液鋁密度，金屬鋁液與電解質(zhì)自動(dòng)分層，達(dá)到分離的目的。8.1鋁電解冶金的電化學(xué)體系及其性質(zhì)第九張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（3）粘度Al2O3升高，粘度增加，加入MgF2、CaF2可使電解質(zhì)粘度增加，加入AlF3、LiF、NaF卻使電解質(zhì)粘度降低8.1鋁

4、電解冶金的電化學(xué)體系及其性質(zhì)第十張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（4）表面張力Na3AlF6-Al2O3熔鹽在碳電極上的潤(rùn)濕角隨Al2O3的含量增大而減小。第十一張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.1鋁電解冶金的電化學(xué)體系及其性質(zhì)不同條件下的冰晶石-氧化鋁熔體結(jié)構(gòu)模型第十二張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月1. 氧化鋁的分解電壓 電解質(zhì)組分的分解電壓是指該組分進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間電解并析出電解產(chǎn)物所需要的外加最小電壓.2. 氧化鋁的理論分解電壓 化合物分解所需要的電功在數(shù)值上等于它在恒壓下的生成自由能,但符號(hào)相反.化合物的理論分解電壓8.2鋁電解的理論分解電壓第十三張，

5、PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月理論分解電壓第十四張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月炭陽(yáng)極1. 炭陽(yáng)極上的電化學(xué)反應(yīng)陽(yáng)極反應(yīng)的理論計(jì)算-分解電壓例:Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO2G=-675.7kJ/mol第十五張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月炭陽(yáng)極炭陽(yáng)極上，冰晶石-氧化鋁熔鹽電解中幾種可能的電化學(xué)反應(yīng)第十六張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月炭陽(yáng)極炭陽(yáng)極上，Na3AlF6-Al2O3熔鹽體系中的電化學(xué)反應(yīng)與析出電位（1273K）第十七張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月炭陽(yáng)極冰晶石-氧化鋁熔鹽電解的循環(huán)伏安圖 第十八張，PPT共一百零

6、七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鋁電解中的電極過程-炭陽(yáng)極炭陽(yáng)極上，電極反應(yīng)與電流峰值的對(duì)應(yīng)關(guān)系P1P2P3P4P5P6電流峰 電極反應(yīng)第十九張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月鋁電解中的電極過程-炭陽(yáng)極陽(yáng)極反應(yīng)的控制步驟i0.02A/cm2 化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散聯(lián)合控制0.02i1.5 A/cm2 化學(xué)反應(yīng)所控制1.5i99%。金屬雜質(zhì)主要是Fe、Si、Cu。第七十八張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月原鋁與精鋁電解原鋁的質(zhì)量基本上能滿足國(guó)防、運(yùn)輸、建筑、日用品的要求。有些部門需要精鋁，因?yàn)榫X比原鋁具有更好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、可塑性、反光性和耐腐蝕性。第七十九張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2

7、022年6月 （3）高純鋁。主要用區(qū)域熔煉法制取。選用精鋁作原料，得到雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過110-6的高純鋁。高純鋁還可用有機(jī)鋁化合物電解與區(qū)域熔煉相結(jié)合的方法制取。 雜質(zhì)情況： 原鋁中主要是鐵和硅，此外還有鎵、鈦、釩、銅、鈉、錳、鎳、鋅等。 精鋁產(chǎn)品中，主要雜質(zhì)仍是鐵和硅，但是鋅、銅、鎂、鈉的含量接近鐵，可能會(huì)超過硅。第八十張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 從電解槽中取出的鋁液通常含有三類雜質(zhì)： A、金屬雜質(zhì)； B、非金屬固態(tài)夾雜物：氧化鋁、炭、 碳化鋁； C、氣態(tài)夾雜物：H2、CO2、CO、CH4、 N2。其中最主要的是H2。 在1000，100g工業(yè)原鋁大約溶解氫氣0.2-0.

