第八章 铝电解中的电极过程
铝电解PPT课件
❖ 氧化铝中含有少量杂质如SiO2 、 Fe2O3 、TiO2 、CaO、 Na2O等。在电解过程中，比铝更正电型的金属氧化物（ SiO2 、 Fe2O3 、TiO2）将会被电解析出的铝还原成金属 进入铝液，从而污染金属铝，降低质量品级。比铝更负电 性的金属氧化物（CaO、Na2O）则会与冰晶石发生反应 ，从而使电解质成分发生改变而影响电解过程，增大氟盐 的消耗。水分同样也会分解冰晶石，还能生成有害的氟化 氢气体而污染环境，并增加液体铝中的氢含量。
1.3 溶剂——氟化盐
❖ 铝电解生产中用的溶剂氟化盐有冰晶石、氟化铝以及作 为添加剂使用的氟化钙、氟化镁、氟化锂等几种。
（1）冰晶石（Na3AlF6）是氧化铝的溶剂，是组成电解质 的主要成分。现代铝电解工业使用的冰晶石为人工合成 冰晶石。下表为人造冰晶石的质量标准：
等级 不小于
F Al 特级 53 13
铝电解惰性可润湿性阴极
2012.05.19
❖ 1.铝电解概述
❖ 1.1铝电解生产流程 ❖ 1.2 原料——氧化铝（Al2O3） ❖ 1.3 溶剂——氟化盐 ❖ 1.4 预焙阳极 ❖ 1.5 铝电解槽的阴极
❖ 2.惰性可润湿阴极
❖ 2.1 TiB2涂层阴极 ❖ 2.2 TiB2陶瓷阴极 ❖ 2.3TiB2复合阴极
附和机械损失等原因，使冰晶石在生产中有一定
的消耗量，一般情况下，每生产1t铝的冰晶石消
耗为5~15kg。
(2)氟化铝（AlF3)
铝电解工艺流程及处理方法
铝电解工艺流程及处理方法下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
文档下载后可定制随意修改，请根据实际需要进行相应的调整和使用，谢谢!并且，本店铺为大家提供各种各样类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，如想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by theeditor.I hope that after you download them,they can help yousolve practical problems. The document can be customized andmodified after downloading,please adjust and use it according toactual needs, thank you!In addition, our shop provides you with various types ofpractical materials,such as educational essays, diaryappreciation,sentence excerpts,ancient poems,classic articles,topic composition,work summary,word parsing,copy excerpts,other materials and so on,want to know different data formats andwriting methods,please pay attention!铝电解工艺是一种利用电化学反应从氧化铝中提取纯铝的工业过程，主要采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。
Al电解重点掌握
铝电解1 铝电解的原理及电极过程？写出电极反应及总反应。
在铝电解中，电解质温度达950-970℃。
含氧阴离子在阳极上失去电子，生成气体.视电极材料而异：1)如果阳极不参与电化学反应，则属于惰性阳极，生成O2；2)如果阳极参与电化学反应，则属于活性阳极，例如炭阳极，生成气体CO2。
铝离子在阴极上获得电子之后生成铝。
阴极反应Al3+ + 3e = Al（液）阳极反应 3 O2- + 1.5C –6e = 1.5CO2(气)铝电解总反应式:Al2O3 + 1.5C = 2Al(液) +1.5CO2(气)2 现代工业铝电解质酸度的概念和表示方法？电解质酸度有三种表示方式：（1）K1，即NaF/AlF3摩尔比（量比）；（中国采用，称分子比）（2）K2，即NaF/AlF3质量比（北美洲采用）；（3）f, 即过量AlF3%（西欧采用）3 铝电解质的添加剂有那些？作用是什么？工业生产中，经常要向电解质当中添加某些能够改善电解质理化性质以及提高电解生产指标的盐类，这些盐类称为添加剂。
添加剂：氟化钙、氟化镁、氟化锂、氯化钠。
氟化钙：可降低熔点、增大密度、增大电解质在铝液界面上的相间张力，减少铝溶解损失，增大粘度，减少熔液蒸气压. 但减少导电率，稍微减少氧化铝溶解度。
氧化铝中积累：4-6% 氟化镁：可降低熔点、增大密度、增大电解质在铝液界面上的相间张力，减少铝的溶解损失，优良的矿化剂(在侧壁上形成稳定的结壳)；使电解质结壳疏松好打；帮助炭粒与电解质分离，使槽电阻减小，提高电流效率。
