Tin Mới Nhất
Nghiên cứu thử nghiệm điện phân nhôm trong thiết bị tự chế tạo
06/12/2017
Nhằm mục đích góp phần nâng cao chất lượng đào tạo nguồn nhân lực luyện kim màu, tăng cường năng lực nghiên cứu, tiến tới làm chủ công nghệ điện phân kim loại trong dung dịch muối nóng chảy nói chung và nhôm nói riêng...
Study on electrolyse of aluminium in home-made equipment
Trương Ngọc Thận và Vũ Chất Phác Đại học Bách Khoa Hà Nội
TÓM TẮTĐiện phân nhôm là một công nghệ phức tạp và hoàn toàn mới mẻ đối với các nhà luyện kim nước ta. Bằng thiết bị tự thiết kế và chế tạo, đã thử nghiệm thành công điện phân nhôm trong dung dịch muối nóng chảy cryolit- alu- min (Na3AlF6 – Al2O3 ) với các thông số công nghệ sau:
| Hàm lượng alumin Al 2O3 trong dung dịch muối nóng chảy | : | 10 % |
| Nhiệt độ điện phân | : | 960°C |
| Điện áp | : | 7,5 V |
| Mật độ dòng catốt | : | 1,51 A/cm2 |
| Khoảng cách điện cực | : | 2,5 cm |
| Nhôm điện phân đạt độ sạch | : | 98,5 % |
Electrolyse of aluminium is a complicated technology and still completely new for Vietnamese metallurgists. For the first time at HUT has been succesfully realized the electrolyse of the aluminium in cryolit - alumina (Na3AlF6 – Al2O3) melting solution by a home-made electrolyser with following conditions :
| Alumina content [Al2O3] in melting solution | : | 10 % |
| Electrolyse temperature | : | 960°C |
| Cell voltage | : | 7,5 V |
| Cathode current density | : | 1,51 A/cm2 |
| Distance between electrodes | : | 2,5 cm |
| The purity of electrolytic aluminium | : | 98,5 % |
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nguồn bauxit-gipxit với trữ lượng lớn và chất lượng trung bình ở khu vực phía Nam là tiền đề quan trọng cho việc xây dựng nền công nghiệp nhôm trong một tương lai gần ở nước ta.
Trừ một lượng rất nhỏ được sản xuất bằng phương pháp hoàn nguyên hoá học trong thời gian 1854-1888, ngay từ đầu, nhôm được sản xuất ở quy mô công nghiệp bằng điện phân. Khác với điện phân Cu, Ni, Sn…, điện phân nhôm thực hiện trong dung dịch muối nóng chảy cryolit (Na3AlF6)– alumin (Al2O3) ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ nóng chảy của nhôm (658°C). Đây là công nghệ rất phức tạp và hoàn toàn mới mẻ đối với các nhà luyện kim Việt Nam trước năm 2004.
Nhằm mục đích góp phần nâng cao chất lượng đào tạo nguồn nhân lực luyện kim màu, tăng cường năng lực nghiên cứu, tiến tới làm chủ công nghệ điện phân kim loại trong dung dịch muối nóng chảy nói chung và nhôm nói riêng, với sự phối hợp của Viện nghiên cứu Mỏ - Luyện kim, tập thể khoa học bộ môn Vật liệu kim loại màu & Compozit đã tiến hành thử nghiệm điện phân nhôm trong thiết bị tự thiết kế, chế tạo.
2. CƠ CHẾ ĐIỆN PHÂN MUỐI NÓNG CHẢY CRYOLIT-ALUMIN
Cho đến nay, vẫn chưa có sự thống nhất quan điểm về thành phần phân tử của hỗn hơp muối nóng chảy cryôlit-alumin và cơ chế điện phân của hỗn hợp này. Tuy nhiên, có thể nêu ra đây một trong những thuyết giúp chúng ta hình dung được một cách đơn giản nhất về quá trình điện phân nhôm.
Trong muối nóng chảy, sự phân ly cryôlit không chỉ ở mức thành các muối natri và nhôm florua (NaF và AlF3) mà còn tạo ra các ion theo phản ứng:
Na3AlF6 = 3Na+ + AlF6 3- (1)
Alumin cũng bị phân ly:
Al2O3 = Al3+ + AlO3 3- (2)
Như vậy, trong dung dịch muối nóng chảy tồn tại các cation Na+, Al3+ và các anion AlF6 3- , AlO3 3- . Dưới tác dụng của dòng điện một chiều, xảy ra các phản ứng điện cực sau đây :
Trên cực âm (catôt) Al 3+ + 3e = Al (3)
Trên cực dương (anôt)
2AlO3 3- - 6e = Al2O3 + 1,5O2 (4)
Các phản ứng (3) và (4) cho thấy, trên catôt sẽ tiết ra nhôm kim loại, còn trên anôt ôxi sẽ ôxy hoá cacbon của cực dương để tạo ra khí CO và CO2 trong quá trình điện phân.
