Физические и химические свойства электролита

Плавкость системы – температуры плавления компонентов электролита (⁰С) равна:

МдС1₂ - 751, КС1 -790, N аС1 - 816, СаС1₂, -800, ВаС1₂, -958, LiCI -616.

Температура плавления электролита должна быть ниже чем у магния, иначе металл будет выделяться в твердом виде, что приведет к замыканию электродов и затруднит извлечение магния. Создание более низкой температуры обеспечит низкий расход энергии, уменьшит потери магния за счет растворения в электролите. Известно, что температура плавления смеси солей всегда ниже, чем каждого компонента, это позволяет вести процесс электролиза при температуре 680 - 720⁰С.

Плотность –значения плотности компонентов электролита, г/см³:

МдС1₂ - 1.682, КС1 -1.539, N аС1 - 1.549, СаС1₂, -2.03, ВаС1₂, -958, LiCI -1.501.

Плотность электролита должна быть выше плотности Мд, это обеспечит всплытие Ме, полноту отделения Мд от электролита. Если различие плотностей невелико, то капли Мд могут утонуть и перейти в шлам. Большая разница плотностей тоже плохо, т.к. Мд как бы вытесняется из электролита и окисляется кислородом воздуха. Оптимальная разница составляет 0,03 – 0,15 г/см³. Добавки в электролит СаС1₂, ВаС1₂ увеличивают плотность расплава и облегчают всплытие Мд, но они снижают электропроводность, они гигроскопичны и дороги. С увеличением температуры линейно уменьшается.

Вязкость электролита влияет на процесс. Чем ниже вязкость, тем выше скорость слияния капель магния и быстрее его отделение от электролита, больше скорость оседание шлама. Это уменьшит пассивацию катода из-за налипания на его поверхности оксидов магния, уменьшится количество электролита, извлеченного вместе с магнием из электролизера. На вязкость расплавов влияет подвижность катионов. СаС1₂, ВаС1₂ увеличивают вязкость, КС1, NаС1 уменьшают вязкость. Вязкость МдС1₂ в 3 раза выше щелочных металлов. Вязкость сП: МдС1₂ - 4.69, КС1 -1.42, N аС1 - 1.49, СаС1₂, -4.20, ВаС1₂, -5.25, LiCI -1.81.

Электропроводность влияет на расход электрической энергии. С повышением электропроводности можно увеличить плотность тока междуполюсное (МПР) расстояние, что приведет к повышению производительности электролизера. С увеличением температуры электропроводность повышается. Удельная электропроводность компонентов электролита:

МдС1₂ - 1.01, КС1 -2.42, N аС1 – 3.54, СаС1₂, -2.02, ВаС1₂, -1.93, LiCI -5.81 Ом^-1см^-1.

Следует заметить, что самая наименьшая электропроводность - у хлорида магния.

       Поверхностное натяжение влияет на процессы образования капель магния на катоде и пузырьков хлора на аноде, условия отрыва этих фаз от поверхностей электродов и всплытия их на поверхность электролита и др. Если межфазное напряжение мало, то жидкая фаза (Мд) хорошо смачивает поверхность катода, что облегчает слияние капель. На катоде иогут образовываться крупные или мелкие капли. В первом случае потери Мд будут меньше. Образование капель происходит так: Магний разряжается на катоде в жидком виде и по мере его выделения покрывает поверхность катода пленкой жидкого металла. Затем площадь соприкосновения и силы сцепления Мд с катодом уменьшаются и капля отрывается от его поверхности. На каплю начинают действовать внешние силы динамического воздействия потоков электролита. Это вызывает отклонение подъема капли магния (после ее отрыва от катода) от вертикали заставляют двигаться Мд вместе с электролитом в горизонтальной плоскости капли всплывают на поверхность электролита, собираясь между двумя не рабочими поверхностями катодов.

 Поверхностное натяжение электролита на границе с газовой фазой (воздух) велико, это обеспечивает образование пленки электролита, которая покрывает плавающий металл и защищает его от взаимодействия с воздухом.

Гидролиз и окисление Взаимодействие паров воды и кислорода воздуха при температуре электролиза (700⁰С.) происходит преимущественно с МдС1₂ :

МдС1_2ж + Н₂0_г = МдОНС1_к  + НС1_г  МдОНС1  = НС1_г + МдО_тв(к)

МдС1_{2 ж} + 0 _2г = МдО_тв + С1_2г

Выход магния в шлам (МдО) зависит от содержания МдС1₂. Присутствие КС1 резко уменьшает гидролиз и окисление МдС1₂, следовательно уменьшает шламообразование в ванне.

Таблица Состав и физико-химические свойства электролита

 

Электролит	MgCl2 %	KCl %	NaCL %	CaCl2 %	Начало кристал- лизации Т^0С	Плотность При 700^0С г/см^3	Вязко- сть, при 700^0С сП	Электро- провод- ность При 700^0С Ом^-1 см^-1	Поверх- ностное натяже ние, при 700^0С	Скорость хлорирова ния окси- дов, при 700^0С	Количест- во шлама т/т
Калиевый	4-14	68-78	12-20	0-2	650-660	1.6	1.35	1.83	104	8	0.08-0.12
Натриево- калиевый	8-18	40-50	30-35	3-6	615-625	1.63	1.59	2.15	108	4-6	0.06-0.08
Натриево- кальциевый	8.16	0-10	35-45	30-40	575-600	1.78	2.20	2.0	110	1	0.11-0.20
Натриевый	25	-	45-60	15-25	650	1.66	1.90	2.23	118	-	0.2-0.3

 

 8.Напряжение разложения

При электролизе катионы движутся к катоду, а анионы – к аноду. Т.к. все соли, входящие в электролит имеют один анион- хлор, то вероятность разряда металлов на катоде определяются разностью потенциалов хлора и металла, т.е. величиной напряжения разложения. Напряжение разложения вещества- это наименьшая величина приложенной из вне электродвижущей силы, при которой начинается устойчивый процесс выделения металла на катоде. Напряжение разложения компонентов электролита равны, (В):

МдС1₂ - 2.53,  КС1 -3.53, NаС1 – 3.33, СаС1₂, -3.39, ВаС1₂, -3.62, LiCI -3.41

Очевидно, что в первую очередь на катоде будет разряжаться магний, т.к. он имеет наименьшее значение напряжения разложения, но это возможно только при высокой концентрации МдС1₂. Напряжение разложения рассчитывается по формуле:

Е = Е_т⁰ – (RT:nF)_*2,3lg a_МдС12,

где: Е- напряжение разложения, (В) Е_факт = 2,7В

  Е_т⁰- теоретическое напряжение разложения, (В)

  R- газовая постоянная, Т- температура, n- валентность, F-число Фарадея

  a_МдС12 – концентрация МдС1₂ в расплаве

При снижении концентрации хлорида магния при электролизе его напряжение разложения увеличивается, что может привести к разряду других ионов на катоде. Поэтому, не допустимо понижение концентрации МдС1₂ в электролите ниже установленного.