熔盐电解.ppt

熔盐电解
1 概述
2 熔盐电解电化学基础
3 铝电解
4 熔盐电解制取高熔点金属、
合金和半导体
1 概述
熔盐电解一电化学方法可以制取电极电位最负的金属(锂)和电极电位最正的非金属(氟)。
熔盐电解生产铝,产量仅次于钢铁、居世界金属产量第二位。
此外,还可以进行电解制取稀土、高熔点金属、合金和半导体。
建立在电解质水溶液体系的电化学理论,一般可用于熔盐体系。
但是,熔盐电化学又另有一系列特点。
(1)虽然熔盐也属于第二类导体,但其形成条件和状态、结构都和水溶液大不相同。
(2)熔盐电解过程一般都在高温下进行,因此导致熔盐电极过程在热力学及动力学方面都具有特点。熔盐中,电极过程的分步骤都具有很高的速度,因此电解可以采用很高的电流密度,达到105A/m2。
同样是因为高温,产生了熔盐中金属与熔盐的相互作用,导致金属的溶解,高温还会对电化学反应器的材料和结构提出更高的要求。
2 熔盐电解电化学基础
一、熔盐电解质的物理化学性质
1、熔点P76
2、密度
熔盐电解时,产物往往也是液态金属,因此熔融电解质的密度关系电解质与产物的分离,希望二者密度不同,自然分离。熔融盐溶液的密度通常用流体静力称量法(阿基米德法)和最大气泡压力法来测定
熔盐电解质的密度随着温度上升而下降,可以近似计算:
3、电导率
温度对不同种类的导电率的影响是不同的。
自由电子导电的第一类导体,当温度升高时,他们的导电率下降,电阻率上升。如金属。
对于离子导电的第二类导体,温度上升,电导率增加,电阻率减小。这是由于温度升高,离子的动能增加,更容易克服离子间的吸引力,便于在电场的作用下移动;另一方面,温度上升,单位体积内导电离子数目增加,加上温度升高粘度下降,离子运动受到的阻力减小,这些因素都使电导率增加。
4、表面张力
熔融电解质在电极表面的润湿性,对熔盐电解时的两大特殊现象,即金属的溶解和阳极效应都有很大影响。气-液-固三相界面上的润湿角(又称接触角)θ,是由杨氏方程决定的,即
四、阳极效应
熔盐电解时,当电流密度达到一定值后(称为临界电流密度),槽电压骤升,可以从几伏,增至几十伏,阳极附近出现火花和爆裂声,这一现象称为阳极效应。
由于阳极效应严重影响熔盐电解的正常进行,并增大了能耗,人们对其原因进行了大量的研究。目前流行的解释,如果阳极为析气反应,当电解液在电极表面的润湿性变差,导致气体大面积在电极上吸附,形成气膜,从而使反应困难,电压急剧上升。
二、电化学体系及其性质
铝电解的电化学体系包括碳阳极,液态铝阴极和熔融电解质。
电解质:冰晶石-氧化铝的物理化学性质
冰晶石(),无色,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%。