铝电解质及其性质是什么？

在电解过程中，液体电解质是保证电解过程能够进行的重要条件之一。液体电解质即指冰晶石－氧化铝均匀熔融体，其主要成分是冰晶石（占85％左右）。正冰晶石在常温下呈白色固体，其实测熔点约为1010℃，自然界中天然冰晶石的贮量极少，工业上所用冰晶石均为化学合成产品。铝电解质的性质，对铝电解生产十分重要。了解和掌握电解质的各种性质，有助于指导实际生产条件的控制，改善生产技术指标，提高生产效益。铝电解质的性质主要指电解质的初晶温度、密度、导电度、粘度、表面性质、挥发性等。一、初晶温度初晶温度是指液体开始形成固态晶体的温度。固态晶体开始熔化的温度称为该晶体的熔点。初晶温度与熔点的物理意义不同，但在数值上相等。纯的正冰晶石熔液初晶温度为1010℃，但在其中添加固体氧化铝形成冰晶石－氧化铝均匀熔体电解质后，其初晶温度随氧化铝含量增多而降低。当氧化铝的含量达到约10％时，中性铝电解质熔体的初晶温度达到最低点，约为960℃。电解质的摩尔比降低，其初晶温度也随之降低，但氧化铝的溶解量也会降低。生产中需要电解质的初晶温度越低越好，这样可以降低工作温度（工作温度一般控制在初晶温度以上10-20℃的范围）。工作温度越低，电解设备的热损坏、热变形越小，可延长设备使用寿命；工人的工作环境越易得到改善；电解质的挥发损失越小。同时，电解过程中的电流效率随电解温度降低而提高，这样，既可以降低电能消耗，又可以增加产量。二、密度密度是指单位体积的某物质的质量，其单位为：g/cm3。工业铝电解质熔体的密度随氧化铝含量增多而降低。从生产中一次加料后到下一次加料前氧化铝浓度变化中，可看出工业铝电解质熔体密度随氧化铝浓度减小而增加。实际生产中需要电解质密度较低为好。铝电解生产中，铝与电解质是两种相溶性很小（铝在电解质中的最大溶解度约为1％）的液体，铝水的密度与电解质大些，故沉于电解槽底部，它们之间的分离靠两种液体的密度差来实现。纯度较高的铝水其密度一定，因此，只有减小电解质熔体的密度来增大其密度差，从而使两种液体良好分离。三、导电度导电度也称为比电导或导电率，它是物体导电能力大小的标志，通常用比电阻（电阻率）的倒数来表示。电解质的比电阻定义为截面为1cm2,长度为1cm的熔体的电阻，其单位为Ω·cm，故导电度的单位为Ω-1·cm-1。显然，电解质的比电阻小，其导电度大，电解质的导电性就好，相反则差。生产中需要电解质具有大的导电度。电解质导电性越好，其电压降就越小，越有利于降低生产能耗。四、粘度粘度是表示液体中质点之间相对运动的阻力，也称内部摩擦力，单位为Pa·s（帕·秒）。熔体内质点间相对运动的阻力越大，该熔体的粘度就越大。一般说来，熔体粘度随温度升高而成线性减小。纯冰晶石在熔点处的粘度约2.8×10-3Pa·s。随着氧化铝的加入，一开始熔体粘度只有微小增加，当氧化铝浓度达到约10％摩尔后，熔体粘度便随氧化铝浓度增加而急速增大。工业铝电解质的粘度一般保持在3×10-3Pa·s左右，过大或过小，对生产均不利。电解质粘度过大，会降低氧化铝在其中的溶解速度，会阻碍电解质中的碳渣（生产中从碳阳极上掉下的碳粒）分离和阳极气体的逸出，给生产带来危害。但电解质粘度过小，会加快电解质的循环，加快铝在电解质中的溶解损失，降低电流效率，而且加快氧化铝在电解质中的沉降速度，造成槽底沉淀。五、表面性质（1）表面张力熔体（液体）的表面质点（分子、原子或离子）所受的力与熔体内部质点不同，熔体内部质点受其周围质点的作用力（斥力和引力）是对称的，合力为零。但表面质点一面受到熔体内部相同质点的作用力，另一面受到不同质点作用力，两相性质不同，产生的作用力也不相同，从而使得表面质点受到不对称的作用力，其合力不为零。如果接触相质点的引力小于液相内部质点的引力时，则液相表面层每个质点都受到向内的引力，使液体表面积自动收缩。要抵消液体表面积的收缩，必须克服液体内部质点的引力而作功，我们把这个用来抵消表面单位长度上的收缩表面的力称为表面张力，其单位为N/m。另一种定义是取形成1单位表面积所需作的功，其单位为mJ/m2。由于液相表面质点同时受到其内部质点和与该相相接触的另一相的质点吸引，因此，液相表面张力的大小不仅与自身性质有关，并且与相接触的相的性质也有关，所以，在谈到液相（液体或熔体）的表面性质时，必须指明所指液相与何种介质相接触。相接触的介质有三类，即气相、液相和固相。液相一气相同的表面性质称为表面张力；液相－液相同的表面性质通常称为界面张力；液相－固相间的表面性质通常用湿润性（湿润角大小）来表示。纯冰晶石在熔化温度时的表面张力约为145.5mJ/m2，随着温度升高，其表面张力减小。冰晶石－氧化铝熔体的表面张力是随氧化铝浓度增加而减小，即氧化铝是冰晶石熔体的表面活性物质。铝液－纯冰晶石熔体的界面张力约为481mJ/m2（温度为1031℃），冰晶石分子比降低，界面张力明显减小。在一定的分子比和温度下，随着氧化铝浓度增加，电解质熔体在铝液界面上的张力减小。生产中要求电解质与阳极气体之间有较大的表面张力，这样有利于阳极气体的逸出；要求电解质与铝液之间应有较大的界面张力，这样可以降低铝在电解质中的溶解速度，增大铝与电解质的分离速度。（2）湿润度是表示液相对固相的湿润能力。液相对固相表面的湿润程度取决于其表面张力的大小，如果液相质点相互间的吸引力小于与之接触的固相质点的吸引力，那么此液相在该固相表面上的张力就小，这样液相能够很好地湿润该固相，否则，湿润性不良。冰晶石－氧化铝熔体对碳素材料的湿润性与碳素材料的晶型有关。电解质对无定型碳湿润性比石墨碳要好。温度对湿润性的影响较大，随温度升高，电解质对无定型碳和石墨碳的湿润性均变好，但无定型碳更甚于石墨碳。实践证明，电解质熔体随氧化铝浓度增加，对碳素材料的湿润性变好；在有铝存在的情况下，电解质对碳素材料的湿润性也有所改善。生产中要求电解质对阳极的湿润性要适当好些，对阴极的湿润性要差。电解质对阳极的湿润性好，可以使阳极气体迅速脱离阳极表面，减小气膜电阻。但不宜太好，太好会造成电解质中的碳渣分离困难，电解质对阴极湿润性差，可以有效地阻止电解质向阴极内衬中渗透，减轻炉底破损。