但减少导电率.氟化锂：降低熔点、提高导电率。
氯化钠：降低熔点、提高导电率，但易水解。
3i铝电解的电解质主要类型有哪些。
目前工业上采用的电解质分为三类：传统电解质、改良电解质和低物质量比电解质。
4 电流效率的概念及计算方法？如何提高铝电解电流效率？4i 解释阳极效应的概念及相关现象，原因。
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。
铝电解的电极过程课件
电极过程的强化方法
总结词
电极过程的强化方法是提高铝电解电极过程效率的重要手段，通过采用先进的强化方法可以改善电极表面的传质 和传热条件，提高电极反应速率和降低能耗。
详细描述
在电极过程的强化方法方面，可以采用物理或化学方法来改善电极表面的反应条件，如采用电化学方法进行电极 表面处理、添加催化剂或采用脉冲电流等强化手段，这些方法可以改善电极表面的传质和传热条件，提高电极反 应速率和降低能耗。
04
铝电解的电极过程优化
电极材料的改进与优化
总结词
电极材料的改进与优化是铝电解电极过程优化的重要方面， 通过选用高导电性、高耐腐蚀性和高稳定性的电极材料，可 以提高电极的导电性能和耐久性，从而提高铝电解的效率和 降低能耗。
详细描述
在电极材料的改进与优化方面，可以采用新型的电极材料， 如碳纤维复合材料、钛基涂层电极等，这些材料具有更高的 导电性能和耐腐蚀性能，能够提高电极的使用寿命和降低电 极过程的能耗。
电极材料的改性
通过表面处理、掺杂、复合等方法改 善电极材料的性能，提高其耐腐蚀性 、导电性和稳定性。
电极过程的技术创新
电极形状与结构设计
研究不同形状和结构的电极对电极过程的影响，优化电极设计以降低能耗和提 高电流效率。
电极反应工程
探讨电极反应过程中的传质、传热和动力学问题，以及电极表面的物质传递和 电荷转移过程。
铝电解的电极过程课件
目录
• 铝电解的电极过程概述 • 铝电解的阳极过程 • 铝电解的阴极过程 • 铝电解的电极过程优化 • 铝电解的电极过程研究进展 • 铝电解的电极过程应用与案例分析
01
铝电解的电极过程概述
铝电解的基本原理
铝电解是一种通过电解熔融氧化 铝和冰晶石的混合物来生产铝的
铝电解教程.ppt
• 电解槽排布方式：
• 横向排列 l 纵向排列
单行排列 双行排列
铝电解槽配置图
铝电解槽的母线配置
图4-2-8
未来铝电解槽的改进
•
目前的铝电解槽尚存在一些问题：生产过程能量
利用率较低，电流效率不太理想，单位产品的投资费
用较高，控制污染的设备费用也很贵。
• 4.2.4.1 原有电解槽的改造
•
原有电解槽的改造包括阴极材料、阳极材料及槽
⑷炭阳极对阳极糊的要求
阳极糊要求有一定的塑性（或流动性），以便 填满拔棒后留下的孔洞；但流动时不能引起焦 粒偏析，孔洞不能被富含沥青的糊所填充，以 免此处焦化后孔隙率过高；
流动性与糊中沥青配比、沥青的软化点、阳极 上部温度等因素有关。
阳极糊的质量主要取决于固定炭粒的粒度组成， 沥青配比由粒度组成确定。
化作用，基本上同旁插棒槽。在焦化过程
中，也形成了烧结锥体。阳极棒通过上层
的液体糊，一直插到阳层的
阳极糊来充填，结果生成所谓“二次阳
极”。这对于阳极的质量有一定的影响。
自焙阳极上插棒式电解槽简图
图4-2-5
(3) 连续预焙阳极电解槽
相对于非连续式有如下特点： • 优点： 无阳极残极，预焙炭块消耗量小； 阳极电流分布均匀，故阳极消耗均匀； 生产的连续性。 • 缺点： 阳极不能用氧化铝保温，热损失大； 炭块之间接缝存在接触电压降，故槽电
铝电解工业初期的小型预焙电解槽； 20世纪20~40年代，相继采用旁插棒式 自焙阳极和上插棒式自焙阳极； 50年代后大型预焙阳极。
铝电解槽的发展从19世纪末至今已经有了一百多 年的历史。
ã 初期：电流强度为4~8kA的小型预焙阳极电 解槽，产铝量为20~40kg/d；电能消耗为 42kW·h。
《铝电解原理中南》课件
铝电解是一种重要的工业生产技术，本课件将介绍铝电解的基本原理、设备 及工艺、应用领域、发展趋势等内容。
什么是铝电解
铝电解的原材料
铝电解的生产以铝土矿和人造氧化铝为原料， 经一系列的冶炼、熔炼过程得到铝金属。
铝电解的生产过程
铝电解是指将氧化铝熔液经电解反应将铝离子 还原为铝金属的过程。该过程需要高温、高压 环境和大量电能。
铝电解的基本原理
反应方程式
铝电解的反应方程式为 4Al3+ + 6e → 4Al + 3O2， 其中Al3+为铝离子，e为 电。
电化学反应
铝电解是一种氧化还原 反应，在一定的条件下， 由于电子的转移而促进 铝离子被还原成铝金属 的过程。
过程流程
铝电解的过程涉及到许 多环节，包括铝熔炼成 型、铝质块及超重熔盐 的预处理、再生铝生产 等。
铝电解的设备及工艺
1
反应器组成
铝电解的反应器一般由电极、电解
电解槽结构
2
槽、电解质和电解液四个部分组成。
