周益文，周孑民，陳首慧，楊建紅，劉志明，包生重

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垂直惰性陽極鋁電解槽內(nèi)的析氣行為

周益文1,2，周孑民1，陳首慧2，楊建紅2，劉志明2，包生重2

（1中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410083；2中國鋁業(yè)鄭州有色金屬研究院有限公司，河南鄭州450041）

垂直惰性陽極鋁電解槽內(nèi)，析氣行為會影響氧化鋁濃度分布和電流效率。利用新設(shè)計的透明電解槽進行了電解試驗，觀察了大尺寸惰性陽極氣泡的析出及逸出過程。試驗結(jié)果表明：在陽極底掌下，氣泡進行周期性的生長、長大、并聚和脫離，但大尺寸陽極上氣泡的滑動和并聚過程與小尺寸陽極上的不同。陽極工作面上則形成了氣泡群，新形成的氣泡迅速脫離。緊貼著陽極的氣泡運行速度慢，外層的氣泡運動速度快。所有氣泡最終都經(jīng)液面逸出，大部分氣泡到達(dá)液面時立即逸出，少部分未及時逸出的氣泡隨著電解質(zhì)做一段水平運動后才逐步逸出。測量到的惰性陽極的氣泡運動速度為0.006～0.445 m·s-1，底部的氣泡運動速度分布范圍寬，然而，受電解質(zhì)的限制，中上部的范圍窄。

氣泡；電解；流動；惰性陽極；逸出；并聚

引 言

自1886年原鋁一直采用Hault-Heroult法生產(chǎn)，化學(xué)反應(yīng)如下：

Al2O3+C→Al+CO2

此方法雖然解決了鋁的經(jīng)濟生產(chǎn)問題，但帶來了一個固有的問題，即生產(chǎn)過程會排放大量溫室氣體。近年來，全球廣泛關(guān)注溫室氣體的排放，各國環(huán)保性行政法規(guī)對碳排放要求日趨嚴(yán)格，這些都對原鋁生產(chǎn)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。近年來，各大原鋁生產(chǎn)企業(yè)，如美國鋁業(yè)公司、瑞士Moltech公司、加拿大鋁業(yè)公司、俄羅斯鋁業(yè)公司等以及國內(nèi)外相關(guān)高等院校經(jīng)過多年的研究證明了以下化學(xué)反應(yīng)為原理的使用惰性陽極原鋁生產(chǎn)方法將解決原鋁生產(chǎn)過程碳排放問題：

Al2O3→Al+O2

惰性陽極技術(shù)存在水平電極垂直電極兩種技術(shù)方案。對于水平電極來說，電解槽內(nèi)物理場和氣泡的運動與現(xiàn)行鋁電解槽相似。但是垂直電極的惰性陽極鋁電解槽內(nèi)的物理場和氣泡的流動與現(xiàn)行槽差異較大。鋁電解過程中產(chǎn)生大量的氣泡并推動電解質(zhì)在槽內(nèi)流動，對氧化鋁濃度平衡和電流效率等的影響較大，是影響電解工藝技術(shù)和電解槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素。因此，研究電解槽內(nèi)的氣泡行為，具有重要的意義。

電解槽內(nèi)氣泡的研究，根據(jù)產(chǎn)生氣泡的不同可分為低溫鼓氣法、低溫電解法和高溫電解法。低溫鼓氣法[1-8]以有機玻璃等透明材料制成試驗槽，分別以水和空氣模擬電解質(zhì)和二氧化碳?xì)馀荩酝諝獾姆椒M電解氣體的產(chǎn)生。此種方法便于實施和觀察，氣泡量可調(diào)節(jié)，但缺點是氣泡產(chǎn)生點固定，氣泡形狀不同于電解槽氣泡。低溫電解法[5, 9-10]同樣使用透明電解槽，以產(chǎn)生氣泡的水溶液電解模擬鋁電解過程，典型的有電解CuSO4或NaOH等。此種方法也便于實施和觀察，氣泡形狀與電解槽氣泡類似，但受電流密度的影響，產(chǎn)生的氣泡量受到限制。高溫電解法[11-15]以使用小規(guī)格陽極的真實電解過程。除了尺寸外，化學(xué)反應(yīng)和電解質(zhì)等與鋁電解過程完全相同。試驗實施難度大，不便于觀察。氣泡的產(chǎn)生量和形狀最接近工業(yè)電解槽。

