К вопросу о применении твердых электродов для электролиза криолитоглиноземных расплавов. Часть 3. Распределение электрического поля на электродах

Цель - выявление теоретических ограничений электролиза расплавленных солей с применением твердых электродов для их преодоления на практике. Приложение теории распределения электрического поля на электродах в водных растворах к прогнозированию распределения плотности тока и потенциала на поликристаллической поверхности электродов в расплавленных солях. Сопряжением теоретических основ распределения плотности тока с тривиальными законами формирования потенциала на поверхности электродов получены основания и определена последовательность численных исследований процессов электролиза в междуполюсном зазоре. Применение метода позволило установить особенности краевого эффекта концентрации тока на периферии гладких электродов и распределения плотности тока и потенциала на неоднородной поверхности электродов. Моделированием различных сценариев взаимодействия параметров электролиза установлена их функциональная связь и проявление на гладкой и шероховатой поверхности электродов. Показано, что с увеличением поляризации катода, оптимизацией концентрации глинозема и циркуляции расплава можно снизить неоднородное распределение тока и потенциала на поверхности электродов с исходной шероховатостью. При этом очевидно, что при длительном электролизе могут развиваться физическая и химическая неоднородности, что аннулирует все попытки стабилизировать процесс. Теоретически установленная взаимосвязь краевого эффекта и шероховатости с распределением плотности тока и потенциала на твердых электродах может выступать первичной и обобщающей причиной их повышенного расхода, пассивации и дестабилизации электролиза в стандартных и легкоплавких электролитах. И в то же время эта функциональная связь может служить основой для разработки способов выравнивания распределения электрического поля по площади анодов и катодов и, следовательно, стабилизации электролитического процесса. Литературный обзор, лабораторная практика и теоретические расчеты позволили сформулировать принцип организации стабильного электролитического процесса -комплексное применение электродов эллиптической формы и электрохимическое микроборирование катодов. Практическое подтверждение этого предположения - одно из возможных направлений последующих теоретических и лабораторных исследований.

1. Кругликов С.С., Титова Н.В., Некрасова Н.Е., Кругликова Е.С., Тележкина А.В., Бродский В.А. [и др.] Прогнозирование микрораспределения скорости электроосаждения металла из электролитов с положительной и отрицательной выравнивающей способностью // Электрохимия. 2019. Т. 55. № 1. С. 78-84. https://doi.org/10.1134/S0424857018140050

2. Ibl N. Current Distribution // Comprehensive Treatise of Electrochemistry / eds. E. Yeager, J.O. Bockris, B.E. Conway, S. Sarangapani. Boston: Springer; 1983, р. 239315. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-6690-8_4

3. Newman J., Thomas-Alyea K.E. Electrochemical systems. 3rd ed. New Jersey: Published by John Wiley & Sons, 2004. 647 p.

4. Гамбург Ю.Д., Зангари Дж. Теория и практика электроосаждения металлов: монография / пер. с англ. Ю.Д. Гамбург. М.: Бином, Лаборатория знаний, 2019. 439 с.

5. Барабошкин Н.А. Электрокристаллизация металлов из расплавленных электролитов. М.: Наука, 1976. 279 с.

6. Ветюков М.М., Цыплаков А.М., Школьников С.Н. Металлургия алюминия и магния. М.: Металлургия, 1987. 320 с.

7. Grjotheim K., Krohn C., Malinovsky M., Matiasovsky K., Thonstad J. Aluminium electrolysis fundamentals of the Hall-Heroult process. 2nd ed. Dusseldorf: Aluminium-Verlag, 1982. 360 р.

8. Николаев А.Ю., Ясинский А.С., Суздальцев А.В., Поляков П.В., Зайков Ю.П. Электролиз алюминия в расплавах и суспензиях KF-AIF3-AI2O3 // Расплавы. 2017. № 3. С. 205-213.

9. Николаев А.Ю., Ясинский А.С., Суздальцев А.В., Поляков П.В., Зайков Ю.П. Вольтамперометрия в расплаве и суспензиях KF-AIF3-AI2O3 // Расплавы. 2017. № 3. С. 214-224.

10. Nikolaev A.Yu., Suzdaltsev A.V., Zaikov Yu.P. Cathode process in the KF-AIF3-AI2O3 melts // Journal of the Electrochemical Society. 2019. Vol. 166. No. 15. P. D784-D791. https://doi.org/10.1149/2.0521915jes

11. De Nora V., Nguyen T. Inert anode: Challenges from fundamental research to industrial application // Light Metals - 2009: Proceedings of the Technical Sessions Presented by the TMS Aluminum Committee at the TMS 2009 Annual Meeting and Exhibition (San Francisco, 1519 February, 2009). San Francisco, 2009. P. 417 -421.

