铝三层液电解精炼

一种采用电解提纯的铝精炼方法。所用阴极、电解质、阳极皆为液体，因彼此密度不同而分成上中下三层并由此而得名。

该法由贝茨(A．G．Betts)于1905年提出，可使纯度约99．8%的原铝提纯到99．996%的精铝，1922年第一次在工业上得到应用。精铝的导电性和耐腐蚀性比原铝好，多用作制造电工器件、耐腐蚀器皿及其他一些特殊用途。

原理电位比铝更正的铜、铁、硅、锌、钛、铅、锰等杂质在电解精炼中不被电化学溶解，存留于阳极合金中。而电位比铝更负的钠、钙、镁等杂质则随同铝一起被电化学溶解，以离子形式进入电解质中。在电解精炼所控制的电压条件下只有A13+优先在阴极表面放电，Na+、Ca2+、M2+离子存留于电解质中。铝因此被提纯。

在铝三层液电解精炼过程中，存在汞齐型电池电势φ1和浓差电池电势φ2两种电势。

(1)汞齐型电池电势φ1。它是由于两极上铝的浓度不同产生的：

式中a1为阳极合金中铝的活度，a2为阴极金属中铝的活度，等于1；F为法拉第常数；R为气体常数；T为绝对浓度。φ1实际上约为0.016～0.03V。

(2)浓差电池电势φ2。它是由两极附近A13+浓度不同产生的：

式中a1’为阳极双电层中Al3+的活度；a2’为阴极双电层中Al3+的活度。φ2实际上约为0.32～0．36V。

电解槽铝三层液电解精炼的主要设备，电解槽最外部为钢壳，内衬石棉板，里面是保温砖和耐火砖，底部最里面由镶有钢棒的碳块砌成，侧面内部由镁砖砌成，在一侧修有料室经侧下部与阳极合金连通，其结构如图。液体铝阴极(精铝)与阴极母线的连接有三种方式：用固体铝阴极(精铝铸成)；用石墨电极；用液体铝电极。电流从阳极母线经阳极钢棒导入底部碳块，经阳极合金、熔融电解质、阴极铝液、固体铝阴极(或石墨电极或液体铝电极)导入阴极母线再进入下一电解槽。阴极母线可上下移动调节电极位置。

电解质有氟氯化物和纯氟化物两大体系，其组成和性质如表。

为了减少热损失，降低电耗，减少电解质挥发损失，NaF与AlF3的摩尔比一般控制在1～1．5之间。加入钡盐主要是为了提高电解质的密度。使之介于精铝密度(2300kg/m3)和阳极铝铜合金密度(3200～3500kg/m3)之间(2700kg/m3)。NaCl可提高电解质的电导率，并防止在阴极上生成高熔点的BaF2。氟氯化物电解质因初晶温度较低，电导率较高而多被采用。

原料为由原铝(待精炼的铝)和铜组成的阳极合金，含铜33%～45%，熔点为823K。铜在理论上不消耗，它的作用是提高合金密度达到与电解质、高纯铝分层的目的。精炼过程中阳极合金的铝不断地消耗，铜含量不断地提高，因此要定时往阳极合金中补充原铝，使其保持所要求的含铝量。精炼过程中硅、铁等杂质在阳极合金中积累，到硅量达5%～7%、铁量达3%～5%时，在加料室的低温处呈固相残渣析出。固相残渣的主要成分是FeAl3、Fe2SiAl8和FeSi2Al4，要定期从料室中捞出。

铝三层液电解精炼用电解质组成和性质

技术经济指标槽电压一般为6V左右，其大小由极间距控制。每天须补充电解质以调整极间距，进而达到调整电解温度的目的。电解槽容量一般从8kA到30kA，还有高达75kA的。电流效率一般为95%～98%。典型的铝三层液电解精炼生产技术经济指标如下：