Wang等[16-17]對透明槽進行了多次改進，從陽極側(cè)部研究了陽極底掌下的氣泡行為，將生命周期分為：形成與長大、并聚成氣泡層、氣泡層增厚、氣泡脫離陽極和氣泡在電解質(zhì)上升5個階段。從陽極底部觀察了4個中小氣泡并聚、2個中等氣泡并聚和2個大氣泡并聚的不同現(xiàn)象。Xue等[12]觀察了陽極底掌下氣泡的周期性行為和初始?xì)馀莸倪\動狀態(tài)和軌跡。氣泡的生命周期分為形成、并聚與長大和脫附3個階段。陽極底掌下先形成了半球狀和球狀的氣泡，氣泡直徑為0.4～0.6 mm。氣泡逐步長大并聚成多個較大的氣泡，最終形成覆蓋整個陽極底掌的單個大氣泡。經(jīng)過陽極邊緣，氣泡脫離，分裂成多個氣泡。脫離氣泡的截面直徑最大為11～12 mm。徐君莉等[15]利用雙室透明石英槽研究了鋁電解金屬陽極上氣泡的析出行為，實驗發(fā)現(xiàn)在低電流密度下，沒有氧氣析出，新生的氧形成氧化物膜；在高電流密度下，電解開始陽極上就有氧氣析出。試驗研究發(fā)現(xiàn)，氣泡先在陽極表面長大，再匯聚成一個或幾個大氣泡從陽極底部析出，析出前的氣泡平均直徑隨電流密度的增加而減小。Vogt[18-20]分析了陽極表面氣體解析至氣相的效率，理論推導(dǎo)了氣體覆蓋率。模擬分析了氣泡覆蓋率對陽極表面附近質(zhì)量傳遞的影響。以上研究分析了電極表面的微觀層面的氣泡產(chǎn)生行為和對傳質(zhì)的影響。還有其他研究者[21-22]對現(xiàn)行鋁電解槽內(nèi)氣泡的宏觀流動進行了模擬。Cassayre等[23]詳細(xì)比較了石墨和金屬惰性陽極上析出氣體的行為。在石墨電極側(cè)面，電流密度為0.2 A·cm-2時，球形氣泡經(jīng)生長和并聚直到直徑為2～3 mm時開始脫離陽極，然后垂直上升。在陽極底掌，開始形成多個氣泡并最終覆蓋整個底掌的單個大氣泡，然后脫離，電流密度較大時，在氣泡覆蓋整個底掌前就開始脫離。脫離前氣泡的平均直徑在電解密度0.2 A·cm-2時為18 mm，電解密度增大至1.6 A·cm-2時為直徑降低至7 mm。氣泡在錫-氧化物、銅、銅-鎳陽極上的析出行為基本相同，但不同于石墨陽極。惰性陽極上的氣泡連續(xù)脫離，并聚較少。氣泡直徑小，為0.1 mm。使用惰性陽極時，底掌下氣泡層的厚度為使用石墨陽極的一半。

以上研究集中現(xiàn)行碳陽極產(chǎn)生的氣泡流的研究和在實驗室內(nèi)對小尺寸惰性陽極進行微觀機理的分析。使用大尺寸的惰性陽極鋁電解半工業(yè)試驗已經(jīng)在有的公司完成[24-25]，但由于保密原因，試驗結(jié)果未對外公開。因此，關(guān)于惰性陽極鋁電解槽內(nèi)氣泡引起的流動，公開的資料少。為更好地理解惰性陽極鋁電解槽內(nèi)氣泡所引起的流動現(xiàn)象，本文設(shè)計了透明試驗槽進行了惰性鋁電解試驗，對工作面為垂直面，且具有工業(yè)應(yīng)用前景的大尺寸惰性陽極產(chǎn)生的氣泡流行為進行了研究。

