Причины выделения натрия и других металлов на катоде

Из находящихся в расплаве ионов на электродах разряжаются те, которые обладают наиболее положительным (катионы) или отрицательным (анионы) потенциалом разряда.

Из всех ионов по величине потенциалов разряда на электродах должны выделяться Al⁺³ и О^–2. Основным катодным процессом является разряд ионов алюминия, но он сопровождается побочными процессами:

* растворением алюминия в электролите;

* разрядом ионов натрия;

* карбидообразованием.

Основная реакция катодного процесса:

Al⁺³ + 3е ® Al ⁰

Установлено, что единственным расходуемым компонентом является Al₂O₃, разряд других ионов возможен при отклонениях от нормальных условий электролиза.

Слой расплавленного алюминия, накапливающийся на подине, соприкасается с электролитом, что приводит к химическому взаимодействию алюминия с криолитоглиноземным расплавом. Происходит растворение алюминия в электролите и в итоге - снижение выхода по току.

Растворение алюминия в электролите может идти двумя путями:

1. Металл взаимодействует со своей солью и при этом происходит образование субсоединений (пониженной валентности):

Al + AlF₃ ® AlF,

Al ⁰ + Al⁺³ ® Al ⁺

С возрастанием содержания AlF₃ в электролите потери Al увеличиваются.

2. Металл взаимодействует с расплавленной солью другого металла:

Al + NaF ® Na + AlF_3,

В системе NaF – AlF₃ наименьшие потери алюминия наблюдаются при КО = 2,6 – 2,8, то есть 27% Al.

Растворенный алюминий за счет циркуляции электролита выносится в прианодное пространство, где окисляется анодными газами, что приводит к значительным потерям металла.

С повышением температуры растворимость Al возрастает и, следовательно, увеличиваются потери металла.

С добавлением CaF₂, MgF₂ потери алюминия падают. Это объясняется увеличением вязкости расплава, что затрудняет перенос растворенного металла к поверхности расплава и окислении газами. Растворимость алюминия уменьшается при повышении поверхностного натяжения на границе металл – электролит.

Катодный процесс может осложняться совместным разрядом ионов Na⁺ и Al⁺. Алюминий является более электроположительным чем натрий, однако при большой концентрации ионов натрия и высокой температуре может наблюдаться разряд ионов Na⁺ с образованием металла:

Na⁺ + е ® Na

Расход электроэнергии на выделение натрия снижает выход по току. Поэтому вести электролиз нужно при условиях, исключающих возможность выделения натрия на катоде:

· работать с кислым электролитом КО = 2,4 – 2,6;

· избегать перегрева электролита;

· не допускать повышения напряжения.

При нормальных условиях выделение алюминия на катоде происходит на поверхности расплавленного алюминия, который и является катодом. При определенных условиях возможно взаимодействие алюминия катодного с угольными блоками с образованием карбида:

Al + С ® Al₄С₃

Карбид – это тугоплавкое соединение, накапливающееся на подине в виде сложного осадка, обладает большим электросопротивлением, что приводит к повышенному расходу электроэнергии. При наличии Al₄С₃ изменяется смачиваемость алюминием угольной подины, поверхностное натяжение его падает, что способствует проникновению металла в поры и трещины. В толще блоков металл взаимодействует с углеродом, образуя карбид, а это сопровождается увеличением объема блока на 20%. В итоге подина вспучивается и разрушается.

Образование карбида возможно и в объеме электролита. Из-за взаимодействия растворенного алюминия с углеродом угольной пены образующийся карбид оседает на подину в виде осадка. Образованию карбида способствуют:

* повышенные температуры электролита,

* местные перегревы,

* повышенное содержание NaF,

* загрязнение электролита угольными частицами.