8、4cm3。 鋁液中的氫有兩種形態(tài)：原子氫和氣態(tài)氫。前者溶解在鋁液中，后者吸附在固態(tài)夾雜物顆粒上。 第八十一張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.4.2 鋁液凈化 往鋁液中通入惰性氣體(如氮?dú)?或活性氣體(氯氣)，可使鋁液中的固態(tài)夾雜物吸附在氣泡上，并隨氣泡上升至鋁液表面,最后在過濾層中分離。 凈化方法： 在低溫（剛剛?cè)埸c(diǎn)以上）長(zhǎng)時(shí)間靜止或通入氮?dú)饧右詳嚢?，清除氫?通入氯氣，與鋁反應(yīng)生成氯化鋁氣泡。比氮?dú)庑Ч?。第八十二張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第八十三張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.4.3 三層液電解法制取精鋁第八十四張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于

9、2022年6月精鋁用途 70%制造電解質(zhì)電容器，制造反光鏡。美國(guó)Hoopes1901年發(fā)明下層液體：陽(yáng)極合金，30%銅與70%鋁，密度3.4-3.7g/cm3.中層液為電解質(zhì)，純氟化物和氯氟化物體系，密度2.7-2.8 g/cm3.最上層精鋁，用作陰極，密度2.3 g/cm3第八十五張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月工業(yè)上用兩類電解質(zhì)體系： （1）純氟化物體系。其組成中AlF3 NaF BaF2 CaF2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別48%，18%，10%，16%；密度（液態(tài)）約2.8g/cm3，熔點(diǎn)680，操作溫度740 。 （2）氯氟化物體系。其組成中AlF3 NaF BaCl2 NaCl的質(zhì)量

10、分?jǐn)?shù)分別23%，13%，60%，4%；密度（液態(tài)）約2.7g/cm3，熔點(diǎn)700-720，操作溫度760-800 。第八十六張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 鋁的電解精煉原理： 在陽(yáng)極合金的各種金屬元素當(dāng)中，只有鋁在陰極上溶解出來。陽(yáng)極合金中，如銅、鐵、硅之類比不活潑的金屬元素，并不溶解，仍然殘留在合金內(nèi)。陽(yáng)極上的電化學(xué)溶解反應(yīng)是： Al - 3e = Al3+ 因此，電解液中除了原有的Al3+, Ba2+, Na+, F-, Cl-, AlF3-6, AlF4-之外，增加了上述反應(yīng)中的鋁離子Al3+。第八十七張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 遷往陰極的各種陽(yáng)離子中，鋁

11、的電極電位比較正，故Al3+優(yōu)先在陽(yáng)極上獲得電子，析出金屬鋁： Al3+ + 3e = Al 而其余的各種陽(yáng)離子，如Ba2+, Na+之類，并不放電。但是電解質(zhì)本身所含的電位比鋁更正的元素，例如Si和Fe，卻會(huì)在陰極上析出，使鋁的純度降低。第八十八張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 基本原理： 一般當(dāng)原鋁從熔融狀態(tài)下徐緩冷卻，到達(dá)其初晶點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶析出純度很高的鋁粒，然后將此種鋁粒跟剩余的鋁液分離，便得到所要求的偏析法產(chǎn)物，可從99.8%的原鋁中提取到純度為99.95%的鋁, 其提取率為5-10%。法國(guó)彼施涅公司的偏析法原理圖優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量大、能耗低、成本低；缺點(diǎn)：純度低第八十九張，PPT

12、共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.5鋁電解的工藝及設(shè)備第九十張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第九十一張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月二、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)1.電流效率 8595%2.鋁電解槽電壓44.3v3.鋁電解能耗 1500017500Kwh三、鋁電解工藝設(shè)備1.電解槽（槽體、電極、導(dǎo)電部件三部分組成）2.直流電源第九十二張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.6熔鹽電解電流效率第九十三張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月主要內(nèi)容8.6.1 法拉第定律在熔鹽電解中的適用性8.6.2 電流效率的各種影響因素第九十四張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年

