第八章铝电解中的电极过程讲课文档.ppt

第八章铝电解中的电极过程第一页，共一百零三页重点内容重点内容铝电解的电化学体系及其性质铝电解的电化学体系及其性质铝电解的电极过程铝电解的电极过程铝电解的工艺及设备铝电解的工艺及设备第二页，共一百零三页现代铝工业三个主要生产环节：现代铝工业三个主要生产环节： （1 1）从铝土矿提取纯氧化铝）从铝土矿提取纯氧化铝 （2 2）用冰晶石）用冰晶石- -氧化铝熔盐电解法生产铝氧化铝熔盐电解法生产铝 （3 3）铝加工）铝加工辅助环节：辅助环节： （1 1）炭素电极制造）炭素电极制造 （2 2）氟盐生产）氟盐生产第三页，共一百零三页8.1铝电解冶金的电化学体系及其性质铝电解冶金的电化学体系及其性质1.铝电解电化学体系铝电解电化学体系 由电极（阳极碳电极、阴极为液态铝）由电极（阳极碳电极、阴极为液态铝）和熔融电解质组成其中电解质由熔剂冰和熔融电解质组成其中电解质由熔剂冰晶石和炼铝原料氧化铝组成图片）晶石和炼铝原料氧化铝组成图片）第四页，共一百零三页8.1铝电解冶金的电化学体系及其性质铝电解冶金的电化学体系及其性质2.冰晶石冰晶石-氧化铝熔盐理化性质氧化铝熔盐理化性质冰晶石（冰晶石（Na3AlF6或或3NaF.AlF3）,无色，有无色，有强烈的腐蚀性，熔点为强烈的腐蚀性，熔点为1010，单斜晶系。

单斜晶系虽有天然产物，但数量颇少炼铝工业采虽有天然产物，但数量颇少炼铝工业采用的是合成冰晶石用的是合成冰晶石氧化铝，白色粉末，熔点为氧化铝，白色粉末，熔点为2050 工业氧化铝的纯度为氧化铝的纯度为99% 第五页，共一百零三页1 1）熔点）熔点有冰晶石和氧化铝组有冰晶石和氧化铝组成的二元系是简单的成的二元系是简单的共晶系，从图中可以共晶系，从图中可以确定其共晶点在氧化确定其共晶点在氧化铝含量为铝含量为1011.5%（质量比）或（质量比）或18.621.1%（摩尔（摩尔比），温度为比），温度为960962第六页，共一百零三页铝电解的电解质往往在上述二元合金中还铝电解的电解质往往在上述二元合金中还加入加入AlF3,因而形成三元系，不仅使熔点降因而形成三元系，不仅使熔点降低，还可以改善电解质的物理化学性质低，还可以改善电解质的物理化学性质第七页，共一百零三页2 2）密度）密度三元素使熔盐的结构发生变化，导致密三元素使熔盐的结构发生变化，导致密度下降，电解质的密度小于液铝密度，度下降，电解质的密度小于液铝密度，金属铝液与电解质自动分层，达到分离金属铝液与电解质自动分层，达到分离的目的8.1铝电解冶金的电化学体系及其性质铝电解冶金的电化学体系及其性质第八页，共一百零三页。

3 3）粘度）粘度Al2O3升高，粘度增加，加入升高，粘度增加，加入MgF2、CaF2可使电解质粘度增加，加入可使电解质粘度增加，加入AlF3、LiF、NaF却使电解质粘度降低却使电解质粘度降低8.1铝电解冶金的电化学体系及其性质铝电解冶金的电化学体系及其性质第九页，共一百零三页4 4）表面张力）表面张力Na3AlF6-Al2O3熔盐在碳电极上的润湿角熔盐在碳电极上的润湿角随随Al2O3的含量增大而减小的含量增大而减小第十页，共一百零三页8.1铝电解冶金的电化学体系及其性质铝电解冶金的电化学体系及其性质不同条件下的冰晶石不同条件下的冰晶石- -氧化铝熔体结构模型氧化铝熔体结构模型第十一页，共一百零三页1. 氧化铝的分解电压氧化铝的分解电压 电解质组分的分解电压是指该组分进行电解质组分的分解电压是指该组分进行长时间电解并析出电解产物所需要的外加长时间电解并析出电解产物所需要的外加最小电压最小电压. .2. 2. 氧化铝的理论分解电压氧化铝的理论分解电压 化合物分解所需要的电功在数值上等于化合物分解所需要的电功在数值上等于它在恒压下的生成自由能它在恒压下的生成自由能, ,但符号相反但符号相反. .化合物的理论分解电压化合物的理论分解电压8.28.2铝电解的理论分解电压铝电解的理论分解电压第十二页，共一百零三页。