铝电解槽是整个工艺过程中最重要
的部分。目前铝电解槽主要采用氧
化铝电解槽，同时也有人造氧化铝
3
电解液的组成
等电解槽被广泛使用。
铝电解液是决定铝电解的关键因素
之一，其组成包括氟化物、氧化铝、
铝、氯化钠等多种元素，各种元素
铝电解技术的发展方向
未来铝电解技术的发展趋势将更加绿色、环保、高效，以适应社会对资源、环保和节能等方 面的需求。
铝电解技术的发展在国内外 均取得了巨大的突破。中国、 美国、亚洲地区的一些国家 均已开发出一些先进的铝电 解技术，为行业的快速发展 奠定了基础。
结论
[化学]第八章金属阳极过程与金属腐蚀
![[化学]第八章金属阳极过程与金属腐蚀](https://img.taocdn.com/s3/m/18d2fd79453610661fd9f44d.png)
❖ ①金属晶格离解破坏，晶格中的金属原子离解或变成吸附态的金属原子。 Me→Me(吸)
❖ ②吸附态金属原子失去电子变成金属离子，成为水化离子（或配离子）。 Me(吸) →Men+ ·nH2O（表面）
❖ ③形成的水化金属离子经过扩散从电极表面进入本体溶液中。 Men+·nH2O(表面） →Men+ ·nH2O(本体)
如碱性溶液中： O H O 22H 2O 4e
酸性深液中： 2H 2O 4e O 24H
8.4 金属的钝化现象
三、 阳极钝化的条件
1.外加电位大于临界钝化电位。当φ＜φ钝化时，金属处于活性溶解区， 不会出现钝化。当φ＞φ钝化后，就会出现钝化。φ钝化越小，金属越 容易钝化，φ钝化与金属本性，合金的形成及溶液的pH值有关。 2.阳极电流大于临界钝化电流，iA>i钝化，同样的i钝化越小，金属越容 易钝化。 ❖ 同样，当发生化学钝化时，也可以观察到电极电势显著的向正方向移 动。而且为了使某种金属转变为钝态溶液中氧化剂的浓度也不能小于 某一临界数值。称为“临界钝化浓度”。若氧化剂的浓度低于此临界 浓度，则不但不会导致钝态的出现，反而将引起金属更快的溶解。
石墨是熔盐电解中不可缺少的阳极材料，导电性好，又能抵抗1000度 左右高温条件下溶盐的侵蚀和冲刷。但在水溶液中由于会吸水发生胀 裂以及受析出气体的腐蚀，只在某些特殊情况下才采用。 ❖ ②表面覆盖具有电子导电性的氧化物层的金属材料。如锰电解和锌电 解中广泛使用的Pb-Ag（~1%）阳极。其表面生成一层的PbO2+Ag2O膜。 这层膜极其致密与稳定。
8.3可溶阳极的溶解
❖ 实践证明，在电流密度较小时，许多金属的阳极溶解过程电化学极化 非常明显，浓差极化几乎忽略不计。即使电流密度增大时，虽有浓差 极化，但是浓差极化较小。
电解铝工艺流程
电解铝工艺电解铝 - 简介电解铝就是通过电解得到的铝。
现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。
熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃-970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，既电解。
电解铝 - 工艺流程电解铝生产过程铝电解工艺流程：现代铝工业生产采用冰晶石—氧化铝融盐电解法。
熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃-970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，既电解。
化学反应主要通过这个方程进行：2Al2O3==4Al 3O2。
阳极：2O2ˉ-4eˉ=O2↑阴极:Al3 3eˉ=Al。
阳极产物主要是二氧化碳和一氧化碳气体，其中含有一定量的氟化氢等有害气体和固体粉尘。
为保护环境和人类健康需对阳极气体进行净化处理，除去有害气体和粉尘后排入大气。
阴极产物是铝液，铝液通过真空抬包从槽内抽出，送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯.型材等。
其生产工艺流程如下图：氧化铝氟化盐碳阳极直流电↓↓↓↓↓排出阳极气体------ 电解槽↑↓↓废气←气体净化铝液↓↓回收氟化物净化澄清↓↓↓返回电解槽浇注轧制或铸造↓↓铝锭线坯或型材电解铝 - 产业特点电解铝世界上所有的铝都是用电解法生产出来的。
铝电解工业生产采用霍尔-埃鲁冰晶石-氧化铝融盐电解法，即以冰晶石为主的氟化盐作为熔剂，氧化铝为熔质组成多相电解质体系。
其中Na2AlF6-Al2O3二元系和Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系是工业电解质的基础。
电解铝工业对环境影响较大，属于高耗能，高污染行业。
电解铝生产中排出的废气主要是CO2，以及以HF 气体为主的气-固氟化物等。
CO2是一种温室气体，是造成全球气候变暖的主要原因。
而氟化物中的CF4和C2F6其温室作用效果是二氧化碳的6500-10000倍，并且会对臭氧层造成不同程度的影响。
