Катодний вихід по струму і втрати металу

Катодний вихід по току являє собою відношення фактично отриманого на катоді металу до теоретичного (за законом Фарадея). Вихід по струму в алюмінієвих електролізерах становить 83-90%, і проблема підвищення цього важливого показника при сучасних масштабах виробництва алюмінію є досить важливою.

Основною причиною відхилення у виході за струмом від 100% є утворення субіонов алюмінію і металевого натрію на катоді. Байдуже, виходять чи іони Аl + і натрій в результаті електрохімічного розряду або взаємодії алюмінію з електролітом, можна говорити про втрати струму на освіту

Аl + і натрію, т. Е. Про втрати алюмінію на розчинення його в електроліті. Здавалося б, розчинення алюмінію з утворенням субіонов Аl + або металевого натрію, що представляють собою реакцію окислення алюмінію, не повинно відбуватися на катодно поляризованої поверхні. Однак необхідно врахувати, що в рівновазі струм обміну на катоді складає близько 20 А / см2, в той час як катодна щільність струму (т. Е. Струм поляризації) -всього 0,4-0,5 А / см2. Тому при поляризації зрушення потенціалу від рівноважного надзвичайно малий, при цьому катодний струм складає, наприклад, 20,5 А / см2, а анодний – 19,5 А / см2, т. Е. Анодний процес йде в значній мірі майже так само, як при рівновазі. Тому протікання анодних процесів окислення на алюмінієвому катоді цілком можливо.

Внаслідок циркуляції електроліту катодні продукти переносяться до анода, окислюються тут газами або електрохімічно і безповоротно губляться. Тому практично одержуване кількість металу одно теоретичному за вирахуванням втрат, і вихід за струмом

ηт = 1 – Δm / (γiк) (50)

де% – вихід по струму, частки од .; Δm – втрати металу, г / (см2 · год); γ – електрохімічний еквівалент алюмінію 0,3354 г / (А · год); iK-катодна щільність струму, А / см2. Тут маються на увазі втрати алюмінію з 1 см2 поверхні катода на годину (Δm), a γiK – кількість металу, теоретично утворюється на тій же поверхні в той же час.

Питання про залежностях виходу по струму від параметрів електролізу зводиться до встановлення залежності втрат алюмінію від цих параметрів. Процес втрат алюмінію складається з наступних стадій: 1) розчинення алюмінію на міжфазній межі електроліт – метал; 2) перенесення продуктів розчинення через при-катодний дифузійний шар; 3) перенесення продуктів розчинення через товщу електроліту внаслідок його циркуляції; 4) взаємодія катодних продуктів з анодними газами або окислення на поверхні анода електрохімічним шляхом. Ці стадії протікають послідовно одна за одною, тому швидкість процесу в цілому визначається однією (або декількома) найбільш повільними стадіями.

При такій схемі процесу передбачається, що визначає втрати металу потік розчинених катодних

продуктів до анода. Роль же потоку розчинених в електроліті анодних газів до катода невелика. Якщо порівняти розчинності алюмінію і СO2 в електроліті, то виявляється, що металу розчиняється в 20 разів більше, ніж газу (див. Рис. 16). Це означає, що з точністю до 5% потоком анодних продуктів до катода можна знехтувати.

Щодо першої стадії можна сказати, що вона протікає дуже швидко, оскільки по суті справи це електрохімічний процес окислення, а всі електрохімічні процеси на алюмінієвому електроді в умовах електролізу відрізняються високими плотностями, струму обміну і, отже, великими швидкостями.

Дослідженнями останнього часу (Бегунов, Поляков) показано, що поряд з розчиненням алюмінію у вигляді субіонов відбувається процес утворення емульсії алюмінію в електроліті – дрібних крапель, зважених в розплаві. У результаті швидкого хвилеподібного руху поверхні металу краплі алюмінію зриваються з гребеня хвиль і потрапляють в електроліт .. Цей вид втрат алюмінію залежить не стільки від складу електроліту, скільки від гідродинамічних явищ, що відбуваються в електролізерах.

Мається багато експериментальних даних, що вказують на сповільненість стадії переносу розчиненого алюмінію від катода до анода. Так, на рис. 26 представлені дані про вплив перемішування електроліту на взаємодію алюмінію, розчиненого в розплаві, з вуглекислим газом. Рідкий алюміній знаходився на дні комірки, газ проходив над поверхнею електроліту і надходив на аналіз. Велика частка СO2 при цьому перетворювалася на СО. Для чистого алюмінію підвищення швидкості обертання мішалки призводить до: збільшення виходу СО, але при 60 об / хв досягається стаціонарний стан, і подальше підвищення швидкості перемішування не впливає на вихід СО. У цьому стані вже не швидкість перенесення, а взаємодія розчиненого алюмінію з газом лімітує процес.

Якщо активність алюмінію понизити сплавом з міддю, швидкість процесу досягне стаціонарного значення при швидкості обертання приблизно в два рази більшою, ніж для чистого алюмінію. Цей факт підтверджує думку, що розчинення алюмінію на межі метал – електроліт не лімітує швидкість всього процесу в цілому, оскільки в іншому випадку стаціонарний вихід СО (при великих швидкостях перемішування) був би меншим для сплаву алюмінію з міддю, ніж для чистого алюмінію. Такі великі швидкості переносу, як в дослідах з перемішуванням в лабораторній осередку, недосяжні в заводських електролізерах, тому можна вважати, що процес втрат алюмінію лімітується стадіями 2 і 3, які тісно пов’язані між собою.

Посилання на основну публікацію