铝电解质分子比测试方法研究

铝电解质分子比测试方法研究 第10卷第2期 V01.10No.2 海口经济学院 JournalofHaikouCofiegeofEconomics 2011年6月 Jun.2011 科技与应用 耷肇耷 铝电解质分子比测试方法研究 严规有 ‘(海口经济学院工程技术学院,海南海口570203) 摘要:铝电解质分子比是影响铝电解电流效率的重要因素,因此,在铝电解工业生产 实践中常需对铝电解质分子比进行测定.如今应用较为新颖的,问世不久的离子选择电极法 测定铝电解质溶液中氟离子浓度,进而可求出分子比,在实验确定最佳的条件下进行测定, 结果准确可靠.而且简单,快速.是测定铝电解质分子比的有价值的方法并已应用于实践. 关键词:分子比;氟离子;铝电解质;离子选择电极法 中图分类号:0657.I3标识码:A文章编号:o9o906(2ol1)02-0086—03 AResearchoftheTestingMethodofElectrolyteMolecularProportion YANGui—-you (InstituteofAppliedTechnology,HaikouCollegeofEconomies,Haikou,570203,Hainan) Abstract:Theelectrolytemolecularproportionofaluminumisanimportantfactorinfluenc- ingtheefficiencyofelectrolyticcurrent.So,atestingprocessisusuallyperformedinitsprodue— ing,andthelatestwaytodothetestiscalledelectrodeidentifyingmethodwhichcanindicate thedensityoffluorinioncontainedintheelectrolytesolution,andworkouttheproportion.Ifan excellentconditioncouldberetained,theoutcomeisreliableanditisthesimplestandquick wayappliedinpractice. Keywords:MolecularProportion;Fluorinion;AluminumElectrolyte;ElectrodeIdentifying Method 在铝工业生产实践中.需要在电解原料三氧 化二铝粉末中加入氟化钠,氟化钙等物质,三氧 化二铝和这些添加物加热熔融后进行电解而产 生金属铝,这些熔融物称为铝电解质.铝电解质 中氟化钠与氟化铝的分子数之比(NaFIAIF3),简 称为分子比.分子比是表示铝电解质成分的重要 参数.是影响铝电解过程能耗及电流效率的主要 因素之一【”.铝电解企业用电量相当大,提高电流 效率是节约资源,降低生产成本,增加经济效益 和提高企业竞争力的非常重要的问题.国内外学 者为了提高铝电解电流效率做了不少的研究网,结 果表明,当铝电解质中有过剩AlF3存在时(即分 子比小于3),铝液一电解质界面张力增大,有利 于分散在电解质中的铝珠汇集.也使铝的溶解度 减小,提高了单位电能的铝产量,即提高了电流 效率.为了确定最合适的分子比,人们采用不同 收稿日期:2011—03—22 作者简介:严规有(1945一),男,广西博白人,硕士生导师,海口经济学 院教授;研究方向:电化学分析. ? 86? 第10卷第2期 V0I.10N0.2 海口经济学院 JournalofHaikouCollegeofEconomics 2011年6月 Jun.2011 的分析方法测定铝电解质中相关组分[3,41,这其中 有重量分析法,热滴定法,X衍射分析法等;前二 个方法操作手续冗长费时,后者又需要贵重的仪 器.这些限制了他们在生产实践中的应用.本文 应用上世纪七十年代才产生的新型的氟离子选 择性电极为指示电极.应用饱和甘汞电极为参比 电极,用一台普通酸度计测定产生的电势差,就 可不经任何分离手续.快速测定铝电解质中相关 组分以确定分子比,操作简单,结果可靠. 一 ,实验部分 1.实验仪器:PHS一3C型酸度计;232型饱和 甘汞电极;PF_1型离子选择性电极;85—2型恒温 磁力搅拌器:马弗炉. 2.主要试剂:氟化钠;柠檬酸钠;氢氧化钠;氯 化钠;盐酸;冰醋酸(以上试剂均为分析纯). 3.主要溶液的配制:氟化钠溶液的配 制——称取1.000g氟化钠,放入250mL容量瓶 中.加去离子水溶解,将溶液转入1000mL容量瓶 中,用去离子水定容,摇匀,倒入洗净干燥的塑料 瓶中存放:总离子强度调节剂的配制——称取 58.Og氯化钠和10.0g柠檬酸钠放入1000mL的 烧杯中,加入57.0mL冰醋酸和500mL去离子水, 以1mol?L一1Na0H溶液和lmol?L一1HC1溶液调 节这溶液的酸度使其pH=5,6,移入1000mL容量 瓶中.用去离子水定容,摇匀. 4.化学实验方法:准确称取冷却了的铝电解 质试样1g放在瓷研钵中研磨,使之充分混合后, 全部转移到瓷坩埚中,放人马弗炉内加热至600— 650~C,在此温度下维持30min,取出冷却后,放在 盛有200mL去离子水的烧杯中,使样品熔融物充 分溶解后.连同不溶物一起转入250mL容量瓶 中,用去离子水定容,摇匀后,放置20min,各取 上清液5.00mL放人两个50mL容量瓶中,其中一 个加入适量氟化钠标准溶液,此后,在这二个 50mL容量瓶中均加入25.00mL总离子强度调节 剂,并用去离子水定容,摇匀后,倒入二个洁净干 燥的50mL烧杯中供测定. 