Які ванни використовуються для електролітичного добування алюмінію і які параметри їх роботи? Яка кількість часу

Для електролітичного добування алюмінію використовують спеціальні ванни, які називають алюмінієвими ваннами (також відомі як Холл-Героулт ванни). Робота цих ванн базується на електролізі.

Алюмінієва ванна складається з графітового катоду, де відбувається процес зменшення алюмінію, і металевого аноду, який служить для окиснення. В якості електроліту використовують розплав криоліту (AlF₃-NaF), який дозволяє підтримувати достатньо низьку температуру плавлення. Також важливим параметром є струм, який проходить через ванну.

Анодом виступає блок з суміші графіту та коксу, який окислюється, утворюючи кисень. Катодом є графітовий стержень, на якому утворюється зниження алюмінію. Під дією струму алюміній розчиняється у електроліті і осаджується на поверхні катоду.

Параметри роботи алюмінієвих ванн включають температуру, струм, склад електроліту та концентрацію алюмінію. Оптимальна температура роботи ванни приблизно 960 °C, що забезпечує належну роботу процесу. Величина струму залежить від розмірів ванни, але зазвичай коливається від 100 до 500 кА. Склад електроліту і концентрація алюмінію в ньому також можуть впливати на результат роботи ванни.

Тепер давайте розрахуємо, яка кількість часу потрібна для добування 1 тонни алюмінію. Давайте припустимо, що кількість алюмінію, яка виділяється на катоді, дорівнює масі алюмінію, яку хочемо одержати. Молярна маса алюмінію дорівнює 26.98 г/моль. Отже, нам треба видобути 1000 кг (1 тонну) алюмінію, що дорівнює близько 37.06 моль.

Щоб розрахувати кількість електричної роботи, яку потрібно виконати, ми використовуємо рівняння:

\[ W = Q \cdot V \]

де \( Q \) - кількість електричного заряду, а \( V \) - електрична напруга. Оскільки алюміній добувається шляхом окиснення на аноді, електричний заряд, необхідний для одержання алюмінію на катоді, буде дорівнювати електричному заряду, необхідному для виділення кисню на аноді. Молярна маса кисню дорівнює 32.00 г/моль. Отже, необхідно виділити \( m = \frac{{37.06 \cdot 32.00}}{{2 \cdot 3}} = 198.767 \) г маси кисню.

З набору правил Херрі- Фольта і двох еквівалентних рівств дослідження:
\[ m = z \cdot \frac{M \cdot Q}{F} = z \cdot \frac{M \cdot I \cdot t}{F} \]
(де \( m \) - маса кисню; \( z \) - кількість еквівалентних на кількість окислених атомів \( n+ \), \( M \) - молярна маса іону, \( I \) - сила струму (А), \( t \) - паскаль, \( F \) - фарадей (1 фараній = 96485.34 Коулон) ) отримуємо
\[ t = \frac{{m \cdot F}}{{z \cdot M \cdot I}} \]
Підставляючи значення, маємо
\[ t = \frac{{198.767 \cdot 96485.34}}{{2 \cdot 3 \cdot 0.9649 \cdot 26.98 \cdot I}} = 0.9382416 \cdot \frac{{96500}}{{I}} \]
де \( I \) - сила струму. З класу химії ми знаємо, що \( I = \frac{P}{U} \), де \( P \) - потужність електродвигуна, що годину електричної роботи витрачає деяку кількість електроенергії, а \( U \) - напруга мережі, як відомо, є величиною сталої величини (220 В). Тому маємо
\[ t = \frac{{P \cdot U \cdot 0.9382416}}{{9.65 \cdot 10^6 \cdot I}} \]
Підставляючи значення, маємо
\[ t = \frac{{P \cdot 220 \cdot 0.9382416}}{{9.65 \cdot 10^6 \cdot I}} \]

Отже, час \( t \) потрібний для добування 1 тонни алюмінію буде залежати від потужності електродвигуна \( P \) і сили струму \( I \). Якщо нам відомі ці значення, ми зможемо точно розрахувати необхідний час.