1 實驗裝置

1.1 材料

電解質(zhì)為冰晶石，由多氟多化工股份有限公司提供，純度97.3%，氟化鉀，由黃河精細(xì)化工有限公司提供，純度98.5%，氟化鋁，由多氟多化工股份有限公司提供，純度89.2%，氧化鋁，由中國鋁業(yè)廣西分公司提供，純度98.6%。陽極為10NiO-NiFe2O4基金屬惰性陽極[26]，陰極為高純石墨，電解質(zhì)成分[27]為KF 44.5%, AlF349%, Al2O36.5%, CR=1.31。電解溫度850℃，電解質(zhì)高度0.23 m，電流密度0.741 A·cm-2。陽極尺寸：0.045 m× 0.11 m × 0.20 m，陰極尺寸：0.04 m× 0.09 m× 0.12 m，電解工作面為0.09 m×0.12 m。

1.2 透明槽試驗裝置

鋁電解過程是高溫和強腐蝕的電化學(xué)過程，直接觀察電解過程現(xiàn)象具有較大難度。根據(jù)Qiu等[28]的研究，石英坩堝能在短時間內(nèi)保持透明，是研究鋁電解過程的有力工具。為此設(shè)計了大功率帶觀察窗口的坩堝電阻爐和相應(yīng)的透明石英坩堝，如圖1所示?，F(xiàn)行鋁電解工作面為水平面，本試驗所用電極工作面為垂直面。

1—direct-current source; 2—lighting; 3—busbar; 4—inert anode; 5—rod; 6—cathode; 7—electrolyte; 8—quartz crucible; 9—resistance furnace; 10—observation window; 11—camera

試驗裝置由直流電源，電阻爐及攝像系統(tǒng)組成。其中直流電源為HIFB-400 A/12 V型高頻開關(guān)電源，由東莞市力與源電器設(shè)備有限公司生產(chǎn)，輸出12 V，400 A。電阻爐由鄭州天縱電氣設(shè)備有限公司定制生產(chǎn)，加熱元件硅碳棒，額定功率18 kW，使用溫度900℃。石英坩堝為電熔石英，有效尺寸0.22 m× 0.22 m × 0.38 m。攝像機為高清攝像機，分辨率1920像素×1280像素，拍攝速度50 frame·s-1。光源為HID氙氣燈，6000 lm。

在電阻爐一側(cè)放置強光源，在另一側(cè)用攝像機錄像，記錄電解槽內(nèi)發(fā)生氣泡產(chǎn)生過程和電解質(zhì)流動形態(tài)。電極通電后，惰性陽極表面產(chǎn)生氧氣，電解質(zhì)液在氧氣的驅(qū)動下流動。在強光的照射下，熔液清澈透亮，可清晰地觀察電解質(zhì)熔液中氧氣的產(chǎn)生、流動行為和電解質(zhì)流動行為。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 陽極底掌下氣泡析出行為

通電電解后，陽極表面產(chǎn)生氣體，電解質(zhì)剛開始變得渾濁，Cassayre等[23]也觀察到了這一現(xiàn)象，Qiu等[28]認(rèn)為這是由于陰極產(chǎn)生的鋁霧引起的。幾分鐘后，電解質(zhì)變得清晰。因此為了便于觀察和分析氣泡的析出行為，定義穩(wěn)定電解的某一時刻為基準(zhǔn)時間（0.00 s），然后截取基準(zhǔn)時間以后的圖像進行分析，陽極底部氣泡的分布如圖2所示。從圖2可以看出，與文獻(xiàn)[1-8]使用鼓氣法產(chǎn)生氣泡位置恒定且集中不同，惰性陽極上氣泡生長點分散，呈均勻分布。與高溫電解法[11-15]觀察到的底掌下氣泡的行為相同，氣泡有成核、生長和并聚過程。氣泡在生長點位置長大，當(dāng)生長至與相鄰位置的一個或多個氣泡接觸后，發(fā)生聚并形成大氣泡并繼續(xù)長大。由于周圍電解質(zhì)的運動和浮力的作用，氣泡達(dá)到一定尺寸后脫離原位置，沿陽極表面向上滑動，氣泡膜保持與陽極表面黏結(jié)接觸。

