基於滲流理論的鋁電解用氫氣擴散陽極反應效率研究

《基於滲流理論的鋁電解用氫氣擴散陽極反應效率研究》是依託安徽工業大學，由肖賽君擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於滲流理論的鋁電解用氫氣擴散陽極反應效率研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：肖賽君
• 依託單位：安徽工業大學

項目摘要

在現行鋁電解工藝中採用氫氣擴散陽極替代預焙碳陽極可實現電解鋁工業的節能減排，新工藝套用的難點之一是提高氫氣擴散陽極的反應效率。本項目借鑑滲流理論中運用多孔介質內氣體壓力周期性變化實現氣液兩相往復運動的驅替方法來加速傳質並擴大“氫氣-熔鹽-多孔電極材料”三相反應界面，以提高陽極反應效率。本項目選擇SnO2基材料製備多孔陽極，KF-AlF3為電解鋁熔鹽體系。在新型氫氣擴散陽極電解鋁試驗裝置上，採用線性電勢掃描法、交流阻抗法等研究氣液往復驅替運動對氫氣擴散陽極電流密度和傳質的影響規律。考慮到氣液兩相流動對傳質與三相界面的影響，採用格子波爾茲曼法研究多孔電極內氫氣和熔鹽兩相運動與飽和度的變化規律。綜合以上研究，掌握氫氣擴散陽極內氫氣壓力周期性變化對最佳化傳質和擴大三相反應界面的作用機理，為新型氫氣擴散陽極在鋁電解中套用的放大實驗提供理論與技術基礎。

結題摘要

鋁電解工藝中採用氫氣擴散陽極替代預焙碳陽極新工藝套用的難點之一是提高氫氣擴散陽極的反應效率。本項目提出採用具有分級孔徑的多孔碳材料作為氣體多孔陽極，以擴大“氫氣-熔鹽-多孔電極材料”三相反應界面，提高陽極反應效率。首先在Na3AlF6-AlF3-Al2O3體系中分別採用多孔SnO2基氣體電極、Pt 氣體電極和多孔碳氣體電極作為陽極進行恆電流電解，電解過程中不通入氣體、通入惰性氣體氬氣和通入氫氣，觀察各種條件下陽極電極電勢的變化。實驗結果表明，在多孔SnO2基氣體陽極上，首先採用較大的電流對陽極進行較高電位的預極化（時間約為半小時），通入氫氣後能觀察到去極化現象，說明氫氣成功參與了陽極三相界面反應；在多孔碳氣體電極上通入氫氣後能觀察到較小的去極化現象，同時碳的消耗量相對於通入氬氣減少約20 wt%。本研究進行了具有分級孔徑的多孔碳材料的製備。選取710℃的NaCl-KCl-MnCl2熔鹽體系，通過循環伏安法和方波伏安法研究了Mn2+的電化學行為，並進行恆電壓電解製備金屬錳。然後採用高碳錳鐵作為陽極進行恆壓電解，電解過程中高碳錳鐵陽極中金屬被氧化成離子進入熔鹽，而後在陰極沉積，陽極剩下多孔碳。通過XRD，SEM，Raman以及TEM的表征分析，發現電解後的高碳錳鐵陽極為同時具有微孔，介孔和大孔結構的高度石墨化的分級多孔碳化物衍生碳材料。本研究還選取710℃的NaCl-KCl熔鹽體系，通過循環伏安，方波伏安和計時電流的方法，研究了Cr2+的電化學行為。然後採用高碳鉻鐵作為陽極進行恆壓電解，在得到純淨鉻鐵的同時，電解後陽極可得到具有不同孔徑的多孔碳。以上研究為新型氫氣擴散陽極在鋁電解中套用的放大實驗提供理論與技術基礎。