基本介紹
- 中文名：鋁電解質
- 類別：化學
概述,化學特性,體系,展望,
概述
鋁電解生產用的電解質稱為鋁電解質(electrolyte used for aluminium electrolysis)，由冰晶石(Na3AlF6)、氧化鋁(Al2O3)和其他鹽類添加物(如AlF3、CaF2、MgF2、LiF)組成。
化學特性
鋁電解不能在水溶液中進行，因為在水溶液中電解時，陰極上只能析出氫而不能析出鋁。因此，必須採用熔融鹽電解質。鋁電解質中的氧化鋁是電解的原料，熔點為2323K。生產lt鋁理論上需要1．89t氧化鋁，實際上由於有飛揚等損失，一般需要1．92～1．94t。冰晶石是溶解氧化鋁的溶劑，其熔點為1282K。天然冰晶石的分子式為Na3AlF6，儲量很少，鋁電解工業用的冰晶石是人工合成的，其分子通式為nNaF·AlF3(n一般為2～3)。冰晶石中NaF與A1F3的摩爾比稱為冰晶石比或冰晶石摩爾比，以CR表示。CR=3的冰晶石呈中性，CR>3者呈鹼性，CR<3者呈酸性。冰晶石比是鋁電解生產中的一個重要技術參數，在生產過程中必須保持在一定範圍內。
採用計算機控制的自動半連續加料大型電解槽，所用的冰晶石比一般為2．2左右。採用機械加料的中型電解槽，冰晶石比一般為2．6～2．8。在鋁電解過程中，冰晶石比不斷變化。電解槽啟動初期，由於陰極炭素內襯選擇性地吸收NaF，NaF的損失速度大於AlF。揮發和被Na20、Ca0、H20分解的損失速度，冰晶石比會自動降低。
因此，需添加NaF加以調整，使冰晶石比保持在一定範圍。也可以用Na2CO3代替NaF。但在鋁電解正常生產期間，NaF的損失速度小於A1F3的損失速度，冰晶石比則會自動升高，必須添加AlF。加以調整。電解質中的其他鹽類添加物在電解過程中損失很少，只需要定期加以補充。電解質中的氧化鋁含量一般保持在3%～5%左右，在電解過程中需要定期補充。
體系
1886年，埃魯(LT．Heroult)和霍爾(c．M．Hall)發明電解冰晶石一氧化鋁熔融鹽的煉鋁方法，並於1887年實現了小規模工業生產。初期所用的電解質體系為簡單的Na3AlF6-Al203二元系，Al2O3。的含量為14%～16%。為了降低電解溫度，向電解質中添加了CaF2，其含量為5%左右。於是電解質變成為Na3AlF6-Al203多元系。這種三元體系的鋁電解質一直用到20世紀50年代。以後開始向電解質中添加MgF，其含量為3%～4%，並同時採用CR為2．7左右的冰晶石。這時的鋁電解質發展成為NaAlF-A1F、3CaF2MgF2-A120。多元系。20世紀60年代後部分鋁電解工廠向電解質中添加LIF，以此來提高電解質的導電度。
中國撫順鋁廠第一系列投產時，所用的電解質為Na3A1F6-A1203-CaF2系，A1203含量為8%左右，CaF2含量為5%左右，採用效應加工制度。1960年以後採用酸性電解質，CR=2．3～2．5，同時向電解質中添加3%～4%．MgFz，實行無效應操作制度。80年代開始，中國部分鋁廠向電解質中添加2%～3%LiF，或以Lizcos代替LiF。因此，20世紀80年代中國所用的鋁電解質體系有表中所列的幾種。
中國所用的鋁電解質體系
鋁電解質體系展望
隨著鋁電解槽大型預焙化以及生產操作的機械化和自動化，鋁電解質成分向著低冰晶石比和低氧化鋁濃度方向發展，有的鋁廠已採用CR=2．1～2．3的冰晶石，氧化鋁濃度保持在2%～3%的低濃度範圍。
霍爾-埃魯法電解質能滿足鋁電解的要求。電解質中溶解有一定的氧化鋁而卻不含有比鋁更正電性雜質，因而保證了鋁的質量；初晶溫度不十分高，電解可在低於1273K溫度下進行；不吸水、揮發性不大，易於操作；在電解溫度下電解質的密度小於鋁的密度，析出的鋁會沉積在槽底上，使電解槽結構簡化。但人們還在不斷尋求新的電解質成分和新的煉鋁方法，採用低溫鋁電解質是鋁電解的發展方向。