鼓氣法中，滑動氣泡的原位置沒有新的氣泡，留下一片空白區(qū)域。Cassayre等[23]在電解試驗時也觀察到，大氣泡脫離后，暫時留下一個沒有氣體的干凈的陽極底掌。然而，本試驗中發(fā)現(xiàn)在滑動氣泡的原位置，又有新的多個小氣泡形成?？赡艿脑蚴请娏髅芏容^大，產(chǎn)生的氧氣量大，氣泡生長速度快。

在陽極底掌處，滑動的氣泡與前方其他氣泡接觸，理論上，兩氣泡相遇時，氣泡受的力、接近速度、液膜變型將引起液膜不穩(wěn)定，并將決定兩氣泡的行為。在試驗中，觀察到了以下幾種現(xiàn)象。當(dāng)前方的氣泡較小時，滑動的氣泡吞噬前方的小氣泡而聚合，形成更大的氣泡，氣泡的運動速度與原滑動氣泡的速度基本一致；當(dāng)前方的氣泡較大時，滑動的氣泡有的與前方氣泡聚合，形成大氣泡，氣泡運動速度在聚合時有變化；有的則與前方氣泡粘連，并推動前方氣泡以相同的速度沿陽極表面滑動，如圖3所示。

此外，通過圖像處理，測量了部分氣泡的直徑，陽極底掌氣泡直徑為0.5～1.1 mm，脫離陽極的氣泡直徑為0.7～1.7 mm。脫離的氣泡直徑大于底掌氣泡的直徑。雖然由于溶液深度的差異，底掌氣泡的壓力大于脫離氣泡的壓力，但這種壓差較小，不足以使氣泡直徑相差較大。因此，可以推測，正是由于發(fā)生了上述所說的并聚等現(xiàn)象，使得氣泡直徑變大。

由以上分析可知，與眾多研究者觀察到的一樣，無論是鼓氣法、低溫電解法或是高溫電解法，在陽極底掌下，氣泡層都是由單層氣泡平鋪而成的。雖然氣泡的周期性行為都包含生長、長大、并聚和脫離，但在細(xì)節(jié)上有些不同。

2.2 電解工作面上氣泡運動

然而，與陽極底掌下完全不同的是，在電極的垂直工作面上，試驗觀察到陽極表面的氣泡層是由氣泡群組成。圖4列出了不同時刻垂直面上氣泡的分布情況，圖像右邊黑色的區(qū)域是垂直放置的電極，緊臨電極的是氣泡區(qū)域，0 s時刻代表電解開始后能清晰觀察的某一時間點。

在靠近陽極的最里層，在浮力、表面張力等力的綜合作用下，工作面上產(chǎn)生的氣泡，脫離陽極表面，進入電解質(zhì)，垂直上升，這與Cassayre等[23]在石墨電極側(cè)面觀察到的現(xiàn)象一樣。與Cassayre等觀察到陽極側(cè)面的氣泡脫離較難不同，本試驗中氣泡脫離迅速，長大后直接脫離電極進入電解質(zhì)中。引起此種現(xiàn)象的原因，可能是氣泡數(shù)量大且在電解質(zhì)中有較長的加速運動時間，推動電解質(zhì)運動速度較快。周圍氣泡的運動和電解質(zhì)的運動對新生氣泡擾動大，所以新生氣泡容易脫離。

在靠近陽極最里層向外的位置，則是來自下方脫離的氣泡。氣泡上升的路徑集中在沿著電極表面一定距離的空間內(nèi)，水平方向擴散較小，距離電極表面越遠(yuǎn)，氣泡數(shù)量越少，如圖4所示。

