Na2O·xAl2O3的制备及其在低温电解质中的溶解及电解过程基础研究
批准号:
52064030
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
35.0 万元
负责人:
颜恒维
依托单位:
学科分类:
有色金属冶金
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
颜恒维
中文摘要
低温铝电解有利于实现惰性电极铝电解技术的产业化应用,但它面临的最大难题是氧化铝在电解质中溶解速度太慢,跟不上电解消耗的速度。本项目创新性的提出采用Na2O·xAl2O3(x为30-110)为铝电解的原料以提高氧化铝在低温电解质中的溶解速度,实现700-760℃下的低温铝电解。首先在不同条件下制备出Na2O·xAl2O3并进行压片,研究其在低温电解质中的氧化铝溶解度和溶解速度,得出氧化铝溶解动力学参数;开展定量下料的电解实验考察氧化铝溶解速度是否满足电解需要并研究钠的阴极行为,得出合适的Na2O·xAl2O3制备工艺、电解质成分及电解工艺参数;采用高温拉曼光谱及定氧仪氧吸收峰对溶解过程中熔盐结构进行分析,结合实验数据研究熔盐结构和氧化铝溶解性能之间的关系,阐明Na2O·xAl2O3在低温电解质中的溶解机理及其溶解速度加快的原因。本项目研究成果将为低温铝电解的工业化应用提供理论支持和技术指导。
英文摘要
Aluminum electrolysis at low-temperature is conducive to the commercial application of carbon-free aluminum smelting technology based on inert electrode. The biggest problem faced by low temperature aluminum electrolysis is that the dissolution rate of alumina is too slow to keep up with the speed of electrolysis consumption. The innovative proposal of this project is to use Na2O·xAl2O3 (x=30-110) as the raw material of aluminum electrolysis to improve the dissolution rate of alumina in low temperature electrolyte, and realize low temperature aluminum electrolysis at 700-760℃. Firstly, Na2O·xAl2O3 will be prepared at different conditions, then pressed into tablet which will be used to study alumina solubility in electrolyte, and the dissolution kinetics parameters will be obtained. The electrolysis experiment will be carried out to investigate whether the dissolution rate of alumina could meet the need of electrolysis, and the cathodic behavior of sodium will also be studied as well. Based on those results, the suitable preparation method of Na2O·xAl2O3, electrolyte composition and electrolysis process parameters will be obtained. Molten salt structure will be analyzed by high temperature Raman spectroscopy. The relationship between molten salt structure and alumina solubility will be studied by analysis those information of molten salt structure and the Na2O·xAl2O3 dissolution experimental data. Based on the relationship, the reason why the dissolution rate of Na2O·xAl2O3 accelerates in low temperature electrolyte will be explained, and the dissolution mechanism will be also clarified. The research results of this project will provide basic theoretical and technical support for the industrial application of low-temperature aluminum reduction technology.
本项目属于惰性阳极无碳铝电解技术研究领域。重点研究了低温电解质中Na₂O·xAl₂O₃的溶解性能及溶解机理,旨在提高氧化铝溶解速率,降低电解温度,从而延长惰性阳极使用寿命。本项目开展了以下研究:1)研究了Na₂O含量和焙烧温度对Na₂O·xAl₂O₃物化性质和晶体结构的影响,确定了较佳的Na₂O·xAl₂O₃的制备工艺。2)考察了不同Na₂O·xAl₂O₃在不同低温电解质中的溶解度、溶解速度和溶解动力学,分析了温度、电解质成分对溶解性能的影响。3)开展电解试验,研究了Na₂O·xAl₂O₃的电解行为和电化学行为。4)利用高温拉曼光谱和分子动力学模拟计算研究了低温电解质的熔盐结构,揭示了Na₂O·xAl₂O₃的溶解机理和溶解速度加快的原因。研究结果如下: .1)Na₂O含量越高(x值越大)、焙烧温度越低,得到的Na₂O·xAl₂O₃溶解速度越快,摩尔比为70,焙烧温度为1000℃为较佳的制备条件。在NaF-KF-AlF3体系中,当CR=1.3-1.6,熔盐温度为750-850℃,氧化铝的溶解度为5.65 wt%-7.46 wt%。Na₂O·xAl₂O₃在NaF-KF-AlF3熔盐中的氧化铝溶解速率比空白Al₂O₃高1.2-2.4倍。氧化铝溶解速度随着电解质的CR和温度的增加而增大。电解质中加入CaF2和LiF后,氧化铝的溶解速度下降了1.7-3.2倍。Na₂O·xAl₂O₃溶解过程中,在0-5分钟内氧化铝溶解遵循零级反应,5分钟往后氧化铝溶解遵循一级反应。氧化铝溶解反应时以扩散控制为主导。.2)以Na₂O·70Al₂O₃为原料在750℃下进行电解,氧化铝溶解速度比以Al₂O₃为原料时更快,可以满足电解的需要。在相同条件下,Na₂O·xAl₂O₃较Al₂O₃具有更低的电解电压和更少的阳极效应。电解得到的阴极铝纯度达到了99.87%。.3)氧化铝和五配位、六配位的 Al-F 络合离子发生反应,生成Al-O-F络合离子,从而溶解到电解质中。Na₂O·xAl₂O₃溶解速度加快的原因:一是因为Na₂O·xAl₂O₃中生成的 β- Al₂O₃具备疏松的钠氧层状结构;二是Na₂O·xAl₂O₃溶解时会加大溶解点位电解质的NaF浓度,从而增加局部电解质的分子比。.本项目的研究成果为促进无碳铝电解技术的产业化应用提供了重要的科学依据和技术支持,有利于推动铝工业的低碳、可持续发展。
NaF-KF-AlF3-CaF2-LiF低温电解质初晶温度和氧化铝溶解性能及机理的研究
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批准号:51764032
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项目类别:地区科学基金项目
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资助金额:38.0万元
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批准年份:2017
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负责人:颜恒维
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依托单位:
国内基金
海外基金