铝电解过程阳极气泡的析出行为研究

何芳谦

摘要：铝电解过程中会消耗大量的能源，在工业生产中铝电解的电

能利用率不到50%。在节能降耗的背景下，需要对电解过程中气泡的运动行为进行分析。基于此，通过对铝电解气泡行为进行仿真研究实验，测量气泡运动和析出行为，以此为电解槽设计和铝电解生产提供一些参考。

关键词：铝电解；阳极气泡；析出行为

引言：冰晶石-氧化铝熔盐电解法生产铝是当前工业上大规模生产铝的唯一方法，其本质是将氧化铝溶解于熔融的冰晶石，并添加多种氟化物，形成电解质，再通过电路使氧化铝发生电解反应，得到铝液。

1铝电解过程阳极气泡实验设计

1.1铝电解过程气泡运动原理

在铝电解过程中炭阳极会不断被消化，从而生成二氧化碳和一氧化碳气体，阳极气体所产生的气泡在排放过程中会影响铝电解的传质和传热效果，增加了电解质的电位差，影响电流密度分布。气泡运动原理可以从两方面来看待。一方面，气泡的运动影响电解质运动是有利于氧化铝溶解和扩散的，借此增强电解槽内的温度和浓度梯度，促进电解质与结壳之间的热交换效果。另一方面，阳极气体向上移动自然也会造成铝液波动，使得电解槽不够稳定，增加了铝再氧化的可能性，从而降低电解反应效率。研究阳极气泡的析出行为和运动规律，可以找出电解质本在电解过程中的运动行为或规律，这对于调整电解参数，提高电解电能资源效益和反应效率有着重要作用。

1.2铝电解仿真实验设计

近年来，有过许多学者专家通过建立各类模型来研究阳极气泡的运动行为，其中所使用的仿真实验方法包括水模型实验、模拟工业铝电解槽、计算机系统模拟等。水模型与数学模型相结合的方式可以分析阳极气泡产生、分离、合并、消失的全过程，但与真实生产中工业电解铝存在一定差异；模拟工业铝电解槽利用相关软件模拟电解槽中气泡的析出行为；计算机系统模拟则是运用数值模拟模型对气泡析出频率、运行、形状进行预测，并用相同参数进行模拟验证。不难发现，以电解槽作为模拟实验更贴合铝电解产生气泡的真实情况。

本文采用透明石英坩埚作为工业铝电解槽的模拟对象，并利用摄像机和计算机对铝电解阳极气泡的析出行为进行记录和分析。铝电解阳极用高纯度石墨作为阳极，用跟电解槽底面大小相当的钨板作为阴极，并用镍铬丝相连，冰晶石分子比为2.93。为了控制电解温度，可以加入氟化铝降低实验温度，将氟化铝分子比降低至2.2，初晶温度可控制在900℃～920℃。电解质的质量分数为冰晶石77.2%，氟化铝10.3%，氟化钙4%，氧化铝3.5%，其余为氟化铝^[1]。

制备完成的电解质混合均匀倒入透明石英坩埚，再将坩埚放入加热炉之中。将温度调至500℃并保温2h，可以除去石英坩埚和加热炉中的电解质。然后继续升温至950℃。当石英坩埚中电解质变为无色透明后，便可以将阳极和阴极置入左右电解质中，并连接直流电源通电电解，电流密度应维持在0.7A/cm²左右，通过摄像机记录仪气泡析出行为。

2铝电解过程阳极气泡的析出行为分析

2.1气泡产生阶段

气泡产生阶段是阳极气泡逐渐变大的过程，此阶段约为15s。在t为0s时，阳极底面有众多小气泡生成，却没有明显的大气泡，只能证明阳极侧部有电流通过并发生了化学反应，产生出二氧化碳和一氧化碳。

在t为3s时，底面的气泡开始变大，侧面气泡保持不变，并没有因为底面的变化而有所减少或大小变化。底面气泡的产生及变大是因为电解后产生的二氧化碳分子先溶于电解质与阳极界面，当此界面逐渐饱和后，气泡便会在界面上成核并长大。这个过程气泡与电解质之间已经发生了动能、热能以及物质交换过程。