铝电解教程
⑸预焙阳极炭块
质量评价：真比重、假比重、机械强度、 电阻率。 • 制备过程： • 成型：挤压成型；振动成型； l 焙烧：环式窑。要求合适的升温速度。
碳阳极放置图
碳阳极残极图
⑹炭阳极消耗指数
定义： •按每1安培· 小时电量计，阳极实际炭耗量与 理论炭耗量的比率。 l 理论消耗量： 12.011 4 h 0.1120 g/A· 96487 3600 影响因素： 阳极在空气中的氧化；阳极掉粒；生成CO等。
优点：
电耗低，槽电压低； 电解槽造价少；
可大型化，操作的机械化程 度高；
烟害小。
缺点：
非连续式预焙阳极电解槽需 更换阳极； 需成套的阳极制备工厂，投 资多。
氧化铝下料装臵立体图
氧化铝下料装臵剖面图
四种型式阳极的比较
电流/kA d 阳/A〃cm-2 电耗/kWh〃 -1 t 阳极操作 磁场隆起影 响 废气捕集效 率/% 气体净化 工时数/h〃t-1 预 焙 自 焙 不连续式 连续式 旁插棒式 上插棒式 50～130 50～150 220 120 0.7～0.8 0.7～1.0 0.55～0.7 0.7 13000～ 150000～ 150000～ 160000 16000 170000 170000 简单 不复杂 复杂 很复杂 强烈感觉 轻微 感觉到 感觉到 到 90～95 不复杂(只有 粉尘和废气) 6.7 无 无 9.2 60～70 40～60
⑶炭阳极对沥青的要求
• • •
•
作用： 沥青作为粘结剂，粘结炭粒形成具有一定塑性 的炭糊，在炭糊焦化过程中焦结固体炭粒，使 电极具有足够的机械强度。 要求： 1.树脂(>20%)是保证粘结性能的重要成分, 不 溶。 而 树脂可溶。 2.固定炭 (>50%)焦化过程中沉积在骨料之间,降 低阳极孔隙率, 提高机械强度和导电率; 3.水份<0.5%, 灰分<0.5%
铝电解过程的生产流程
铝电解过程的生产流程下载温馨提示：该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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电解铝反应原理课件
+2e-
阳极
钠 熔融NaCl 熔融NaCl
小结：分析电解反应 用惰性电极时 的一般思路： 用惰性电极时)的一般思路 小结：分析电解反应(用惰性电极时 的一般思路：
明确溶液中存在哪些离子
阴阳两极附近有哪些离子
根据阳极氧化、阴极还原以及氧化性、 根据阳极氧化、阴极还原以及氧化性、还原性 强弱判断反应的离子先后， 强弱判断反应的离子先后， 最后分析得出产物
电解反应原理
朱伶俐
2012. 3. 27
授课内容
1、电解的定义 2、电解池电极的判断方法
电解反应原理
3、电极反应的书写 4、发生电解反应的基本条件 5、离子的放电顺序 1、铝电解反应的电极反应 方程式
电解反应实际应用
2、何为铝电解 3、冰晶石的作用
CuCl 电解原理（以电解CuCl2溶液为例） 以电解CuCl 2溶液在电流的 作用下究竟发生了 什么反应？ 什么反应 阴极:石墨棒周围CuCl ？ 阴极:石墨棒周围CuCl2溶液绿色 变深， 变深，石墨棒上逐渐覆盖了一层 红色固体（Cu） 红色固体（Cu） 阳极:石墨棒周围CuCl 阳极:石墨棒周围CuCl2溶液绿色 变浅，石墨棒上有气泡放出，并 变浅，石墨棒上有气泡放出， 可闻到刺激性的气味， 可闻到刺激性的气味，同时看到 湿润的碘化钾淀粉试纸变为蓝色。 湿润的碘化钾淀粉试纸变为蓝色。
络合） C－ O2-（络合）+ C－4e- = CO2↑ 阳极： 阳极：
直流电、熔解、 直流电、熔解、电离 总反应： 2 2 Al + 1.5CO2 总反应：Al 2O3 + 1.5C 960℃
铝电解通入直流电的目的
（1）要在两极实现电化学反应，也就是说在电解质 要在两极实现电化学反应， 中使铝离子从阴极上得到电子而析出。 中使铝离子从阴极上得到电子而析出。 （2）利用它的热能将冰晶石熔化呈熔融状态，并保 利用它的热能将冰晶石熔化呈熔融状态， 持一定的电解温度
第八章铝电解中的电极过程
阴极副反应
• （1）铝的溶解和损失： • 金属铝部分地溶解在冰晶石熔体中。一般
认为，阴极铝液在电解质里的溶解有以下 几种情况： • （a）溶解在熔融冰晶石中的铝，生成低价 铝离子和双原子的钠离子。 • 2Al+Al3+=3Al+ • Al+6Na+=Al3++3Na2+
极 效 应
2）阳极周围的电解质如被气体 拨开，阳极与电解质界面上 的气泡不再大量析出；
2）电流密度大，易发生阳极效 应，电流密度越大，发生效 应时的氧化铝浓度越高，反
3）电解质不再沸腾；
之亦然；
4）电压急剧上升（4V→30~50， 3）称发生阳极效应时的最低电
甚至100V），灯亮；
流密度为“临界电流密度”。
• 在熔融铝电解质中，钠离子的迁移数约为 99%，但是它并不在阴极上放电。在工业应 用的电解质组成的温度范围内，纯钠的析 出电位大约比纯铝的析出电位负250mv,所 以阴极上Al3+优先放电，而且铝电解过程是 一种三电子的迁移过程。