12. Wang Zhaohui, Friis J., Ratvik A.P. Transport of sodium in TiB2 materials investigated by a laboratory test and DFT calculations // Light Metals 2018. TMS 2018: The Minerals, Metals & Materials Series / eds. O. Martin. Cham: Springer, 2018. P. 1321-1328. http://doi.org/10.1007/978-3-319-72284-9_173

13. Kovrov V.A., Shurov N.I., Khramov A.P., Zaikov Yu.P. Character of the corrosion destruction of inert anodes during electrolysis of cryolite alumina melt and the reasons for it // Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2009. Vol. 50. No. 5. P. 492-499. https://doi.org/10.3103/S1067821209050113

14. Горланов Е.С. К вопросу о применении твердых электродов для электролиза криолитоглиноземных расплавов. Часть 2. Механизм пассивации и условия стабильного электролиза // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2021. Т. 25. № 1. С. 108-121. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2021-1-108-121

15. Brown C.W. The wettability of TiB2-based cathodes in low-temperature slurry-electrolyte reduction cells // JOM. 1998. Vol. 50. Iss. 5. P. 38-40.

16. Wang J., Lai Y., Tian Z., Liu Y. Investigation of 5Cu-(10NiO-NiFe2O4) inert anode corrosion during low temperature aluminum electrolysis // Light Metals - 2007: Proceedings of the Technical Sessions Presented by the TMS Aluminum Committee at the TMS 2007 Annual Meeting and Exhibition (Orlando, 25 February - 1 March 2007). Part 2. Orlando, 2007. Р. 525-530.

17. Zaikov Yu., Khramov A., Kovrov V., Kryukovsky V., Apisarov A., Chemesov O., et al. Electrolysis of aluminum in the low melting electrolytes based on potassium cryolite // Light Metals - 2008: Proceedings of the Technical Sessions Presented by the TMS Aluminum Committee at the TMS 2008 Annual Meeting and Exhibition (New Orleans, 9-12 March 2008). Part 2. New Orleans, 2008. P. 505-508.

18. Tkacheva O., Hryn J., Spangenberger J., Davis B., Alcorn T. Operating parameters of aluminum electrolysis in a KF-AlF3 BASED electrolyte // Light Metals / eds. C.E. Suarez. Cham: Springer, 2012. Р. 675-680. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48179-1_116

19. Hryn J.N., Tkacheva O.Y., Spangenberger J.S. Ultra-High-efficiency aluminum production cell // Report of Energy Systems Division, Argonne National Laboratory. Award Number: DE-AC02-06CH11357. April 2014. P. 86. [Электронный ресурс]. URL: https://www.energy.gov/eere/amo/downloads/ultrahigh-efficiency-aluminum-production-cells (19.08.2020).

20. Bao Shengzhong, Chai Dengpeng, Shi Zhirong, Wang Junwei, Liang Guisheng, Zhang Yanan. Effects of current density on current efficiency in low temperature electrolysis with vertical electrode structure // Light Metals 2018. TMS 2018: The Minerals, Metals & Materials Series / eds. O. Martin. Cham: Springer, 2018. Р. 611-619. https://doi.org/10.1007/978-3-319-72284-9_79

21. Solheim A. Inert anodes - the blind alley to environ-mental friendliness // Light Metals 2018. TMS 2018: The Minerals, Metals & Materials Series / eds. O. Martin. Cham: Springer, 2018. Р. 1253-1260. https://doi.org/10.1007/978-3-319-72284-9_164

22. Sheppard M.C., Socolow R.H. Sustaining fossil fuel use in a carbon-constrained world by rapid commercialization of carbon capture and sequestration // American Institute of Chemical Engineers Journal. 2007. Vol. 53. Iss. 12. P. 3022-3028. https://doi.org/10.1002/aic.11356

23. Lorentsen O.-A., Dynay A., Karlsen M. Handling CO2EQ from an aluminum electrolysis cell // Light Metals - 2009: Proceedings of the Technical Sessions Presented by the TMS Aluminum Committee at the TMS 2009 Annual Meeting and Exhibition (San Francisco, 15-19 February, 2009). San Francisco, 2009. P. 263-268. https://doi.org/10.1002/9781118647851.ch144

24. Jilvero H., Mathisen A., Eldrup N.-H., Normann F., Johnsson F., MQller G.I., Melaaen M.C. Techno-economic analysis of carbon capture at an aluminum production plant - comparison of post-combustion capture using MEA and ammonia // Energy Procedia. 2014. Vol. 63. P. 6590-6601. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2014.11.695

25. Пат. № 2534772, Российская Федерация, МПК B01D 71/48. Отделение кислых компонентов с помощью мембран из самоорганизующегося полимера / С.Т. Маттеуччи, Л.К. Лопес, Ш.Д. Фейст, П. Никиас, У.Дж. Харрис; заявитель и патентообладатель Дау Глобал Текнолоджиз. № 2012139032/05. Заявл. 11.02.2011; опубл. 10.12.2014. Бюл. № 8. 34 с.

26. Горланов Е.С., Кавалла Р., Поляков А.А. Электролитическое производство алюминия. Обзор. Часть 2. Перспективные направления развития // Цветные металлы. 2020. № 10. С. 42-49. https://doi.org/10.17580/tsm.2020.10.06

27. Маршалл В.К. Основные опасности химических производств / пер. с англ. Г.Б. Барсамяна. М.: Мир, 1989. 671 с.