鋁電解質的分子比及其分析方法探究

李 波（青銅峽鋁業股份有限公司質量檢測中心 寧夏 青銅峽 751603）

0 引言

目前，鋁電解質分子比的分析方法很多，有晶形法、電導法、氯化鋁滴定法、氟離子測量法等，歐美一些大型鋁廠常采用大型X光衍射儀，但是這種設備投資較大，一般為十幾萬美元，在我國已有部分大型鋁廠采用這種分析儀器。可以預知，隨著電解質中CaF2、MgF2、LiF的加入，分子比的測定將變得越來越因難。

1 鋁電解質酸堿度的表示方法及其間關系

1.1 鋁電解質酸堿度的表示方法

眾所周知，鋁電解質酸堿度的劃分，是以冰晶石組成（3NaF·AlF3）為界。 對它來說，有過量 AlF3時，稱為酸性電解質；有過量NaF時，稱為堿性電解質；恰在冰晶石組成處，稱為中性電解質。目前，全世界各國鋁電解生產，全部采用酸性電解質，因此，只存在如何表示它的酸度問題。從全世界范圍來說，目前對鋁電解質的酸度，有三種表示方法：

1）以電解質中NaF與AlF3的分子數之比表示，稱為冰晶石比，俗稱分子比，以K表示：

K=電解質中NaF的分子數/電解質中AlF3的分子數

我國與前蘇聯采用這種表示方法。

2）以電解質中NaF與AlF3的重量之比表示，稱為電解質質量比或重量比，以R來表示：

R=電解質中NaF的重量/電解質中AlF3的重量

這種表示方法，北美、日本等多采用。

3）以對冰晶石組成的過剩AlF3的含量（%重量）表示，稱為過剩氟化鋁或游離氟化鋁，以f來表示，西歐等多采用這種表示方法。

1.2 幾種酸度之間的關系

1）分子比與重量比之間的關系設x為電解質中NaF的含量 （%重量），y為電解質中AlF3的含量 （%重量）， 則：K=這就是說，在相同的AlF3與NaF含量之下，電解質的分子比是其重量比的2倍。

2）分子比與游離AlF3含量之間關系

假設電解質中不含其他外加物，這是計算其他情況的基礎。設X為電解質中AlF3總的百分含量，X1為與NaF結合成Na3AlF6所需的AlF3量（%），則與AlF3結合成 Na3AlF6所需的NaF 量（%）為 1.5X1，則 f＋X1＋1.5X1＝100，得 X1＝0.4（100－f）。 因有 X＝f＋X1，則 K=3－7.5f／（100＋1.5f）。

2 電解質的物相分析及各種添加劑的酸堿性

2.1 物相分析

工業電解質主要由冰晶石組成，當分子比小于3.0時，有過剩氟化鋁存在。此外，各種添加劑，諸如CaF2、MgF2、LiF，也存在于電解質中。因此，當上述物質存在時，對新物相的產生和相互關系的研究是十分復雜的。

2.2 各種添加劑的酸鹽性

根據電解質的物相分析，各種添加劑的酸堿性見表1。

表1 各種添加劑的酸堿性

3 鋁電解質分子比的分析方法

3.1 電解質分子比測定方法概述

分子比的分析方法分為兩類：直接分析法和間接分析法。直接分析法的特點是，取出電解質試樣后不經高溫處理直接進行分析。

1）化學分析法：要對電解質的全部元素進行分析，再計算出分子比，分析結果準確可靠，但分析時間長，成本高，不適合工廠生產控制分析。

2）X熒光衍射分析：分析速度快，不受人為因素影響，但分析儀器價格昂貴，分析精度依賴于樣品的粒度和制樣的壓力，而分析元素的通道也不齊全，大型鋁電解企業逐步采用此分析方法。

3）晶形分析法：在偏光顯微鏡下尋找亞冰晶石的數目，因此分析結果在很大程度上依賴于分析者的主觀經驗，特別是當電解質中采用多種添加劑之后，亞冰晶石界線變得較為模糊，這就更增加了該法的分析難度，此種分析方法己逐步淘汰。