13、6月8.6.1 法拉第定律在熔鹽電解中的適用性法拉第定律：在電解過程中，陰極上還原物質(zhì)析出的量W與電化學(xué)當(dāng)量，所通過的電流強(qiáng)度和通電時(shí)間成正比。 W=qNIt 式中W一析出金屬的質(zhì)量，g； qN電化當(dāng)量，與物質(zhì)的本性有關(guān)，它表示1A.h內(nèi)析出物質(zhì)的量，以g表示（表65）； I電流強(qiáng)度，A； t通電時(shí)間，h。 第九十五張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第九十六張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月按照法拉第定律計(jì)算理論鋁產(chǎn)量： 在電解過程中，通過1法拉第電量理論上應(yīng)析出1摩爾的鋁，因此 鋁的當(dāng)量值=26.98154/3= 8.9938g。 1法拉第電量=96485As，即9648

14、5/3600 = 26.8Ah 。 鋁的電化學(xué)當(dāng)量值C = 8.9938/26.80 = 0.3356g/(Ah)第九十七張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月例：對(duì)于鋁電解，陰極上析出的鋁量m= 0.3356It。這是理論量，實(shí)際上產(chǎn)出的鋁量，由于副反應(yīng)，往往陰極上析出的金屬量比理論值小。通常以鋁的實(shí)際產(chǎn)量在理論量中所占的百分?jǐn)?shù)計(jì)算電流效率。第九十八張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月m鋁的實(shí)際產(chǎn)量，g；I平均電流，A；t電解時(shí)間，h。當(dāng)m以kg表示時(shí)，I以kA表示第九十九張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月現(xiàn)代工業(yè)鋁電解槽的電流效率約為90%94%，亦即損失電流效率6

15、%10%。以300KA電解槽為例，如按電流效率92%計(jì)算，它每年鋁的實(shí)際產(chǎn)量應(yīng)為：m=0.33563000003652492%10-6 =811.4(t)而每年損失的鋁量將是： 第一百?gòu)?，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電流效率低的原因?qū)嶒?yàn)證明，法拉第定律對(duì)熔鹽電解過程仍然適用。 但是，在實(shí)際電解過程中，電流效率一般都低于100%，有的甚至只有5070%。為什么會(huì)出現(xiàn)這種偏差呢？原因大約有三個(gè)方面： 電解產(chǎn)物的再損失； 電流空耗； 幾種離子共同放電。第一百零一張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月電流效率低的原因 在這三種損失中，第一種形式的電流損失是主要的。對(duì)法拉第定律出現(xiàn)偏差

16、的第二種原因是電流空耗。電流空耗有兩種途徑，一種是離子的不完全放電。電流空耗的另一種形式，就是電子導(dǎo)電，這種電流損失形式是熔鹽電解過程中所獨(dú)具的。第三種電流損失的原因是幾種離子在陰極上共同放電。當(dāng)體系中幾種離子析出電位較為接近時(shí)容易出現(xiàn)這種情況。第一百零二張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月8.6.2 電流效率的各種影響因素 溫度 溫度過高，電流效率會(huì)降低。溫度升高，增加了金屬在電解質(zhì)中的溶解度，加速了陰、陽(yáng)極產(chǎn)物擴(kuò)散，加劇了金屬低價(jià)化合物的揮發(fā)等。溫度又不能過低，因?yàn)闇囟冗^低又會(huì)使電解質(zhì)粘度升高，而使金屬的機(jī)械損失增大。溫度與電流密度的關(guān)系可用圖11-21的曲線表示。為了降低電解溫度，同時(shí)保持電解質(zhì)流動(dòng)性良好，實(shí)際電解時(shí)常在體系中加入熔點(diǎn)較低的添加劑。第一百零三張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9.2 電流效率的各種影響因素 電流密度 一般說來，電流密度增大電流效率提高，但只到一定電流密度。這是，因?yàn)殡娏髅芏冗^高，將會(huì)引起多種離子共同放電，反而會(huì)降低電流效率。此外，電流密度過高，會(huì)使熔鹽過熱，導(dǎo)線和各接點(diǎn)上電壓降增大，造成不必要的電能消耗。如圖11-22所示。第一百零四張，PPT共一百零七頁(yè)，創(chuàng)作于2