從圖4可看出，不同時刻，在不同高度處，氣泡數(shù)量和運動速度并不相同。由于陰極與陽極是垂直設(shè)置的，電流路徑不同，因此電極上從上到下的電流密度是不同的。電極上部要比電極下部的電流密度略大，中上部位的陽極氣體的析出量要高于底部。氣泡在電極上呈現(xiàn)多層小氣泡，緊貼著電極的氣泡移動速度較慢，而在氣泡層上滑移的氣泡速度較快。因此，氣泡上升時是沿著電極表面向上運動，但并不是呈層流形式。從實驗觀察到，部分外層的氣泡在運動過程中翻滾著向電極表面運動，在上升運動過程中形成旋渦狀的氣泡團，但這種氣泡團旋轉(zhuǎn)不劇烈，數(shù)目也不多，由此可以推斷，氣泡在電極壁面附近形成了從層流到湍流之間的過渡流。

2.3 氣泡逸出行為

關(guān)于惰性陽極氣泡的研究，陽極底掌下的氣泡行為是關(guān)注焦點，對氣泡在電解質(zhì)表面的逸出行為關(guān)注較少。作者通過其他試驗觀察到，水溶液電解的氣泡在水平面上直接逸出。然而，本試驗中觀察到，并不是所有惰性陽極上產(chǎn)生的氣泡到達(dá)電解質(zhì)表面后就直接逸出。

惰性陽極上氣泡逸出行為如圖5所示，圖像右邊為陽極工作面，0 s時刻代表電解開始后能清晰觀察的某一時間點。來自陽極底部和中部的氣泡運行至空氣和電解質(zhì)的交界面時，靠近電極表面的氣泡大部分直接進入空氣中，離電極表面較遠(yuǎn)的氣泡未到達(dá)交界面，而是受電解質(zhì)運動的影響，繼續(xù)隨著電解質(zhì)水平運動。由于電解質(zhì)的運動是主要由氣泡的浮力驅(qū)動，部分氣泡在交界面逸出后，電解質(zhì)上沖至交界面的水平面，而后由于慣性繼續(xù)向上運動，而后由于重力作用下落，上升和下落過程的運行軌跡呈拋物線形式。未及時逸出的氣泡被快速運動的電解質(zhì)攜帶著形成了水平氣泡流，略微向下作下潛運動。最后，由于浮力作用，氣泡逐步上升至交界面逸出，散發(fā)至空氣中。

氣泡作水平運動的距離和下潛的距離直接決定了電極極距和陰極高度的設(shè)置，對惰性陽極鋁電解槽的電流效率有直接影響，因此，后續(xù)工業(yè)化前，有必要對此做定量研究，以獲得最優(yōu)的結(jié)果。

部分氣泡逸出電解質(zhì)后，氣泡液膜并沒有破裂，浮在電解質(zhì)表面并隨電解質(zhì)滑動，在電解質(zhì)表面，形成了氣泡層，覆蓋的厚度為1個氣泡大小。但在透明槽的壁面上，多個氣泡疊加在一起，厚度不一，這是由于表面作用力引起的。通過圖像處理，計算得電解質(zhì)表層氣泡覆蓋面積比率約為50%。

2.4 氣泡運動速度

本試驗采用惰性陽極，電流密度為0.741 A·cm-2，試驗中記錄了電解過程，通過圖像處理，測量了部分氣泡運動速度。由于使用的相機速度最大為50 frame·s-1，在陽極的中上部，未并聚的氣泡很難捕捉到，因此，只測量了較大的并聚之后或脫離陽極之后的氣泡的運動速度，結(jié)果見表1。