理论分解电压理论分解电压第十三页，共一百零三页炭阳极炭阳极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+1.5CO2G=-675.7kJ/mol第十四页，共一百零三页炭阳极炭阳极炭阳极上，冰晶石炭阳极上，冰晶石-氧化铝熔盐电解中几种氧化铝熔盐电解中几种可能的电化学反应可能的电化学反应第十五页，共一百零三页炭阳极炭阳极炭阳极上，Na3AlF6-Al2O3熔盐体系中的电化学反应与析出电位（1273K）第十六页，共一百零三页炭阳极冰晶石-氧化铝熔盐电解的循环伏安图 第十七页，共一百零三页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 电极反应第十八页，共一百零三页铝电解中的电极过程-炭阳极阳极反应的控制步骤i0.02A/cm2 化学反应和扩散联合控制0.02i1.5 A/cm2 化学反应所控制1.5i99%金属杂质主要是金属杂质主要是Fe、Si、Cu第七十七页，共一百零三页原铝与精铝原铝与精铝电解原铝的质量基本上能满足国防、运输、电解原铝的质量基本上能满足国防、运输、建筑、日用品的要求建筑、日用品的要求。

有些部门需要精铝，因为精铝比原铝具有更有些部门需要精铝，因为精铝比原铝具有更好的导电导热性、可塑性、反光性和耐腐蚀好的导电导热性、可塑性、反光性和耐腐蚀性第七十八页，共一百零三页 （3）高）高纯铝纯铝主要用区域熔主要用区域熔炼炼法制取选选用精用精铝铝作原料，得到作原料，得到杂质质杂质质量分数不量分数不超超过过110-6的高的高纯铝纯铝高纯铝还纯铝还可用有机可用有机铝铝化合物化合物电电解与区域熔解与区域熔炼炼相相结结合的方法合的方法制取 杂质情况：杂质情况： 原铝中主要是铁和硅，此外还有镓、钛、原铝中主要是铁和硅，此外还有镓、钛、钒、铜、钠、锰、镍、锌等钒、铜、钠、锰、镍、锌等 精铝产品中，主要杂质仍是铁和硅，但精铝产品中，主要杂质仍是铁和硅，但是锌、铜、镁、钠的含量接近铁，可能是锌、铜、镁、钠的含量接近铁，可能会超过硅会超过硅第七十九页，共一百零三页 从电解槽中取出的铝液通常含有三类杂质：从电解槽中取出的铝液通常含有三类杂质： A、金属、金属杂质杂质； B、非金属固、非金属固态夹杂态夹杂物：氧化物：氧化铝铝、炭、炭、 碳化碳化铝铝； C、气、气态夹杂态夹杂物：物：H2、CO2、CO、CH4、 N2。

其中最主要的是其中最主要的是H2 在在1000，100g工工业业原原铝铝大大约约溶解溶解氢氢气气0.2-0.4cm3 铝铝液中的液中的氢氢有两种形有两种形态态：原子：原子氢氢和气和气态氢态氢前者溶解在前者溶解在铝铝液中，后者吸附在固液中，后者吸附在固态夹态夹杂杂物物颗颗粒上 第八十页，共一百零三页8.4.2 铝液净化铝液净化往铝液中通入惰性气体往铝液中通入惰性气体( (如氮气如氮气) )或活性气体或活性气体( (氯气氯气) )，可使铝液中的固态，可使铝液中的固态夹杂物吸附在气泡上，并随气泡上升至夹杂物吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表面铝液表面, ,最后在过滤层中分离最后在过滤层中分离 净化方法：净化方法： 在低温（刚刚熔点以上）长时间静止或在低温（刚刚熔点以上）长时间静止或通入氮气加以搅拌，清除氢通入氮气加以搅拌，清除氢 通入氯气，与铝反应生成氯化铝气泡通入氯气，与铝反应生成氯化铝气泡比氮气效果好比氮气效果好第八十一页，共一百零三页第八十二页，共一百零三页8.4.3 三层液电解法制取精铝三层液电解法制取精铝第八十三页，共一百零三页精铝用途精铝用途 70%制造电解质电容器，制造反光镜制造电解质电容器，制造反光镜。

