鋁電解惰性陽極技術(shù)綜述

張競賽 劉學(xué)武（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300000）

鋁電解惰性陽極技術(shù)綜述

張競賽 劉學(xué)武（國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，天津 300000）

惰性陽極由于存在許多優(yōu)點(diǎn)，一直是鋁電解領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。本文綜述了鋁電解用惰性陽極材料，并詳細(xì)分析了合金類惰性陽極材料、金屬陶瓷類惰性陽極材料以及金屬基體氧化物外層類惰性陽極的發(fā)展及其特點(diǎn)。

合金類惰性陽極;金屬陶瓷類惰性陽極;金屬基體氧化物外層類惰性陽極

1 概況

傳統(tǒng)的鋁電解是用消耗性的炭陽極在冰晶石-氧化鋁熔鹽中電解，電解時(shí)熔鹽溫度高達(dá)940-970℃,陰極上生成液態(tài)狀金屬鋁，陽極上產(chǎn)生新生的氧原子,在940-970℃的高溫下,陽極上的新生態(tài)氧原子使炭陽極發(fā)生氧化燃燒,根據(jù)2Al2O3(融鹽)+3C (陽極)=4A1(液態(tài))+3CO2進(jìn)行計(jì)算，CO2的理論釋放量大約是1.22kg/kgAl,并釋放大量污染氣體如NO、COx、CF4、C2F6(全氟化碳PFCs)等,有統(tǒng)計(jì)表明,每生產(chǎn)1噸鋁,要釋放約1200m3上述污染氣體。當(dāng)今環(huán)境和能源形勢日趨緊張,尋找可取代炭素陽極的惰性陽極材料尤為重要。惰性陽極具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn),具有良好的應(yīng)用前景。采用惰性陽極取代炭素陽極將成為對傳統(tǒng)鋁電解工藝進(jìn)行改進(jìn)的主要方面。

所謂惰性陽極，是指在冰晶石-氧化鋁熔鹽中電解時(shí)不消耗或微量消耗的陽極。惰性陽極相較于炭素陽極具有以下優(yōu)勢：1、應(yīng)用惰性陽極時(shí)，陽極過電壓只有0.2V；2、成本低，節(jié)省炭素陽極制造過程中所需的油焦；3、操作費(fèi)用降低，陽極無需經(jīng)常更換，并保證生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性；4、陽極產(chǎn)生氧氣，而不是二氧化碳和一氧化碳，有利于環(huán)境保護(hù)，改善了勞動(dòng)條件。

惰性陽極的上述一系列優(yōu)點(diǎn)，使得尋找合適的惰性陽極材料成為改善傳統(tǒng)鋁電解生產(chǎn)工藝的重要環(huán)節(jié)。目前初步認(rèn)為可作為惰性陽極材料的有以下幾類材料：合金類惰性陽極、金屬陶瓷類惰性陽極、金屬基體氧化物外層類惰性陽極。

1.1 合金類惰性陽極

金屬或其合金由于導(dǎo)電性好，易加工和易與導(dǎo)電排連接而成為理想的惰性陽極材料。其中，鐵、鎳、鈷、鉻、鈦、銅和銀或它們的合金是常見的作為合金類惰性陽極的材料。合金類惰性陽極不僅導(dǎo)電性極好、強(qiáng)度高、不易脆裂、抗熱震性能好，而且合金類陽極還克服了陶瓷類陽極抗熱震性能差，不能進(jìn)行機(jī)械加工或焊接加工的缺點(diǎn)。雖然金屬或合金類惰性陽極具備一定的抗高溫氧化和抗冰晶石-氧化鋁熔鹽腐蝕的能力，但是其必須在低溫電解質(zhì)中工作，電解溫度不超過900℃，電解時(shí)，溶解在電解質(zhì)中的銅、鎳、鐵等金屬離子會(huì)污染原鋁產(chǎn)品，影響鋁的品質(zhì)。

