铝电解电极过程

铝电解中的电极过程

ElectrochemistryofAluminumElectrolysis高炳亮内容铝电解概述阳极过程碳阳极上发生的电化学反应惰性阳极上发生的电化学反应湿润性阳极效应阴极过程概述Source:U.SEnergyRequirementsforAluminumProduction:HistoricalPerspective,TheoreticalLimitsandNewOpportunities,U.SDepartmentofEnergy.铝工业流程图概述冰晶石-氧化铝熔盐电解法（Hall-Heroult法）电解质：Na3AlF6-AlF3-CaF2原料：Al2O3阳极：炭阴极：液态铝操作温度：940-1000oC电解槽电压：4.0-4.5V电流效率：90-95%电能消耗：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炭阳极Fig.AschematicdiagramdepictingtheanodicgenerationofCO2gasbubblesandtherecombinationwithdissolvedmetaloriginatingfromcathodeSource:W.E.Haupin.CurrentEfficiency.ProductionofAluminiumandAlumina,ed.A.R.Burkin(NewYork:Wiley&sons,1987),pp.134-149.炭阳极1.炭阳极上的电化学反应阳极反应的理论计算-分解电压例:Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO2∆G=-675.7kJ/mol炭阳极炭阳极上，冰晶石-氧化铝熔盐电解中几种可能的电化学反应炭阳极炭阳极上，Na3AlF6-Al2O3熔盐体系中的电化学反应与析出电位（1273K）炭阳极冰晶石-氧化铝熔盐电解的循环伏安图铝电解中的电极过程-炭阳极炭阳极上，电极反应与电流峰值的对应关系P1P2P3P4P5P6电流峰电极反应铝电解中的电极过程-炭阳极阳极反应的控制步骤i<0.02A/cm2

化学反应和扩散联合控制0.02<i<1.5A/cm2

化学反应所控制1.5<i<ccd扩散控制铝电解中的电极过程-炭阳极炭阳极上的反应历程（电流密度在0.02~1.5A/cm2的范围内）IIIIIIIVV此过程的反应速度由CxO·O碳氧中间化合物中的C—C键断裂缓慢所控制，所以步骤IV可能是反应的控制步骤，即反应速度为化学反应所控制惰性阳极惰性阳极上，冰晶石-氧化铝熔体中的电极过程总反应电极反应历程惰性阳极惰性阳极上的电位扫描伏安图湿润性湿润角是指液相-固相-气相三相接界处液相表面与固相表面的夹角。湿润性湿润角的测量湿润性电极电位对湿润角的影响湿润性熔滴在炭板上的湿润与收敛湿润性熔滴与炭板界面上的电荷示意图阳极效应阳极效应是熔盐电解中发生在阳极上的一种特殊现象。当其发生时，槽电压上升到20-40伏，阳极周边出现明亮的弧光放电现象，并发出噼啪声，此时阳极和导电母线振动，系列电流发生波动。阳极效应阳极效应阳极效应氧化铝浓度对极限电流密度（ccd）的影响阳极效应阳极效应的发生机理低氧化铝浓度（<2%）高氧化铝浓度阴极过程阴极反应的两种观点钠析出→钠还原氧化铝得到铝铝离子的直接析出阴极过程一些事实：冰晶石-氧化铝熔体中，Na+是唯一存在的阳离子，并是电流的主要承载离子。Al3+并不存在于电解质中，而是以AlF63-和AlF4-的离子形式存在。AlF63-+3e-→Al+6F-AlF4-+3e-→Al+4F-这样的电化学反应会发生吗？阴极过程水溶液中部分离子的标准电极电位，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阴极过程槽电压电解槽槽电压的构成V=cellreaction+overvoltage+bath+cathode+anode+connectors

=|Eo|+|ηCC|+|ηAA|+|ηAC|+UB+UEEo=反电动势ηCC=阴极浓差过电势ηAA=阳极反应过电势ηAC=阳极浓差过电势槽电压组成-炭阳极槽电压组成-惰性阳极电解中的法拉第定律电化学当量Al:0.335g·Ah电流效率副反应其它离子的共沉积漏电短路阳极效应与反应容器的反应电解中的法拉第定律例.计算300kA电解槽24小时理论产铝量，如果实际产铝量为2200kg，电流效率是多少？电解中的能量消耗电能消耗(EC)降低电能消耗的途径降低槽电压提高电流效率电流效率和槽电压对能耗的影响delU=-(U/CE)delCEForacellat4.