美国美国Hoopes1901年发明年发明下层液体：阳极合金，下层液体：阳极合金，30%铜与铜与70%铝，铝，密度密度3.4-3.7g/cm3.中层液为电解质，纯氟化物和氯氟化物中层液为电解质，纯氟化物和氯氟化物体系，密度体系，密度2.7-2.8 g/cm3.最上层精铝，用作阴极，密度最上层精铝，用作阴极，密度2.3 g/cm3第八十四页，共一百零三页工业上用两类电解质体系：工业上用两类电解质体系： （1）纯氟化物体系其组成中）纯氟化物体系其组成中AlF3 NaF BaF2 CaF2的质量分数分别的质量分数分别48%，18%，10%，16%；密度（液态）约；密度（液态）约2.8g/cm3，熔点熔点680，操作温度，操作温度740 （2）氯氟化物体系其组成中）氯氟化物体系其组成中AlF3 NaF BaCl2 NaCl的质量分数分别的质量分数分别23%，13%，60%，4%；密度（液态）约；密度（液态）约2.7g/cm3，熔点，熔点700-720，操作温度，操作温度760-800 第八十五页，共一百零三页 铝的电解精炼原理：铝的电解精炼原理： 在阳极合金的各种金属元素当中，只在阳极合金的各种金属元素当中，只有铝在阴极上溶解出来。

阳极合金中，有铝在阴极上溶解出来阳极合金中，如铜、铁、硅之类比不活泼的金属元素，如铜、铁、硅之类比不活泼的金属元素，并不溶解，仍然残留在合金内阳极上并不溶解，仍然残留在合金内阳极上的电化学溶解反应是：的电化学溶解反应是： Al - 3e = Al3+ 因此，电解液中除了原有的因此，电解液中除了原有的Al3+, Ba2+, Na+, F-, Cl-, AlF3-6, AlF4-之外，增加之外，增加了上述反应中的铝离子了上述反应中的铝离子Al3+第八十六页，共一百零三页 迁往阴极的各种阳离子中，铝的电极电迁往阴极的各种阳离子中，铝的电极电位比较正，故位比较正，故Al3+优先在阳极上获得电子，优先在阳极上获得电子，析出金属铝：析出金属铝： Al3+ + 3e = Al 而其余的各种阳离子，如而其余的各种阳离子，如Ba2+, Na+之类，之类，并不放电但是电解质本身所含的电位并不放电但是电解质本身所含的电位比铝更正的元素，例如比铝更正的元素，例如Si和和Fe，却会在，却会在阴极上析出，使铝的纯度降低阴极上析出，使铝的纯度降低第八十七页，共一百零三页 基本原理：基本原理： 一般当原铝从熔融状态下徐缓冷却，到达一般当原铝从熔融状态下徐缓冷却，到达其初晶点时，结晶析出纯度很高的铝粒，其初晶点时，结晶析出纯度很高的铝粒，然后将此种铝粒跟剩余的铝液分离，便然后将此种铝粒跟剩余的铝液分离，便得到所要求的偏析法产物，可从得到所要求的偏析法产物，可从99.8%的的原铝中提取到纯度为原铝中提取到纯度为99.95%的铝的铝, 其提取其提取率为率为5-10%。

法国彼施涅公司的偏析法原理图法国彼施涅公司的偏析法原理图优点：产量大、能耗低、成本低；优点：产量大、能耗低、成本低；缺点：纯度低缺点：纯度低第八十八页，共一百零三页8.5铝电解的工艺及设备铝电解的工艺及设备第八十九页，共一百零三页第九十页，共一百零三页二、技术经济指标二、技术经济指标1.电流效率电流效率 8595%2.铝电解槽电压铝电解槽电压44.3v3.铝电解能耗铝电解能耗 1500017500Kwh三、铝电解工艺设备三、铝电解工艺设备1.电解槽（槽体、电极、导电部件三部分组电解槽（槽体、电极、导电部件三部分组成）成）2.直流电源直流电源第九十一页，共一百零三页8.6熔盐电解电流效率第九十二页，共一百零三页主要内容主要内容8.6.1 8.6.1 法拉第定律在熔盐电解中的适用性法拉第定律在熔盐电解中的适用性8.6.2 8.6.2 电流效率的各种影响因素电流效率的各种影响因素第九十三页，共一百零三页8.6.1 8.6.1 法拉第定律在熔盐电解中的适用性法拉第定律在熔盐电解中的适用性法拉第定律：在电解过程中，阴极上还原物质析出的法拉第定律：在电解过程中，阴极上还原物质析出的量量W与电化学当量，所通过的电流强度和通电时。