鋁電解復(fù)雜電解質(zhì)體系電導(dǎo)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(guó)鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南 鄭州 450041；2.國(guó)家鋁冶煉工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450041）

降低預(yù)焙鋁電解槽的槽電壓是實(shí)現(xiàn)鋁電解節(jié)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(tǒng)中，提高電解質(zhì)電導(dǎo)率，可以有效釋放極距，提高電解槽穩(wěn)定性，同時(shí)還創(chuàng)造了進(jìn)一步降低極距的可能，是實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步大幅度節(jié)能減排的關(guān)鍵所在[1-3]。

近年來國(guó)內(nèi)氧化鋁原料中鋰、鉀等雜質(zhì)含量較高，在電解質(zhì)過程中鋰、鉀在電解槽中富集，電解質(zhì)的性質(zhì)不同，影響了電解質(zhì)的導(dǎo)電性，尤其是各種氟化物添加劑對(duì)電解質(zhì)的電導(dǎo)率具有顯著的影響。研究復(fù)雜電解質(zhì)中各種添加劑對(duì)電解質(zhì)導(dǎo)電性的影響規(guī)律可為實(shí)現(xiàn)鋁電解節(jié)能提供理論支持。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原理與方法

采用氮化硼管作為電導(dǎo)池，利用PGSTAT30恒電位儀和Booster20A電流擴(kuò)展儀在高頻范圍內(nèi)用小振幅的正弦波信號(hào)測(cè)量阻抗，通過CVCC的實(shí)驗(yàn)原理測(cè)量電導(dǎo)率[4]。

1.2 試驗(yàn)試劑

試驗(yàn)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(jīng)稱量、充分混勻后放入干燥器中備用。

2 各因素對(duì)電導(dǎo)率的影響

研究了各種添加劑及過熱度對(duì)電導(dǎo)率的影響。電導(dǎo)率測(cè)試均在過熱度為20℃的條件下測(cè)定。

2.1 分子比對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖1 分子比對(duì)電導(dǎo)率的影響

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

2.2 鋰鹽含量對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖2 鋰鹽含量對(duì)電導(dǎo)率的影響

氟化鋰的含量對(duì)電導(dǎo)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(zhì)的電導(dǎo)率持續(xù)增加。氟化鋰濃度提高1%，電導(dǎo)率增加0.042S/cm。

2.3 鉀鹽含量對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖3 鉀鹽含量對(duì)電導(dǎo)率的影響

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

2.4 鎂鹽含量對(duì)電導(dǎo)率的影響

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

圖4 鎂鹽含量對(duì)電導(dǎo)率的影響

2.5 鈣鹽含量對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖5 鈣鹽含量對(duì)電導(dǎo)率的影響

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

2.6 氧化鋁濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖6 氧化鋁濃度對(duì)電導(dǎo)率的影響

以上結(jié)果表明，氧化鋁濃度增加，電導(dǎo)率降低。氧化鋁每增加1%，電導(dǎo)率降低0.0523S/cm。

2.7 過熱度對(duì)電導(dǎo)率的影響

圖7 過熱度對(duì)電導(dǎo)率的影響

研究中發(fā)現(xiàn)，過熱度低于20℃時(shí)，電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果重現(xiàn)性差，因此實(shí)驗(yàn)中僅研究過熱度20℃以上時(shí)過熱度對(duì)電導(dǎo)率的影響。研究結(jié)果表明，過熱度提高，電解質(zhì)電導(dǎo)率升高。

2.8 各種添加劑與電導(dǎo)率之間的關(guān)系

根據(jù)測(cè)試結(jié)果擬合出復(fù)雜電解質(zhì)體系電導(dǎo)率與各參數(shù)間的關(guān)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(duì)溫度。經(jīng)實(shí)際測(cè)算，電解質(zhì)電導(dǎo)率實(shí)測(cè)值與計(jì)算值誤差不大，說明擬合出的復(fù)雜電解質(zhì)體系電導(dǎo)率與各參數(shù)間關(guān)系準(zhǔn)確可靠。

3 結(jié)論

（1）研究了復(fù)雜電解質(zhì)體系中添加劑及過熱度對(duì)其電導(dǎo)率的影響規(guī)律，電解質(zhì)的電導(dǎo)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(jù)研究結(jié)果擬合了復(fù)雜電解質(zhì)體系電導(dǎo)率與各參數(shù)間的關(guān)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。