間接分析法是利用NaF溶于水的性質，向電解質中添加NaF，使加入的NaF與游離的AlF3反應生成冰晶石并略有剩余，然后分析其中過量NaF，進而推算電解質的分子比，這類方法有：

1）熱滴定法：是所有間接分析法的基礎，只是因為此法需要高溫操作，比較麻煩，不適合工廠的常規分析。

2）硝酸針滴定法：由于針具有放射性，不宜推廣應用。

3）氟離子選擇電極法：要經過高溫燒結。氟離子選擇電極法測量繁鎖，數據處理困難。

4）電導法：也要經過高溫燒結。根據我廠的實際情況，試驗確定了合適的工作曲線，并編制了程序軟件，由計算機處理數據，從而更快更準確地指導生產，若將分子比數據與電解槽控制系統聯網，則可為電解槽工藝控制提供數據。

5）氯化鋁滴定法：不經高溫燒結，以鋁-鉻天青 S（CAS）-溴化十六浣基三甲基銨（CTAB）形成三元藍色絡合物，作為滴定法測定分子比的終點指示，有較明顯的顏色變化，且靈敏度高。

3.2 工業電解質分子比的計算方法研究

當電解質由Na3AlF6、Al2O3、CaF2但成時，其分子比很容易由公式算出。但當電解質中同時含有KF、LiF、MgF2時，電解質分子比的計算就變得復雜起來。KF和LiF使鋁電解質變得堿性，而MgF2使鋁電解質變得酸性。

在目前情況下，實際生產中不可能對電解質試樣進行這樣的全分析，只能用間接的方法進行分子比的測定，即利用NaF溶于水的性質，向電解質中添加NaF，使加入的NaF和游離的AlF3反應生成冰晶石，并略有剩余，然后分析其中過量的NaF，進而推算出原電解質的分子比。

3.3 電導法測定分子比

我們以前測定分子比采用晶形法，測定范圍為2.6-2.8，由于進行低分子比低溫試驗，晶形法己經不能滿足要求，試驗初期采用電導法測定分子比，投資少，測定時間較短，需25-30分鐘，經過反復摸索和實踐，能夠滿足分子比降低到2.2左右的每周測量一遍要求，與化學法分析結果對比，誤差小、重現性好。

其基本原理是：工業電解質多呈酸性，在水中溶解度很小，而堿性電解質含有沒有化合成冰晶石的剩余氟化鈉。這種剩余氟化鈉在室溫下很快溶于水。由于水溶液的電導率正比于溶解的NaF含量，因此，由電導率的高低可以求出過剩NaF含量。

試驗中，取一定量的酸性電解質與定量的NaF混合磨細，然后在一定的溫度下燒結，使酸性電解質剩余的氟化鋁與部分氟化鈉化合成冰晶石：AlF3+3NaF（過量）=Na3AlF6，然后由電導法求出過剩的NaF含量，這樣就可以求出電解質的分子比。

3.4 X熒光衍射分析分子比

隨著低分子比低溫電解生產的推廣應用，為了及時掌握電解質分子比的變化，提高分析速度和精確度，有些企業引進了帕納科鋁熔池分析儀分析分子比，分析周期從原來的每周一次提高到每周二次，減少了人為分析誤差，對指導分子比低溫電解大規模工業化生產具有很重要的意義。

XRD+XRF法是法是通過分別測試亞冰晶石含量，游離氟化鈣含量，計算出過量氟化鋁值（XRA），從而換算出NaF/AlF3分子比。

4 結束語

在鋁電解生產中，電解質的分子比需要快速、準確分析，這是采用低分子比電解質進行低溫鋁電解的前提條件，是低溫電解槽溫度能否穩定控制、保持平衡生產的重要因素。因此，關于測定分子比的研究，對鋁電解生產具有重大的指導意義。

［1］邱竹賢.鋁電解原理與應用[M].徐州：中國礦業大學出版社，1998.

［2］崔旭東.鋁電解技術研究及發展方向探討[J].輕金屬，2007(6)：1-3.