1.2 金屬陶瓷類惰性陽極

金屬陶瓷類惰性陽極中的陶瓷材料多數(shù)是AB2O4的尖晶石型結(jié)構(gòu),并添加其他金屬氧化物和/金屬或合金。其具有良好的耐腐蝕性，且金屬的加入又提高了其導(dǎo)電能力。因此,金屬陶瓷集陶瓷材料耐氧化耐腐蝕和金屬材料抗熱震性能好、導(dǎo)電性好的優(yōu)點(diǎn)于一身,同時(shí)又有效的克服了陶瓷陽極與金屬導(dǎo)桿連接困難的難題以及合金電極在電解過程中金屬相選擇性溶解的問題。因此，金屬陶瓷惰性陽極已經(jīng)成為目前研究的最為廣泛的惰性陽極材料。ZnFe2O4和NiFe2O4是目前普遍應(yīng)用的陶瓷基體材料,由于NiFe2O4在熔鹽中具有更佳的耐腐蝕性和較低的溶解度成為研究最多的陶瓷基體材料。

1.3 金屬基體氧化物外層類惰性陽極

金屬基體氧化物外層類惰性陽極是一種具有多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合電極，一般由金屬或合金作為基體，在合金基體外還有一層氧化物。該復(fù)合結(jié)構(gòu)不同于金屬陶瓷惰性陽極，金屬陶瓷惰性陽極是將合金粉末與陶瓷相粉末混合均勻后制備出的金屬相與陶瓷相均相分布的電極，而金屬基體加氧化物外層結(jié)構(gòu)的惰性陽極是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，其中氧化物層包裹在合金基體上。這種金屬基體加氧化物外層的復(fù)合惰性陽極具有特有的優(yōu)勢，其不同于其他合金惰性陽極和陶瓷惰性陽極，一般的合金惰性陽極在電解質(zhì)的高溫環(huán)境下也能夠形成氧化物膜層，但在這種情況下形成的氧化物膜層一般不夠致密和穩(wěn)定，不致密的膜層不能有效地阻止合金基體進(jìn)一步被氧化，外層膜可能會(huì)發(fā)生脫落，或者隨著時(shí)間的延長，合金基體外層的氧化物膜層越長越厚，導(dǎo)致膜層電阻過大，造成能源的浪費(fèi)；另外在電解質(zhì)中形成的氧化膜層可能在熔鹽體系內(nèi)有一定的溶解度，不但不能很好地保護(hù)基體金屬，還會(huì)造成陰極鋁產(chǎn)品的污染，影響原鋁產(chǎn)品的品質(zhì)。

2 展望

惰性陽極材料的使用將使鋁電解工業(yè)變?yōu)榫G色工業(yè)，并帶來巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，代表著鋁電解工業(yè)的發(fā)展方向，對惰性陽極材料的研究和革新將大大推動(dòng)鋁工業(yè)的發(fā)展和繁榮。但目前為止，惰性陽極的研究還停留在實(shí)驗(yàn)階段，距離實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的目標(biāo)還有一定的差距。因此，在未來的研究中，研究者還需進(jìn)一步提高惰性陽極材料的耐蝕性、導(dǎo)電性抗熱震性等，并且在保留惰性陽極優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，盡量降低惰性陽極的生產(chǎn)成本。

[1]張曉順等，鋁電解惰性陽極材料研究進(jìn)展，材料與冶金學(xué)報(bào)，第4卷第1期，2005年3月，13-15頁

[2]王志剛等，鋁電解惰性陽極材料研究新進(jìn)展，輕金屬，2007年第2期，第27-32頁

[3]陳喜平等，鋁電解惰性陽極的研究現(xiàn)狀，有色金屬（冶煉部分），2002年第4期，第23-26頁

[4]王淑霞等，鋁電解惰性陽極研究現(xiàn)狀，礦產(chǎn)保護(hù)與利用，2001年第6期，第45-48頁