3. THIẾT BỊ ĐIỆN PHÂN NHÔM TỰ THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
Qua tham khảo thiết bị điện phân trong dung dịch muối nóng chảy nói chung và điện phân nhôm ở quy mô công nghiệp nói riêng, tập thể nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị điện phân nhôm thí nghiệm với sơ đồ nguyên lý làm việc như trên hình 1 và hình 2 là tổng thể cụm thiết bị.
Hình 2. Thiết bị điện phân tự chế tạo
Thiết bị điện phân thí nghiệm bao gồm các bộ phận:
Hình 3. Bộ nguồn một chiều
a. Bộ nguồn một chiều (hình 3)
Các thông số kỹ thuật:
- Điện áp vào: 220 V
- Điện áp một chiều với khoảng điều chỉnh (0- 30) V.
- Cường độ dòng một chiều: (0-200 A).
b. Nồi điện phân đồng thời là catốt
Cấu tạo chi tiết của bộ phận này gồm vỏ thép hình trụ, tiếp đến là lớp bảo ôn bằng bông thuỷ tinh và ở chính giữa đặt nồi điện phân.
Nhằm mục đích bảo vệ và khắc phục tình trạng phóng điện phân tán quanh thành nồi, thay cho áo liệu của bể điện phân công nghiệp, nồi điện phân thí nghiệm (hình 4) có kết cấu:
Hình 4. Nối điện phân thành corundum gắn trên đế grafit
Thành nồi là ống corundum hình trụ khoan đáy được đặt trên đế grafit có núm nhô ở vị trí chính tâm - thực chất là catôt. Đế grafit và nồi corundum được gắn kết bằng hỗn hợp nitrit Bo và nước thuỷ tinh. Tiếp điện cho catôt được thực hiện thông qua cơ cấu đặc biệt (hình 5) có khả năng bảo vệ thanh dẫn trước tác dụng trực tiếp của nguồn nhiệt điện phân.
Hình 5. Bộ phận tiếp điện catốt
c. Anốt và cơ cấu nâng hạ
Điện cực anốt có dạng hình trụ được chế tạo từ grafit.
Đường kính anốt được xác định theo yêu cầu của chế độ điện phân. Anốt được gắn với dàn nâng hạ điện cực (hình 6). Việc định vị anốt và điều chỉnh khoảng cách điện cực được thực hiện nhờ cơ cấu dẫn hướng có khả năng điều chỉnh linh hoạt anốt theo các hướng: lên, xuống, ngang và nghiêng.
Hình 6. Anốt và cơ cấu nâng hạ
d. Bộ phận gia nhiệt cho nồi điện phân Bộ phận gia nhiệt gián tiếp cho nồi điện phân bao gồm: biến thế, dây nung, can nhiệt, đồng hồ đo nhiệt độ và rơle nhiệt. Dây điện trở sử dụng là loại Cr-Ni có đường kính 2 mm quấn quanh ống nung bằng vật liệu cao nhôm. Điện áp gia nhiệt được điều chỉnh thông qua biến thế.
4. THỰC NGHIỆM ĐIỆN PHÂN NHÔM VÀ KẾT QUẢ
a. Nguyên liệu điện phân
Alumin, cryôlit và nhôm mồi dùng để ổn định tiết diện làm việc của catôt và tăng cường khả năng tích tụ nhôm điện phân đều là những nguyên liệu được nhập khẩu từ Trung Quốc có thành phần chủ yếu như sau:
Alumin [%]: 98,6 Al2O3; 0,02 SiO2; 0,03Fe2O3; 0,55(Na2O + K2O); 0,8MKN Cryolit [%]: 54F; 30Na; 13Al; 0,9SiO2; 0,08 Fe2O3 Nhôm mồi có độ sạch 99,5%
b. Quy trình thử nghiệm điện phân nhôm
Thử nghiệm điện phân nhôm được tiến hành theo quy trình như trên hình 7
Nhôm ôxyt và cryôlit qua sấy ở 100°C được phối liệu theo tỷ lệ 1:9 và sau khi trộn đều nạp vào nồi điện phân. Bắt đầu quá trình gia nhiệt cho tới khi đạt nhiệt độ điện phân 960°C. Cho nhôm mồi vào dung dịch muối nóng chảy và nhúng điện cực anốt vào dung dịch tới độ sâu sao cho khoảng cách giữa anốt và catốt bằng 2,5 cm. Đóng mạch nguồn điện một chiều và điều chỉnh điện áp cũng như cường độ dòng điện theo chế độ đã được xác định trước. Thời gian điện phân được tính từ khi đóng điện một chiều. Kết thúc thí nghiệm, tắt nguồn điện và nâng điện cực anốt ra khỏi nồi điện phân. Tăng điện áp của máy biến thế để nâng nhiệt độ lên 1000°C nhằm tạo điều kiện cho sự phân lớp và tích tụ nhôm điện phân. Nhôm sản phẩm được tách khỏi dung dịch điện phân sau khi làm nguội tự nhiên trong thiết bị, rồi đem cân để xác định trọng lượng cho tính hiệu suất dòng điện. Hiệu suất dòng điện (ký hiệu η) được tính theo công thức :
η = (q2 / q1) x 100% [%].
