鋁電解復雜電解質體系電導率研究

王俊青，李昌林，周云峰，方 斌，邱仕麟，汪艷芳，羅麗芬

（1.中國鋁業鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.國家鋁冶煉工程技術研究中心，河南 鄭州 450041）

降低預焙鋁電解槽的槽電壓是實現鋁電解節能的一種重要途徑，降低電解槽槽電壓最直接的方式是降低極距，在目前的電解槽控制系統中，提高電解質電導率，可以有效釋放極距，提高電解槽穩定性，同時還創造了進一步降低極距的可能，是實現進一步大幅度節能減排的關鍵所在[1-3]。

近年來國內氧化鋁原料中鋰、鉀等雜質含量較高，在電解質過程中鋰、鉀在電解槽中富集，電解質的性質不同，影響了電解質的導電性，尤其是各種氟化物添加劑對電解質的電導率具有顯著的影響。研究復雜電解質中各種添加劑對電解質導電性的影響規律可為實現鋁電解節能提供理論支持。

1 試驗部分

1.1 試驗原理與方法

采用氮化硼管作為電導池，利用PGSTAT30恒電位儀和Booster20A電流擴展儀在高頻范圍內用小振幅的正弦波信號測量阻抗，通過CVCC的實驗原理測量電導率[4]。

1.2 試驗試劑

試驗所用試劑包括，六氟鋁酸三鈉、氟化鋁、氟化鋰、氟化鈉、氟化鉀、氟化鎂、氟化鈣、氧化鋁等均為分析純。使用前藥品置于烘箱中于250℃脫除水分，樣品經稱量、充分混勻后放入干燥器中備用。

2 各因素對電導率的影響

研究了各種添加劑及過熱度對電導率的影響。電導率測試均在過熱度為20℃的條件下測定。

2.1 分子比對電導率的影響

圖1 分子比對電導率的影響

從圖1可以看出，電解質電導率隨著分子比的增加而增加，分子比增加0.1，電導率提高0.1081S/cm。

2.2 鋰鹽含量對電導率的影響

圖2 鋰鹽含量對電導率的影響

氟化鋰的含量對電導率的影響如圖2所示，從中可以看出，隨著氟化鋰濃度的提高，電解質的電導率持續增加。氟化鋰濃度提高1%，電導率增加0.042S/cm。

2.3 鉀鹽含量對電導率的影響

圖3 鉀鹽含量對電導率的影響

從圖3可以看出，隨著鉀鹽含量增加，電導率提高。氟化鉀濃度每提高1%，電導率提高0.0268S/cm。

2.4 鎂鹽含量對電導率的影響

從圖4可以看出，隨著鎂鹽含量增加，電導率呈降低趨勢。氟化鎂每增加1%，電導率降低0.0285S/cm。

圖4 鎂鹽含量對電導率的影響

2.5 鈣鹽含量對電導率的影響

圖5 鈣鹽含量對電導率的影響

從圖5可以看出，隨著鈣鹽含量增加，電導率呈降低趨勢。氟化鈣每增加1%，電導率降低0.0107S/cm。

2.6 氧化鋁濃度對電導率的影響

圖6 氧化鋁濃度對電導率的影響

以上結果表明，氧化鋁濃度增加，電導率降低。氧化鋁每增加1%，電導率降低0.0523S/cm。

2.7 過熱度對電導率的影響

圖7 過熱度對電導率的影響

研究中發現，過熱度低于20℃時，電導率測試結果重現性差，因此實驗中僅研究過熱度20℃以上時過熱度對電導率的影響。研究結果表明，過熱度提高，電解質電導率升高。

2.8 各種添加劑與電導率之間的關系

根據測試結果擬合出復雜電解質體系電導率與各參數間的關系如下：lnκ=1.7803+0.2153CR-0.01835wt%(Al2O3)-0.003743wt%(CaF2)-0.009359wt%(MgF2)+0.03048 wt%(LiF)+0.0155 wt%(KF)-1832.8/T，其中CR為分子比，T為絕對溫度。經實際測算，電解質電導率實測值與計算值誤差不大，說明擬合出的復雜電解質體系電導率與各參數間關系準確可靠。

3 結論

（1）研究了復雜電解質體系中添加劑及過熱度對其電導率的影響規律，電解質的電導率隨著分子比、氟化鋰濃度、氟化鉀濃度和過熱度提高而提高，隨著氟化鎂濃度、氟化鈣濃度、氧化鋁濃度提高而降低。

（2）根據研究結果擬合了復雜電解質體系電導率與各參數間的關系公式，公式如下：㏑κ=1.9548+0.1603CR-0.01835 wt%(Al2O3)-0.003743wt%(CaF2)-0.009359 wt%(MgF2)+0.02348 wt%(LiF)+0.0105 wt%(KF)-1832.8/T。