5.电动势的测定方法:把酸度计接通电源预 热20min后,把氟离子选择性电极接至酸度计 的负接线栓,饱和甘汞电极接至酸度计的正接线 栓.把这二个电极放入盛有40mL去离子水的 50mL烧杯中,加入电磁搅拌芯,在不断搅拌下测 定这二个电极的电势差,当电势差不变时,取出 电极并放入上述准备好的盛有待测试液的50mL 烧杯中,当两电极电势差不变时,读出其相应的 电势差,并按加入法计算试样中氟离子的浓度. 二,实验结果与讨论 (一)测试电极的选择 单个电极的电位是无法测量的,必须有二个 电极插入能进行电传导的溶液中构成一个电池 才能测定其产生的电势差.而其中一个电极的电 位在测定过程中随溶液中某一组分浓度的改变 而改变,称为该组分的指示电极,而另一个电极 的电位不随测试液浓度变化而改变,这称为参比 电极.在铝电解质溶液测定中,要测定分子比就 必须测定氟离子浓度,电解质样品不同,其氟离 子浓度是变化的,实践证明,氟离子选择电极的 电位是灵敏地响应氟离子浓度的变化且选择性 高,故选用氟离子选择电极为指示电极;饱和甘 汞电极的电位不随氟离子浓度的变化而改变,即 在测定过程中其电位恒定不变,选作参比电极. 由这二个电极及测试溶液组成的电池的电动势 的变化就是氟离子电极的电位变化. (二)氟离子电极电位与氟离子浓度的 关系 根据电化学中能斯特方程式 E:K士丝Lna nF 这表征溶液无限稀释时离子间不存在相互 作用力的情况下.电极电位E与离子活度a之间 的关系,但事实上溶液不可能无限稀释,离子间 总有作用力.离子的活动受到周围离子的限制, 这种限制用活度系数f表示,此时电极电位E与 离子浓度c关系为 E=K?Lnfc=K?Lnf?Lnc IlFnFIlF 要使电极电位与离子浓度c有确定的关系, 必须使在一系列测定中活度系数f维持不变,测 定的结果才可靠.但实际测定时,随着测定样品 不同.样品组成会有所不同,离子间的作用力会 ? 87? 第10卷第2期 Vo1.10No.2 海口经济学院 JournalofHaikouCollegeofEconomics 2011年6月 Jun.2011 变化,就会导致活度系数f的改变,使测定结果不 准确.为了克服这缺点.我们在一系列测试的样 品溶液中均加入较高浓度的强电解质溶液,使其 产生较大的离子背景强度.这样当测试样品改变 时.离子间作用力基本不变活度系数f几乎不变. 经试验,选用了柠檬酸钠,氯化钠和冰醋酸组成 离子强度调节缓冲剂,这些药品便宜易得,使用 方便,他们组成的溶液既能提供较大的离子背景 强度,也能消除铁铝等离子的干扰,同时又能控 制溶液酸度.当上述离子强度调节溶液用量在 15,30mL间.读数很快达到平衡值.从使用方便 和掩蔽铁铝干扰的需要,在测定中选用25.00mL. (三)测试介质酸度的选择 氟离子选择电极的敏感膜是由IJa单晶构 成,当溶液碱性大时,LaF3单晶会与溶液中OH一 作用生成bl(oH),沉淀并产生附加的氟离子,导致 电极损坏,结果又不准确.当溶液酸度较大时,试 液中r与H+j成HF或H,降低了测试液中r 的有效浓度.试验表明,当试液pH=5-,,6时,既不 损坏电极,又不影响r有效浓度,而且电极响应 快,达到平衡时间短.实验选定测试介质pH=5,6, 总离子强度缓冲液的酸度也调节到pH=5,6. (四)定量方法的选择 用离子选择性电极进行测试时.通常用标准 曲线法和标准加入法.当样品组成简单,测量样 品个数多时,应用标准曲线法较好;但当样品组 成较复杂时,标准曲线法产生误差较大,难以满 足实践的需要.试验表明.在铝电解质这样复杂 的样品中加入适量氟离子标准液.使样品中氟离 子和标准中氟离子受到相同背景的影响.由背景 影响产生的误差大大缩小甚至消除.在铝电解质 测试中,选用标准加入法计量,结果重现性好,准 确度高.在通过测定氟而确定铝电解质的分子比 中获得很好的应用. 三,结论 (一)氟离子选择电极法是测定铝电解质中 r浓度一种较理想的方法,理论基础严谨. (二)方法选择性高,不用任何分离手续可直 接测定铝电解质中r,分析速度快. (--)所用仪器简单,操作简便. (四)成本低廉,在工业实践中应用前景广阔. 参考文献: 【1】邱竹贤.冶金物理化学【M】.上海:上海科学技术出 版社,1982:71-78. [2]邱竹贤,马志成.铝电解【M】.北京:冶金工业出版 社.1982:8—15. 【3]有色金属工业分析丛书编委会.轻金属冶金分析嗍. 北京:冶金工业出版社.1992:58—64. 【4]马志成等.工业铝电解质的分子比的演变与现状?】. 中国有色金属,1996,6(04):33—35. (责任编辑陈水雄) (上接第65页)$OSO.com/z/q197327642.htm. 【8】国际生产折衷理论与中国引进外资前景分析.http: //www.tianya.cn/publicforum/Content/develop/. 【9】【14]【20】中华人民共和国2010年国民经济和社会 发展统计公报.新华网.2011-3—1. 【10j美国福克纳.美国经济史?下卷【M].商务印书馆, 1989. 【11】余淼杰.中国对外贸易三十年(1978—2008)[M].中 国经济学教育科研网.2008—12—1. ? 88? 【12]马骥雄.战后美国教育研究【M].南昌:江西教育出 版社.1991. 【13]教育部.2007年全国教育事业发展统计公报.中 国政府网.2008-05-05. 【14]2009年全国教育经费执行情况统计.中国教 育报,2010-12—07. 【15】美国沙伊贝瓦特福克纳.近百年美国经济史【M】. 北京:中国社会科学出版社,1983. (责任编辑向瑶)