Trong đó:
q2 - lượng kim loại thực tế thu được từ quá trình điện phân [g]
q1 - lượng kim loại lý thuyết tính theo định luật Faraday: q1 = A.I.t [g]
với A – đương lượng điện hoá, đối với nhôm A = 0,335 g/A.h; I- cường độ dòng điện ( A ); t - thời gian (h)
c. Chế độ điện phân
Qua tham khảo tài liệu [1,2] và căn cứ vào đặc điểm thiết bị tự chế tạo, chế độ điện phân được lựa chọn như sau:
Thành phần phối liệu [%]: 90 Na3AlF6, 10 Al2O3 và 11 g nhôm mồi
Chế độ điện: U =7,5V, I = 20 A, mật độ dòng catốt 1,51 A/cm2
Nhiệt độ: 960°C, thời gian 1,5 h
Quá trình điện phân được thực hiện trong nồi có đáy (đế) grafit và thành corundum với đường kính trong 41 mm, cao 74 mm. Núm đế graphít (qua lỗ đáy corundum) có đường kính 16 mm và chiều cao 15 mm. Đường kính anốt 16 mm, khoảng cách điện cực 2,5 mm.
Hình 7. Quy trình thí nghiệm điện phân nhôm
d. Kết quả điện phân
Với các điều kiện và chế độ điện phân chọn trước, đã thu được nhôm có độ sạch chưa qua tinh luyện là 98,5 %. Hiệu suất dòng điện η qua tính toán đạt 88,16 %. Điều kiện và chế độ điện phân nêu trên được kiểm tra lặp lại 3 lần và cho các kết quả tương tự. Cũng như vậy, đã tiến hành thử nghiệm điện phân đối với alumin Bảo Lộc có hàm lượng Al2O3 ≈ 98 %. Hiệu suất dòng điện cũng đạt xấp xỉ so với sử dụng alumin Trung Quốc.
5. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN
a. Qua quá trình thử nghiệm thấy rằng, thiết bị điện phân tự thiết kế và chế tạo làm việc ổn định, có độ tin cậy cao và dễ thao tác. Tuy nhiên, cần phải có sự cải tiến bộ nguồn một chiều sao cho việc điều chỉnh điện áp và cường độ dòng đảm bảo tính độc lập tương đối.
b. Các điều kiện và chế độ điện phân chọn trước so với thực tế sản xuất có sự khác biệt ít nhiều về mật độ dòng catốt (cao hơn), khoảng cách điện cực (nhỏ hơn) và chưa sử dụng các chất phụ gia cải thiện tính chất của dung dịch điện phân, nhưng độ sạch của nhôm điện phân và hiệu suất dòng điện đạt được khẳng định sự thành công của thí nghiệm điện phân nhôm.
c. Kết quả điện phân ra nhôm trong thiết bị tự thiết kế và chế tạo mở ra khả năng sử dụng thiết bị này phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu điện phân dung dịch muối nóng chảy ở quy mô phòng thí nghiệm không chỉ đối với nhôm mà còn cả đối với các kim loại khác. Thay cho áo liệu trong các bể điện phân công nghiệp là nồi corundum và cơ cấu đặc biệt tiếp điện cho catôt là hai bộ phận thể hiện sự vận dụng sáng tạo trong thiết kế của tập thể nghiên cứu.
d. Từ kết quả điện phân thí nghiệm theo phương thức gia nhiệt gián tiếp, cho phép thiết kế chế tạo thiết bị điện phân sử dụng nhiệt trực tiếp với cường độ dòng điện lớn gấp nhiều lần.
[symple_box color="gray" text_align="left" width="100%" float="none"]
Tài Liệu Trích Dẫn- P.A.Minxic, P.V. Poliaicov, Electrometalurgia aluminia, Novosibirsk Nauka, 2001
- H. Kvande, Thermodynamics of the system NaF-AlF3-Al2O3-Al studied by vapour pressure measurements, Trondheim, 1979
[/symple_box][symple_clear_floats]