在阴极双电层中，铝-氧-氟络合离子 中的Al3+受阴极的吸引，挣脱掉络离子的 束缚，往布满着电子的阴极上靠拢，发 生三电子转移的电极反应，生成液体铝 ： Al3+ + 3e = Al（液），这就是阴极 上的主反应。
阳极副反应
• 冰晶石—氧化铝熔盐电解在电解过程发生主 反应的同时，伴随着一系列副反应，主要发 生如下反应：
– 2Al（溶解的）＋3CO2 = Al2O3 十 3CO
• 添加剂对电解质的影响:
铝电解生产中，为了改善电解质 的性质，有利于生产，通常向电解 质中添加各种添加剂，以达到提高 电流效率，降低能耗的目的。
铝电解生产原理PPT课件
11
❖ 根据铝电解的基本原理，需要为反应 过程提供大量的直流电能，用以推动 反应向生成铝的方向进行；随着电解 反应的不断进行，炭阳极以及溶解于 电解质中的氧化铝不断消耗，生产中 需及时补充，使生产得以连续进行； 原则上冰晶石是不消耗的，但是由于 和杂质反应引起的化学损失、各种机 械损失以及在电解的高温融融状态下 的挥发损失，电解过程中也需要一定 的补充。
❖ 在电解质熔体中，增加AlF3的含量，则电解质粘度降低。 但是在酸性电解质中，AlF3和Al2O3的共同存在对粘度的影 响将不会十分明显；
❖ 4）在电解质熔体中，随着AlF3含量的增加，熔体中Al2O3 的溶解度随之降低；
❖ Al3＋（络合）＋3e﹦Al
❖ 目前铝工业仍然采用活性阳极，阳极本身参与反应。 在阳极炭块上是铝氧氟络合离子中的O2－放电，发 生电化学反应：
❖ 2 O2－（络）－4e＋C﹦CO2
❖ CO2被认为是阳极第一反应产物，铝电解的结果只 消耗了Al2O3和C，因此整个电解过程总反应式为：
❖ Al.2O3＋1.5C﹦2Al＋1.5 CO2↑
.
2
一、铝的性质和用途
❖ 铝的化学性质非常活泼，与氧的亲和力很强。铝在 空气中能与氧迅速化合，生成一层致密而坚硬的氧 化铝薄膜，厚度为0.005～0.02μm，成为铝的天然保 护层，阻止铝继续被氧化，因而具有好的抗蚀性能， 还可以用阳极氧化或电镀的方法，在铝材和铝制品 的表面生成彩色鲜艳的氧化膜。
. 以轧成薄板和箔、拉成细丝、挤压成各种复杂形状 3
❖ 铝由于具有优良的物理性能，所以铝在国民经济各部 门和国防工业中得到了广泛的应用。铝作为轻型结构 材料，重量轻，强度大，陆、海、空各种运载工具， 特别是飞机、导弹、火箭、人造卫星等，均使用大量 的铝，一架超音速飞机的用铝量占其自身重量的70％， 一枚导弹用铝量占其总重量的10％以上。用铝和铝合 金制造的各种车辆，由于重量轻，可以减少能耗，所 节省的能量远远超过炼铝时所消耗的能量。在建筑工 业中用铝合金作房屋的门窗及结构材料，铝具有吸音 性能，音响效果也较好，所以广播室、现代化大型建 筑室内的天花板等也采用铝，用铝制作太阳能收集器， 可以节省能源。在电力输送方面，铝的用量居首位， 90％的高压电导线是用铝制作的。在食品工业上，从 仓库储槽到罐头盒，以至饮料容器大多用铝制成。在 其他方面，用铝粉作难熔金属(如钼等)的还原剂和作 炼钢过程中的脱氧剂，以及日常生活中的锅、盆、匙 等。
电解铝反应原理课件
铝电解电极的选择
• 电解过程中，冰晶石熔液具有高温，且具 有很大的腐蚀性。 • 炭素材料具有良好的导电性，能耐高温、 抗腐蚀，而且价格比较低廉。
阳极C 阳极C 烟罩 电解 质 熔融 态铝 钢壳 耐火 材料 阴极C 阴极C 钢导电 棒
铝电解原理
阳极 阴极 冰晶石— 冰晶石—氧化铝熔液中的离 子质点有Na 子质点有Na+、AlF63-、 AlF52-、 还有Al AlAlF4-、F-，还有Al-O-F型络 合离子。其中Na 是单体离子， 合离子。其中Na+是单体离子， 结合在络合离子里。 Al3+结合在络合离子里。
思考1 电解氯化铜溶液时，溶液中Cu 【思考1】电解氯化铜溶液时，溶液中Cu2＋和Cl－放 电基本完毕后，电解过程是否也就停止了呢？ 电基本完毕后，电解过程是否也就停止了呢？ 溶液中Cu 放电完毕后，原溶液变为纯水，此时， 溶液中Cu2+和Cl—放电完毕后，原溶液变为纯水，此时， 在纯水中存在H 在阴极放电， 在纯水中存在H+和OH—， H+在阴极放电，OH—在阳极放 实际上是电解水的过程，所以： 电，实际上是电解水的过程，所以： 阴极： 阴极：4H+ + 4e— = 2H2 ↑ 阳极： 阳极：4OH— －4e— =2H2O + O2 ↑ 电解 总反应： 2H2↑ + O2 ↑ 总反应：2H2O =
熔融的氯化钠中有Na 熔融的氯化钠中有Na+和Cl— ，Na+在阴极放电生成金属 在阳极放电生成氯气。 钠，Cl—在阳极放电生成氯气。 阴极
阴极： 阴极：2Na+
= 2Na 氧化反应） （氧化反应） 氯 阳极： 阳极：2Cl- -2e- = Cl2↑ 气 还原反应） （还原反应） 总式： 总式： 电解 NaCl = Na + Cl2↑
