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]
