鋁電解電極過程

鋁電解中的電極過程

ElectrochemistryofAluminumElectrolysis高炳亮內(nèi)容鋁電解概述陽(yáng)極過程碳陽(yáng)極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)惰性陽(yáng)極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)濕潤(rùn)性陽(yáng)極效應(yīng)陰極過程概述Source:U.SEnergyRequirementsforAluminumProduction:HistoricalPerspective,TheoreticalLimitsandNewOpportunities,U.SDepartmentofEnergy.鋁工業(yè)流程圖概述冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法（Hall-Heroult法）電解質(zhì)：Na3AlF6-AlF3-CaF2原料：Al2O3陽(yáng)極：炭陰極：液態(tài)鋁操作溫度：940-1000oC電解槽電壓：4.0-4.5V電流效率：90-95%電能消耗：14-17kWh/kgAl概述CarbonanodesAnodereaction:Al2O2F62-+2F-+C→CO2+2AlF4-+4e-Al2O2F42-+4F-+C→CO2+2AlF4-+4e-Cathodereaction:AlF63-+3e-→Al+6F-AlF4-+3e-→Al+4F-Overallreaction:1/2Al2O3(s)+3/4C(s)→Al(l)+3/4CO2(g)Inertanodes:overallreactionAl2O3(s)→2Al(l)+3/2O2(g)Currentefficiency:namedasCCellVoltage:namedasVV=cellreaction+overvoltage+bath+cathode+anode+connectors炭陽(yáng)極Fig.AschematicdiagramdepictingtheanodicgenerationofCO2gasbubblesandtherecombinationwithdissolvedmetaloriginatingfromcathodeSource:W.E.Haupin.CurrentEfficiency.ProductionofAluminiumandAlumina,ed.A.R.Burkin(NewYork:Wiley&sons,1987),pp.134-149.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+1.5CO2?G=-675.7kJ/mol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)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）炭陽(yáng)極冰晶石-氧化鋁熔鹽電解的循環(huán)伏安圖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)鋁電解中的電極過程-炭陽(yáng)極陽(yáng)極反應(yīng)的控制步驟i<0.02A/cm2

化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散聯(lián)合控制0.02<i<1.5A/cm2

化學(xué)反應(yīng)所控制1.5<i<ccd擴(kuò)散控制鋁電解中的電極過程-炭陽(yáng)極炭陽(yáng)極上的反應(yīng)歷程（電流密度在0.02~1.5A/cm2的范圍內(nèi)）IIIIIIIVV此過程的反應(yīng)速度由CxO·O碳氧中間化合物中的C—C鍵斷裂緩慢所控制，所以步驟IV可能是反應(yīng)的控制步驟，即反應(yīng)速度為化學(xué)反應(yīng)所控制惰性陽(yáng)極惰性陽(yáng)極上，冰晶石-氧化鋁熔體中的電極過程總反應(yīng)電極反應(yīng)歷程惰性陽(yáng)極惰性陽(yáng)極上的電位掃描伏安圖濕潤(rùn)性濕潤(rùn)角是指液相-固相-氣相三相接界處液相表面與固相表面的夾角。濕潤(rùn)性濕潤(rùn)角的測(cè)量濕潤(rùn)性電極電位對(duì)濕潤(rùn)角的影響濕潤(rùn)性熔滴在炭板上的濕潤(rùn)與收斂濕潤(rùn)性熔滴與炭板界面上的電荷示意圖陽(yáng)極效應(yīng)陽(yáng)極效應(yīng)是熔鹽電解中發(fā)生在陽(yáng)極上的一種特殊現(xiàn)象。當(dāng)其發(fā)生時(shí)，槽電壓上升到20-40伏，陽(yáng)極周邊出現(xiàn)明亮的弧光放電現(xiàn)象，并發(fā)出噼啪聲，此時(shí)陽(yáng)極和導(dǎo)電母線振動(dòng)，系列電流發(fā)生波動(dòng)。陽(yáng)極效應(yīng)陽(yáng)極效應(yīng)陽(yáng)極效應(yīng)氧化鋁濃度對(duì)極限電流密度（ccd）的影響陽(yáng)極效應(yīng)陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生機(jī)理低氧化鋁濃度（<2%）高氧化鋁濃度陰極過程陰極反應(yīng)的兩種觀點(diǎn)鈉析出→鈉還原氧化鋁得到鋁鋁離子的直接析出陰極過程一些事實(shí)：冰晶石-氧化鋁熔體中，Na+是唯一存在的陽(yáng)離子，并是電流的主要承載離子。Al3+并不存在于電解質(zhì)中，而是以AlF63-和AlF4-的離子形式存在。AlF63-+3e-→Al+6F-AlF4-+3e-→Al+4F-這樣的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)發(fā)生嗎？陰極過程水溶液中部分離子的標(biāo)準(zhǔn)電極電位，298KCathode(Reduction)Half-ReactionSHEE°(volts)Li+(aq)+e-

→Li(s)-3.04Ca2+(aq)+2e-→Ca(s)-2.76Na+(aq)+e-

→Na(s)-2.71Mg2+(aq)+2e-

→Mg(s)-2.38Al3+(aq)+3e-

→Al(s)-1.662H2O(l)+2e-

→H2(g)+2OH-(aq)-0.83Fe2+(aq)+2e-

→Fe(s)-0.412H+(aq)+2e-

→H2(g)0.00O2(g)+4H+(aq)+4e-

→2H2O(l)1.23Cl2(g)+2e-

→2Cl-(aq)1.36F2(g)+2e-

→2F-(aq)2.87陰極過程槽電壓電解槽槽電壓的構(gòu)成V=cellreaction+overvoltage+bath+cathode+anode+connectors

=|Eo|+|ηCC|+|ηAA|+|ηAC|+UB+UEEo=反電動(dòng)勢(shì)ηCC=陰極濃差過電勢(shì)ηAA=陽(yáng)極反應(yīng)過電勢(shì)ηAC=陽(yáng)極濃差過電勢(shì)槽電壓組成-炭陽(yáng)極槽電壓組成-惰性陽(yáng)極電解中的法拉第定律電化學(xué)當(dāng)量Al:0.335g·Ah電流效率副反應(yīng)其它離子的共沉積漏電短路陽(yáng)極效應(yīng)與反應(yīng)容器的反應(yīng)電解中的法拉第定律例.計(jì)算300kA電解槽24小時(shí)理論產(chǎn)鋁量，如果實(shí)際產(chǎn)鋁量為2200kg，電流效率是多少？電解中的能量消耗電能消耗(EC)降低電能消耗的途徑降低槽電壓提高電流效率電流效率和槽電壓對(duì)能耗的影響delU=-(U/CE)delCEForacellat4.