电解铝原理和工艺流程
电解铝原理和工艺流程电解铝是通过电解法制备铝金属的一种常用工艺，具体工艺流程包括以下几个步骤：原料准备、溶解铝矾土、制备电解液、电解铝、后处理等。
首先，原料准备阶段。
该阶段需要准备铝矾土、氢氧化铝以及电解槽、阳极和阴极等设备。
其次，溶解铝矾土。
将铝矾土研磨成粉末，与氢氧化钠或氢氧化铝等碱性物质混合，加入冷热水溶解反应中，得到含铝离子的溶液。
然后，制备电解液。
将铝矾土溶解液经过沉淀、过滤等处理工艺，去除杂质，浓缩铝离子得到电解液。
接下来，是电解铝阶段。
将电解液加入电解槽中，阳极和阴极分别安装在电解槽中，阳极采用铝金属，阴极采用具有多孔隔膜的铝板。
当电流通过电解液时，铝阳极上的铝离子释放出电子，并在电解槽中形成金属铝，同时电极上的氧离子与阳极上的氧化铝反应生成氧气。
阴极则吸附铝离子并还原成金属铝。
最后，进行后处理。
电解铝得到后，需要进行铝块的清理和处理。
首先，将铝块经冷却、清洗等工艺处理，去除阳极上的附着物。
然后，进行熔炼处理，通过浸熔和精炼来去除铝中的杂质，提高纯度。
最后，进行铸锭，将铝液倒入铸模中进行凝固，形成铝锭。
电解铝的原理主要是依靠铝矾土中的铝离子与水溶液中的氢氧化铝或氢氧化钠反应，生成含铝离子的溶液。
在电解槽中，通过电流的作用，阳极上的铝离子释放出电子，并在电解槽中还原成金属铝，同时氧离子与阳极上的氧化铝反应生成氧气。
阴极吸附铝离子并还原成金属铝，从而实现了电解铝的制备。
总的来说，电解铝的工艺流程包括原料准备、溶解铝矾土、制备电解液、电解铝和后处理等步骤。
通过这一工艺可以高效制备出纯度较高的铝金属。
工业上电解法冶炼铝阳极方程式
工业上电解法冶炼铝阳极方程式电解法冶炼铝阳极反应电解法冶炼铝的阳极反应是：2Al2O3(l) → 4Al(l) + 3O2(g)反应机理电解池中熔融的电解液主要成分为冰晶石（Na3AlF6）和氧化铝（Al2O3）。
在电解时，在阳极上发生以下反应：1. 氧化铝溶解在冰晶石熔体中，形成氧化铝离子（Al3+）：Al2O3(s) + 6F-(l) → 2AlF63-(l) + O2-(l)2. 氧化铝离子进一步分解，在阳极上析出铝：2AlF63-(l) → 2Al(s) + 6F-(l)3. 同时，释放出氧气：O2-(l) → 1/2O2(g) + 2e-电解过程中，阳极会不断消耗，因此需要定期更换。
影响阳极反应的因素阳极反应受以下因素影响：阳极材料：阳极材料应具有较高的导电率和耐腐蚀性，常用的阳极材料为碳素材料。
电解液温度：电解液温度越高，阳极反应速率越快，但也会增加电解质的挥发。
电流密度：电流密度增加，阳极反应速率增加，但过高的电流密度会导致阳极过热和腐蚀。
杂质：电解液中的杂质，如硅、铁等，会与氧化铝反应，生成稳定的化合物，从而抑制阳极反应。
阳极消耗在电解过程中，阳极会不可避免地发生消耗，主要原因有：电解反应本身：阳极上的氧化铝离子被还原为铝，从而消耗阳极物质。
碳气的生成：电解液中的氟离子与碳阳极反应，生成碳气（CO 和CO2），导致阳极物质损失。
氧化：氧气在高温下会氧化阳极，导致阳极物质损失。
阳极保护措施为了延长阳极的使用寿命，需要采取以下保护措施：选择合适的阳极材料：选择具有高导电率、耐腐蚀性和抗氧化性的阳极材料。
控制电解条件：控制电解液温度、电流密度和杂质含量，以减少阳极消耗。
使用阳极保护剂：在电解液中加入某些化合物（如氟化铝）作为阳极保护剂，以抑制阳极腐蚀。
定期更换阳极：当阳极消耗达到一定程度时，应及时更换，以确保电解池的正常运行。
铝电解阴极
铝电解阴极铝电解阴极是铝电解法生产铝的关键部件，它在铝电解过程中发挥着重要的作用。
本文将以清晰的条理进行铝电解阴极的介绍，内容将包括铝电解阴极的定义、结构、材料选择、工作原理以及应用。
一、铝电解阴极的定义铝电解阴极是指在铝电解过程中被用作阴极的部件，它用于向阳极供电并吸收阳极产生的氧化铝离子，从而实现铝电解反应。
二、铝电解阴极的结构铝电解阴极一般由钢壳、耐热石墨、导电碳母体和导电碳颗粒等组成。
其中，钢壳是阴极的外壳，耐热石墨是阴极的保护层，导电碳母体是阴极的主要承载层，导电碳颗粒则是阴极的电流传递层。
三、铝电解阴极的材料选择1.钢壳：一般选用耐高温和腐蚀性能好的不锈钢作为钢壳材料，以保证阴极的稳定性和耐用性。
2.耐热石墨：耐热石墨具有优良的导电和耐腐蚀性能，可有效地保护阴极材料不受到高温和腐蚀的影响。
3.导电碳母体和导电碳颗粒：导电碳母体选择石墨母体，并在石墨母体中加入合适的导电酚醛树脂和导电颗粒，以提高阴极的导电性能和电流传递效率。
四、铝电解阴极的工作原理铝电解阴极通过与阳极相连，形成电路。
在电解槽中，电流从阳极流向阴极。
阳极产生的氧化铝离子在阴极表面还原，生成金属铝，并释放出电子。
阴极承载了这一冶炼过程，并通过导电碳母体和导电碳颗粒将电子传递给金属铝，使其得以形成。
五、铝电解阴极的应用铝电解阴极广泛应用于铝电解工业中。
