Сущность электролиза глинозёма

По современным воззрениям, расплав электролита состоит из катионов Na⁺ и оксифторидных комплексных анионов. Наиболее вероятны оксифторидные комплексные анионы (Аl₂О₂F₄^-2, Аl₂ОF₆^-2), состав которых зависит от концентрации глинозема в электролите. Оксифторидные анионы распадаются на простые ионы Аl⁺³, О^-2 и F^-. Перенос тока полностью осуществляется катионами натрия Na⁺, а оксифторидные анионы в переносе тока не участвуют.

Катодный процесс можно представить как разрушение оксифторидных анионов с выделением Аl и обогащением прикатодного слоя ионами F^- и О^-2, однако молекулы этих соединений не образуются. На аноде разряжаются анионы О^-2, получающиеся в результате разрушения оксифторидных ионов, и накапливаются ионы Аl⁺³ и F^-. В нормально работающем промышленном электролизере электролит под действием газогидродинамических процессов постоянно находится в движении, благодаря чему избытки ионов в прикатодном и прианодном слое исчезают и восстанавливается первоначальный состав электролита:

По современным представлениям, первичной реакцией, протекающей в алюминиевом электролизере, является образование СО₂. Однако экспериментальные данные свидетельствуют о наличии в анодных газах 30—50 % оксида углерода СО. Такое изменение состава газов происходит в результате:

1) взаимодействия СО₂ с неполяризованным углеродом угольной пены по реакции Будуара

СО₂ + С = 2 СО (3.1)

2) восстановления СО₂ растворенными в электролите субфторидами алюминия и натрия.

Процесс электролиза алюминия проводится при температуре 955—965 °С и по сравнению с температурой плавления промышленного электролита перегрев его в ванне составляет 20—25 °С. Расплавленный криолит удовлетворяет основным условиям, необходимым для осуществления электролиза: хорошо растворяет глинозем; не вступает в реакцию с углеродом футеровки катода и углеродом анода; не гигроскопичен; не содержит более электроположительных, чем алюминий, металлов, загрязняющих электролитический алюминий, жидкотекуч, электропроводен и обладает сравнительно низкой летучестью.

При комнатной температуре алюминий легче застывшего электролита, а при температуре электролиза — тяжелее на 10 % и поэтому находится под слоем электролита.

На практике КО электролитов поддерживается в пределах 2,1—2,5, что обеспечивается избытком фтористого алюминия 12 % и выше. Данный компонент очень летуч, при нагревании он возгоняется (сублимирует), т.е. переходит из твердого состояния в газообразное, поэтому загрузка AlF₃ в ванну производится по специальным правилам.

В электролит можно добавлять 1—2 %NaCl и 3,5—5,0 % LiF для снижения электросопротивления электролита. Особенно эффективна добавка LiF, который резко уменьшает сопротивление и температуру плавления электролита.

Таблица 3.1 Характеристика компонентов промышленных электролитов

Состав анодных газов зависит от многих конструктивных и технологических параметров электролизера: ширины анода, активности угольной части анода — его окисляемости и осыпаемости, температуры и состава электролита, междуполюсного расстояния и др.

Электролит также содержит примеси, поступающие с сырьем: оксиды железа, кремния, меди, фосфора, ванадия, различные соединения серы и др. Общее содержание указанных примесей невелико и не превышает долей процента.

При электролизе параллельно с основным процессом идут побочные, многие из которых осложняют нормальный ход электролиза, снижают выход по току, повышают расход электроэнергии и фтористых солей, приводят к повышенным выбросам вредных веществ в атмосферу, снижают стойкость футеровки и др.

Теоретически в ходе электролиза должны расходоваться только глинозем и углерод, а все остальные компоненты расплава лишь присутствуют в процессе. На самом деле, практически все виды сырья, используемые при электролизе, расходуются и попадают в окружающую среду, как в газообразном, так и твердом виде.

Для осуществления процесса электролиза между электродами электролизера — анодом и катодом — необходимо приложить напряжение. Наименьшее значение напряжения, при котором начинается длительный процесс электролиза, называется напряжением разложения.