表1 氣泡速度

測量到的氣泡運動速度為0.006～0.445 m·s-1，底部氣泡平均運動速度為0.072 m·s-1，中部氣泡平均速度為0.361 m·s-1。在底部，氣泡長大后由于擾動開始滑移，然后脫離。氣泡在陽極底掌下滑移距離不同，滑移較長的氣泡的運動速度大，因此，底部氣泡的移動速度表現(xiàn)出較大的分布范圍。由于浮力的作用，氣泡運動加速。由于來自不同的深度，氣泡在電解質(zhì)中具有不同加速的時間，因此氣泡移動速度不統(tǒng)一，底部的運動速度小于中部的運動速度。同時，由于氣泡與電解質(zhì)之間的運動速度差異，氣泡的運動則被電解質(zhì)的運動速度所緩沖。大于電解質(zhì)運動速度的氣泡被減速，小于電解質(zhì)運動速度的氣泡被拖動加速。因此，中部氣泡運動速度的分布范圍較底部的窄。

需要指出的是，電解產(chǎn)生的氣泡數(shù)量多，試驗中只測量了有限個氣泡的速度，因此，測量平均值不能代表統(tǒng)計平均值。在液面附近，由于氣泡密集，且速度較快，50 frame·s-1速度的相機無法分辨出氣泡的運動，在以后的研究中將使用高速攝像機來捕捉氣泡的運動，更好地分析頂部氣泡的行為。

3 結(jié) 論

（1）氣泡在大尺寸惰性陽極上的析出行為與在小尺寸陽極上的行為不同。雖然陽極底掌下氣泡的成核和生長與在小尺寸陽極上的相同，但并聚行為不同。在垂直工作面上氣泡更易脫離，在電極附近形成了多層氣泡。大部分氣泡在液面逸出，未及時逸出的氣泡上沖至液面并高于液面，然后部分下潛作水平運動，形成了水平氣泡流，并逐步逸出。

（2）利用圖像處理，測量了氣泡的運動速度，其值為0.006～0.445 m·s-1，中部氣泡的速度大于底掌的速度。陽極底掌的氣泡受滑移距離的影響，運動速度分布范圍較寬，中上部的氣泡受電解質(zhì)的緩沖作用，運動速度分布范圍較窄。

（3）氣泡水平運動的距離、下潛距離，氣泡流動形態(tài)，氣泡覆蓋面積等對電解過程有直接影響，產(chǎn)業(yè)化前需對新的電解槽進行定量化研究。

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Gas evolution behavior in aluminum electrolysis cell with vertical inert anode

ZHOU Yiwen1,2, ZHOU Jiemin1, CHEN Shouhui2, YANG Jianhong2, LIU Zhiming2, BAO Shengzhong2

(1School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan, China;2Zhengzhou Non-ferrous Metals Research Institute Co. Ltd of CHALCO, Zhengzhou 450041, Henan, China)

The gas evolution is one of the key factors for alumina distribution in bath and current efficiency in aluminum electrolysis cell using vertical inert anodes. A see-through cell is presented to investigate the gas evolution and releasing behavior with big inert anode. The test results show that with small anode, the bubble behavior of nucleation, growth and detaching periodically occurs on surface of big anode. However, the sliding and coalescence behavior on big surface is different to that on small anode. At working face of the anode, however, multi layers of bubbles are formed. The bubbles adjacent to the anode are moving fast than those at the outer layer. Most of bubbles go directly into the atmosphere at the liquid surface, while the remaining bubbles are carried by the electrolyte to move horizontally and they are released gradually. There is a bubble foam layer on the electrolyte surface. The moving velocity of bubble generated at inert anode is measured by image processing, which is in the range of 0.006—0.445 m·s-1. The bubbles at the bottom have a wide velocity range, while the bubbles at the middle have a narrow velocity range under the influence of the electrolyte.

bubble; electrolysis; flow; inert anode; releasing; coalescence

10.11949/j.issn.0438-1157.20161059

TF 821

A

0438—1157（2017）03—1185—06

國家自然科學(xué)基金項目（51304216，51371161）。

2016-07-11收到初稿，2016-11-02收到修改稿。

聯(lián)系人及第一作者：周益文（1977—），男，博士，高級工程師。

2016-07-11.

ZHOU Yiwen, 13838184452@139.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51304216, 51371161).