通过铝电解反应，可以生产出高纯度的金属铝，该金属广泛用于航空、汽车、建筑、电子等领域。
铝电解阴极的稳定性和耐用性对铝电解生产的效率和成本起着至关重要的作用。
综上所述，铝电解阴极是铝电解法生产铝的关键部件。
它通过阴极的结构和材料选择，实现了有效的电流传递和铝电解反应，从而生产出高纯度的金属铝。
随着科技的不断进步，铝电解阴极的发展将会进一步提高生产效率，为铝工业的发展做出更大的贡献。
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8.1铝电解冶金的电化学体系及其性质
• （2）密度
• 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，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
• （3）粘度
• Al2O3升高，粘度增加，加入MgF2、CaF2 可使电解质粘度增加，加入AlF3、LiF、 NaF却使电解质粘度降低
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 2的范围内） 0.02~1.5A/cm 2
O (络合的) - 2e O(ad ) O(ad ) xC C x O C x O O 2 (络合的) 2e C x O O C x O O CO2 (ad ) ( x 1)C CO2 (ad ) CO2 ( g )
2）阳极气膜电阻过电位 覆盖在阳极上的气膜阻碍电流流过，电极 有效面积减少，真实电流密度增大，从而提高 电极极化电位，表现出阳极过电位；一般随 Al2O3浓度的降低和阳极表面积的增大而增加， 阳极效应时尤为明显。
1
阳极过电压和阳极效应
阳 极 过 电 位
3）浓差过电位 电极界面区浓度梯度，形成“扩散层”，扩散层 的传质过程成为电极过程速率控制步骤，产生 浓差过 电位（或扩散过电位）。 一般情况下，阳极气体 CO 2 使阳极界面区电解质产生 扰动，避免了浓差极化的产生。但是，当接近阳极效 应时，Al2O3浓度降低，出现浓差极化；在特别低的电 流密度下，CO2减少，失去对电解质的扰动作用，浓差 极化也有可能出现。 4）势垒过电位 阳极附近的熔体中非放电离子，如F-、AlF4-、 AlF6-等，形成电化学屏障。
阴极副反应
• （b）铝以电化学反应形式直接溶解进入电 解质熔体中。Al（液）-e=Al+ • （c）物理溶解：铝也可能以金属微粒的形式 溶解在电解质中构成金属雾。
阴极副反应
（2）金属钠的析出
电解过程中阴极的主反应是析出铝而不是钠，因为钠的 析出电位比铝低。但是，随着温度升高，电解质分子 比增大，氧化铝浓度减少，以及阴极电流密度提高， 钠与铝的析出电位差越来越小，而有可能使钠离子与 铝离子在阴极上一起放电，析出金属钠： • Na+＋e＝Na • 析出的钠少部分溶解在铝中，剩下的一部分被阴极炭 素内衬吸收，一部分以蒸汽状态挥发出来（钠的沸点 为880℃），在电解质表面被空气或阳极气体所氧化， 产生黄色火焰。可能的反应为： • 4Na＋O2＝2Na2O • 2Na＋CO2＝Na2O＋CO • 2Na＋CO＝Na2O＋C • 措施：增加电解质中AlF3含量及避免电解质过热。
电极反应
Al 3e Al 3 C O 2 2e CO C 2O 2 4e CO2 C O 2 2 F 4e COF2 C 4 F 4e CF4 2 F 2e F2
P6
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<1.5 A/cm2 化学反应所控制 • 1.5<i<ccd 扩散控制
8.3铝电解电极过程
• 铝电解原理：
现代铝工业生产，主要采用冰晶石氧化铝熔盐电解法，其中氧化铝是炼铝 的原料，冰晶石是熔剂。直流电通入电 解槽，在阴极和阳极上发生电化学反应。 电解产物，阴极上是液体铝，阳极上是 气体CO2（75-80%）和CO（20-25%）。
8. 3铝电解的电极过程
• 1.阴极过程
1
阳极过电压和阳极效应
综上所述，阳极过电位就是这四项之和， 即：
1 阳 极 过 电 位
V阳过=V反应+V气膜+V浓差+V势垒
而阴极过电压只有后面的两项，所以它的 值比较小（铝析出时的过电压约10-100mv）。
阳极过电压和阳极效 效 应
1）阳极周围发生明亮的小火花， 1）电解质中缺少氧化铝； 伴劈啪声； 2）电流密度大，易发生阳极效 2）阳极周围的电解质如被气体 应，电流密度越大，发生效 拨开，阳极与电解质界面上 应时的氧化铝浓度越高，反 的气泡不再大量析出； 3）电解质不再沸腾； 4）电压急剧上升（4V→30~50， 甚至100V），灯亮；
I
II
III IV
V
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
•
3 计算Al2O3的分解电压 Al2O3 = 2Al +1.5 O2 (1)
(1) 采用惰性阳极,阳极上析出氧气.
