Производство первичного алюминия. Электролиз гидроокиси алюминия

В данном случае осаждение металла производится при низкой температуре несмотря на стандартный отрицательный электродный потенциал. С другой стороны, низкое водородное перенапряжение алюминия предотвращает образование водорода. Данное явление не имеет решающего значения при производстве металла. В данном случае электролиз на расплавленных солях является отличной альтернативой, если металлический компонент, который подвергается электролизу, характеризуется низкой точкой плавления, или если точка плавления может быть снижена путем добавления подходящей соли для формирования эвтектической смеси.

Оксид алюминия характеризуется высокой точкой плавления на уровне примерно 2050°C. Однако, если его растворить в расплавленном криолите (Na₃AIF₆), образуется эвтектика с точкой плавления на уровне 962.5°C (10.5 % Al₂O₃, как показано на рисунке. Растворив оксид в расплавленном криолите и добавив небольшое количество других флюсов, можно провести электролиз при температуре 950-980°C. На установках электролиза содержание  Al₂O₃ поддерживается на самом низком уровне (< 2%) при помощи компьютеризированной системы контроля каждой электролитической ванны или ячейки.

Герольт определяет электролиз на расплавленных солях как «электролиз глинозема, который растворяется в расплавленном криолите Na₃AIF₆ , с использованием углеродного тигеля в качестве катода, на котором накапливается расплавленный алюминий».

Схема фаз равновесия Na₃AIF_6- Al₂O₃

Электролиз осуществляется в стальной оболочке с углеродной облицовкой, которая также служит катодом. Шины под ячейкой подают питание на катод. Ванна содержит электролит и расплавленный алюминий, край твердого (или застывшего) электролита образуется на поверхности возле стенок. Углеродные аноды закрепляются на анодные шины и опускаются в электролит.

Электролиз глинозема осуществляется при помощи углеродных электродов, которые вступают в реакцию с кислородом, образующимся на анодах, в результате чего образуется диоксид углерода СО₂ или моноксид углерода CO. Процесс электролиза отображается следующей формулой

2AI₂O₃ + 3C  -> 4AI + 3CO₂

На электродах происходят две основные реакции:

-     на катоде алюминий теряет свой электрический заряд 2AI³⁺ + 6e -> 2AI

-     ионы кислорода перемещаются на катод и вступают в реакцию с углеродом катода, образуя  СО₂. Это влечет за собой износ анода.

Исследования процессов во время электролиза проводятся постоянно, однако до сих пор механизм отделения металла во время электролиза не был понят до конца. Расплавленный электролит Na₃AIF₆ существует в диссоциированной форме, в основном в виде AlFe^3- и Na⁺, а также в меньшем объеме в виде AIF₄^- и F^-. Возможно, оксид распадается с образованием оксо-фторидных ионов, например AlFe₆^3-. Отложение алюминия на катодах, по крайней мере частично, осуществляется сначала с образованием натрия, а затем натрий вступает в реакцию с составными элементами электролита. Кислород, образующийся на аноде, вступает в реакцию с углеродом, образуя СО₂, несмотря на формулу Будуара (СО₂ + C — > 2CO). Практически, однако, выхлопные газы во время процесса электролиза содержат CO (CO/(CO + СО₂)) в количестве 10-20%, в основном благодаря обратной реакции алюминия с СО₂ (3 СО₂ + 2AI -> 3CO + AI₂O₃), которая понижает эффективность процесса.