Điện phân nhôm trong môi trường nóng chảy cũng tuân theo định luật Faraday, theo lý thuyết, lượng nhôm nhận được ở catot là 0,335g/Ah. Trên thực tế do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như mất mát dòng điện, các phản ứng phụ,… mà lượng nhôm nhận được ở catot luôn nhỏ hơn lý thuyết. Để đạt được hiệu suất cao nhất trong điện phân nhôm, các yếu tố ảnh hưởng sẽ được nghiên cứu.
Sự hòa tan nhôm lỏng vào dung dịch điện phân là nguyên nhân làm giảm hiệu suất dòng điện.
Tăng nhiệt độ làm giảm hiệu suất dòng điện vì tăng lượng hòa tan Al vào dung dịch, tăng quá trình xáo trộn và vận chuyển dung dịch, tăng sự hòa tan muối ion Al+ từ không gian anot vào dung dịch.
Ở nhiệt độ thấp, độ nhớt dung dịch tăng, dung dịch chảy loãng kém thì mất mát nhôm chủ yếu do cơ học.
ηt (%)
0 toCtối ưu toC
Hình 3.1. Sự phụ thuộc hiệu suất dòng điện vào nhiệt độ điện phân
b) Ảnh hưởng của mật độ dòng điện
Mật độ dòng điện là thông số kỹ thuật quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất dòng điện. Công nghệ điện phân nhôm sử dụng 3 dạng mật độ dòng điện:
• Mật độ dòng điện anot Da (A/cm2)
• Mật độ dòng điện catot DK (A/cm2)
• Mật độ dòng điện trung bình (A/cm2)
Kim loại nhôm bị mất mát do sự hòa tan kim loại vào dung dịch nóng chảy. Theo định luật Faraday, lượng kim loại thoát ra ở điện cực tăng khi tăng mật độ dòng điện catot DK, song lượng mất mát của nhôm không thay đổi, hình trình bày quan hệ giữa hiệu suất dòng điện và mật độ dòng điện catot DK.
ηt (%)
0 D’K DK hợp lý DK (A/cm2)
Hình 3.2. Sự phụ thuộc hiệu suất dòng điện vào mật độ dòng điện
Khi tăng mật độ dòng điện DK thì hiệu suất dòng điện đạt đến giá trị gần 100%. Mật độ dòng điện ứng với hiệu suất dòng điện cao nhất gọi là mật độ dòng điện hợp lý Dhl
(A/cm2).
Khi mật độ dòng điện DK giảm, hiệu suất dòng điện giảm. Tại Da = D’K (A/cm2), hiệu suất dòng điện bằng 0, nghĩa là lượng kim loại nhôm thoát ra ở catot bằng lượng nhôm mất mát, song quá trình catot vẫn xảy ra.
Ở mật độ dòng điện thấp có thể có phản ứng: Al3+ + 2e → Al+ do phân cực catot nhỏ. Sự khử ion Al3+ đến Al khó xảy ra.
c) Ảnh hưởng khoảng cách giữa 2 điện cực
Khi khoảng cách giữa 2 điện cực anot-catot lớn, khuếch tán kim loại nóng chảy từ không gian catot đến anot khó khăn. Lượng mất mát kim loại bị hạn chế và giảm nên hiệu suất dòng điện tăng.
Còn nhỏ, kim loại khuếch tán từ catot đến anot thuận lợi, dễ tạo nên phản ứng hòa tan: 2Al + AlF3 → 3AlF. Hiệu suất dòng điện có thể giảm tới gần bằng 0.
Trong đó: là điện thế phân hủy (V);
là điện trở riêng của dung dịch (Ω.cm); là mật độ dòng điện hợp lý (A/cm2); là khoảng cách giữa 2 điện cực (cm).
Điện thế thùng phụ thuộc vào và . Khi tăng điện thế thùng sẽ tăng năng lượng tiêu hao cho một đơn vị sản phẩm điện phân ở catot.
Theo quan điểm kinh tế, phải giảm năng lượng tiêu hao, muốn giảm điện thế thùng cần giảm khoảng cách và mật độ dòng điện .
Trong thực tế thường chọn (A/cm2), (cm).
d) Ảnh hưởng của thành phần dung dịch
Điện phân nhôm trong dung dịch natri criolit có hiệu suất dòng điện cao nhất khi tỉ số NaF/AlF3 < 3.
Lượng nhôm mất mát làm hiệu suất dòng điện giảm. Lượng nhôm mất mát tăng lên về cả 2 phía (thể hiện trên hình, lấy điểm NaF/AlF3 = 2,7 làm gốc).
− Dung dịch thừa AlF3 (NaF/AlF3 < 2,7), nhôm bị hòa tan: 2Al + AlF3 → 3AlF hoặc Al + Al3+ → Al+
Lượng mất mát kim loại giảm khi tỉ số NaF/AlF3 → 2,7.
− Dung dịch thiếu AlF3 (NaF/AlF3 > 2,7), nhôm mất mát do: Al + NaF → AlF3 + 3Na và Na hòa tan vào NaF tạo nên Na2F:
Na + NaF → Na2F
Lượng nhôm mất mát giảm khi tỉ số NaF/AlF3 giảm xuống 2,7.
Còn tại giá trị NaF/AlF3 = 2,5 ÷ 2,7, lượng nhôm mất mát không đáng kể, hiệu suất dòng điện đạt cao nhất.
Hình 3.3. Sự phụ thuộc hiệu suất dòng điện vào thành phần dung dịch điện phân
Khi nghiên cứu hiệu suất dòng điện phụ thuộc vào thành phần dung dịch điện phân, cần đánh giá vai trò của phụ gia canxi florua (CaF2) trong dung dịch điện phân hiện đại sản xuất nhôm. CaF2 làm tăng tỉ trọng dung dịch, độ nhớt dung dịch, giảm độ dẫn điện và nhiệt độ nóng chảy. Có mặt 5 ÷ 10% CaF2 ảnh hưởng tốt đến quá trình điện phân, nhưng tỉ trọng và độ dẫn điện thay đổi không đáng kể nhưng tăng độ chảy loãng của dung dịch cho phép, giảm nhiệt độ nóng chảy của dung dịch điện phân, đây là nhân tố thuận lợi để tăng hiệu suất dòng điện. CaF2 không phải là chất hoạt động bề mặt, không hoạt hóa bề mặt điện cực và không phá hoại bề mặt điện cực than, các hạt than có trong dung dịch dễ tách khỏi dung dịch nổi lên mặt thoáng dung dịch.