在t为6s时，底面的气泡继续变大，并且带有亮光。这是因为气泡体积变大后光源光线穿过底面气泡从而产生亮光。在t为9s、12s时亮光面积越来越大，气泡层在12s时达到最大，经测量可气泡层厚度为0.4cm。根据国内外研究数据看来，气泡层厚度应当处在0.4～0.6cm，本实验气泡层厚度数值略小可能是因为在电解过程中有部分气泡从侧部析出的原因。

2.2气泡上升阶段

气泡上升阶段是从气泡脱离阳极直至到电解质表面的过程。这个阶段非常迅速，以帧作为间隔单位，本实验所使用的摄像机为15帧/s，所以间隔时间为1/15s，总计经过4帧。

在第1帧前，大气泡接近阳极边部并有横向移动脱离阳极底面的迹象。第1帧时，阳极底面部分气泡已经探出底面，并有完全析出底面的气泡存在。在气液浮力的作用下紧贴着阳极侧面向上移动。第2帧时大气泡在不断运动中吞并着阳极侧面的小气泡，其体积也在不断增加，气泡逐渐变形。第3帧时大气泡已经成为椭圆形，并开始脱离阳极，从侧面向电解质表面析出。到第4帧时，气泡已经接触电解质表面，并随之破碎成很多小气泡，最后所有气泡消失，整个气泡上升阶段结束。气泡上升阶段的时间为0.24～0.30s之间，这与气泡上升时机以及气泡吞并小气泡的数量有一定关系

^[2]。

2.3阳极侧部气泡的影响

底面气泡产生后会经过阳极侧面而运动，侧面所产生的气泡自然会影响气泡的析出行为。本文摄像机侧面拍摄气泡较为清晰，可以直接进行分析。若拍摄图像不够清晰需用相应软件进行直方图处理，能够得到更为清晰的黑白色图片。可以得出在侧部生成的众多小气泡，一部分在持续变大却没有立刻析出，而另一部分气泡则不断析出。不过变大析出是电解过程中气泡必然会发生的情况，也能证明阳极侧面是有部分电流经过的，并在阳极侧面的电解中产生了二氧化碳气体。

2.4单个阳极气泡行为模拟

铅电解过程中气泡运动过程往往伴随着气泡的变形、翻转、合并、破裂等一系列复杂的拓扑变形，这种复杂的变形可能会超出动态网格变形所能达到的程度，即摄像机捕捉图像所能展现的程度。即使当前摄像机捕捉技术上可行，也代表着需要大量图像进行分析才能得到结论。单个阳极气泡行为模拟是在冰晶石、电解质、温度空气等各种因素相同的操作环境下，以时间变化规律为基准研究数个单独阳极气泡的析出行为，分析气泡行为的差异性和相同性。当然，此类模拟需要借助数字模型，不再局限于图像呈现的变形、合并或破裂，而是更为准确的气泡直径、气泡层厚度、气泡大小和气泡运动速度等数据信息。当气泡尺寸较小时，气泡比表面积很大，小气泡单位体积气体能获得更大的表面张力。因此，气泡体积越小，气泡形态越趋向于圆形，而圆形在表面张力和浮力的作用下与气液两相和阳极底面的摩擦力更趋向于扁平，其析出行为更为简单。而随着气泡体积増加，整个气泡会呈现出非常不规则的形状，气泡头部较高，尾部较为扁平，而且气泡越大，这种气泡形态的趋势就越明显，其析出行为更为多变。

结论：通过模拟工业铝电解槽实验来研究阳极气泡在阳极底面和侧面生成、上升和析出行为，进而观察阳极底部的气体分布与测量阳极侧部的气泡运动行为，气泡析出行为呈现相似的趋势，气泡尺寸的增加会提高气泡运行速度。较大的气泡在运动过程中极易发生气泡破裂现象，而较小的气泡则能保持体积完整。

参考文献：

[1]李松,石忠宁,赵志彬.铝电解过程阳极气泡的析出行为[J].有色金属工程,2020,10(06):53-57+96.

[2]王强,孙美佳,李宝宽,等.开槽阳极对铝电解槽中气泡运动影响的数值模拟（英文）[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2018,28(08):1670-1678.