铝电解的电极过程PPT课件

.,1,铝电解中的电极过程ElectrochemistryofAluminumElectrolysis,高炳亮,.,2,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,.,3,概述,Source:U.SEnergyRequirementsforAluminumProduction:HistoricalPerspective,TheoreticalLimitsandNewOpportunities,U.SDepartmentofEnergy.,铝工业流程图,.,4,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,.,5,概述,CarbonanodesAnodereaction:Al2O2F62-+2F-+CCO2+2AlF4-+4e-Al2O2F42-+4F-+CCO2+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,.,6,炭阳极,Fig.AschematicdiagramdepictingtheanodicgenerationofCO2gasbubblesandtherecombinationwithdissolvedmetaloriginatingfromcathodeSource:W.E.Haupin.CurrentEfficiency.ProductionofAluminiumandAlumina,ed.A.R.Burkin(NewYork:Wiley&sons,1987),pp.134-149.,.,7,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,.,8,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,.,9,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）,.,10,炭阳极,冰晶石-氧化铝熔盐电解的循环伏安图,.,11,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,.,12,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0.02i1.5A/cm2化学反应所控制1.5iccd扩散控制,.,13,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0.021.5A/cm2的范围内）,IIIIIIIVV,此过程的反应速度由CxOO碳氧中间化合物中的CC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,.,14,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,.,15,惰性阳极,惰性阳极上的电位扫描伏安图,.,16,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。,.,17,湿润性,湿润角的测量,.,18,湿润性,电极电位对湿润角的影响,.,19,湿润性,熔滴在炭板上的湿润与收敛,.,20,湿润性,熔滴与炭板界面上的电荷示意图,.,21,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。,.,22,阳极效应,.,23,阳极效应,.,24,阳极效应,氧化铝浓度对极限电流密度（ccd）的影响,.,25,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,.,26,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,.,27,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？,.,28,阴极过程,水溶液中部分离子的标准电极电位，298K,.,29,阴极过程,.,30,槽电压,电解槽槽电压的构成,V=cellreaction+overvoltage+bath+cathode+anode+connectors=|Eo|+|CC|+|AA|+|AC|+UB+UE,Eo=反电动势CC=阴极浓差过电势AA=阳极反应过电势AC=阳极浓差过电势,.,31,槽电压组成-炭阳极,.,32,槽电压组成-惰性阳极,.,33,电解中的法拉第定律,电化学当量Al:0.335gAh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,.,34,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？,.,35,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)delCEForacellat4.2Vand95%CEdelU=-(4.2