(2) 采用活性阳极(例如碳阳极)时, 阳极上生成CO2和 CO. Al2O3+1.5 C = 2Al +1.5 CO2 (2) Al2O3+3 C = 2Al + 3 CO (3)
之亦然；
3）称发生阳极效应时的最低电 流密度为“临界电流密度”。
阳极过电压和阳极效应
阳极效应机理 1）润湿性改变学说：熔体中Al2O3浓度低到一定程
2 阳 极 效 应
度时，电解质对炭阳极底掌的润湿性变差，气体
覆盖阳极表面，致使电流以电弧形式穿透气膜。
阳极过电压和阳极效应
阳极效应机理
2）氟离子放电学说：随着 电解过程的进行，电解质 中含氧离子逐步减少到一 定程度后，氟析出，然后 与炭作用：①阳极表面形 成COF2和CF4的绝缘层；② 导致阳极崩裂且氟化物分 解后又在阳极表面析出微 细炭粒，以致电解质不能 很好润湿阳极，气膜形成。
GT nFET
0 ET 化合物的理论分解电压
理论分解电压
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
0 ET
G nF
例: Al2O3+1.5C=2Al+1.5CO2 ∆G=-675.7kJ/mol
E
o 1273
675700 1.168 96500 6
• 在熔融铝电解质中，钠离子的迁移数约为 99%，但是它并不在阴极上放电。在工业应 用的电解质组成的温度范围内，纯钠的析 出电位大约比纯铝的析出电位负250mv,所 以阴极上Al3+优先放电，而且铝电解过程是 一种三电子的迁移过程。
在阴极双电层中，铝-氧-氟络合离子 中的Al3+受阴极的吸引，挣脱掉络离子的 束缚，往布满着电子的阴极上靠拢，发 生三电子转移的电极反应，生成液体铝： Al3+ + 3e = Al（液），这就是阴极上的 主反应。
8.1铝电解冶金的电化学体系及其性质
• 1.铝电解电化学体系 • 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 晶石和炼铝原料氧化铝组成。（图片）
8.1铝电解冶金的电化学体系及其性质
• 2.冰晶石-氧化铝熔盐理化性质 • 冰晶石（Na3AlF6或3NaF.AlF3）,无色，有 强烈的腐蚀性，熔点为1010℃，单斜晶系。 虽有天然产物，但数量颇少。炼铝工业采 用的是合成冰晶石。 • 氧化铝，白色粉末，熔点为2050 ℃。工业 氧化铝的纯度为99%。
•
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。
SG - SL cos LG
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
第八章 铝电解中的电极过程
主要内容
• • • • • • 铝电解的电化学体系及其性质 铝电解的理论分解电压 铝电解的电极过程 铝的电解精炼 铝电解的工艺及设备 熔盐电解电流效率
重点内容
• 铝电解的电化学体系及其性质 • 铝电解的电极过程 • 铝电解的工艺及设备
• 现代铝工业三个主要生产环节： （1）从铝土矿提取纯氧化铝 （2）用冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝 （3）铝加工 • 辅助环节： （1）炭素电极制造 （2）氟盐生产
• （4）表面张力 • Na3AlF6-Al2O3熔盐在碳电极上的润湿角θ 随Al2O3的含量增大而减小。
8.1铝电解冶金的电化学体系及其性质
不同条件下的冰晶石-氧化铝熔体结构模型
8.2铝电解的理论分解电压 • 1. 氧化铝的分解电压 电解质组分的分解电压是指该组分进 行长时间电解并析出电解产物所需要的 外加最小电压. • 2. 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 于它在恒压下的生成自由能,但符号相反 . o o
•
氟化钙：降低熔点、增大密度，减少 铝的溶解损失。 • 氟化镁：降低熔点、增大密度，减少 铝的溶解损失，减少导电率，优良的矿 化剂：在侧壁上形成稳定的结壳；使电 解质结壳疏松好打；帮助炭粒与电解质 分离，使槽电阻减小，提高电流效率。
• 氟化锂：降低熔点、提高导电率。 价格高。 • 氯化钠：降低熔点、提高导电率， 但易水解,腐蚀性强。
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
电流峰
P1 P2 P3 P4 P5
阳极过电压和阳极效应
阳极过电位的性质和组成随着电流密度的变化而发 生改变： 1）活化过电位 电化学反应过电位和化学反应过电位
1 阳 极 过 电 位
电化学反应过电位是由于电极反应过程中，电荷通 过电极与电解质界面双电层，进行电子交换的缓慢步骤 所引起的阳极过电位，这时电化学反应步骤成为整个电 极过程的速率控制步骤；