铝电解过程中，在阳极上产生大量的气体, 气体在阳极表面长大，达到一定程度后从阳极上脱离，在电解质中运动直到析出熔盐.在这个过程中，一方面是气体滞留在阳极表面形成一个气膜，减小了阳极同电解质的接触面积，增大了铝离子穿透气膜的阻力，增加了阳极极化电压，进而增大了槽电压；但另一方面是由于气体在阳极表面的析出，带动了电解质的翻滚，使电解槽中电解质均匀分布，避免了区部电解质成分的差异，也保证了铝电解的正常平稳生产.因此，阳极气体的行为极大地影响熔盐电解生产及操作.

但由于熔盐电解试验的高温等原因，使得直接观察阳极气体析出变得很困难.许多学者是以室温水溶液来模拟熔盐电解过程中气体的析出行为，取得了很好的实验结果.薛玉卿等^[1]研究结果表明：阳极倾斜角是影响气泡速度和尺寸的重要因素，气泡运动对电解质的推动作用主要体现在阳极底部气泡所在的薄层内, 同时在电解质的底部存在回流现象，但电解质的流速很小. László^[2-3]等用数学模型较准确地分析了阳极气体析出行为和覆盖层对阳极气体的影响.Shekher和Evans^[4]用水模型研究了阳极气体在开槽阳极上的析出行为，结果表明：采用开槽阳极能为阳极气体析出提供一个通道，从而能降低电耗.但阳极气体的析出行为是一个复杂的过程，用水模型很难真实反映实际电解过程中各种因素对阳极气体析出行为的影响.国内学者张红亮、王志刚等^[5-8]也有用仿真技术研究阳极气体在阳极上的行为，也有学者直接用透明槽观察阳极气体的析出行为，取得了很好的研究成果，对熔盐电解的工艺和操作起到了技术上的指导作用，也直接对电解槽的结构，电解槽的材料等研究领域内产生了不小的影响.Shekher和Evans^[9-10]实验结果证实了在高电流密度下，采用新型电解槽结构能减小阳极气体气泡的大小，降低阳极极化电压.徐君莉等^[11]直接观察了铝电解过程中阳极气体在石墨阳极上的形成和析出的过程，结果证明电流密度对阳极气泡的大小有一定的影响.Bingliang Gao等^[12-15]用透明槽研究了阳极气体析出对铝电解的影响，结果表明：电流密度对阳极气体析出速度有较大的影响，在阳极效应发生前，阳极气体析出减小，阳极效应发生时阳极气体几乎不析出.Xue^[16]研究超声波对阳极气体的作用，结果表明超声波对阳极气体的析出有较大的影响，可以减小阳极气体气泡的大小，使阳极气体以较小的气泡和较大的速度析出电解质.有许多学者^[17-22]对阳极气体在惰性阳极上的析出行为进行了深入研究，对将来惰性阳极的实际应用提供了理论依据.上述研究表明，阳极气体在阳极的析出行为有了较深入的实验研究，但由于阳极气体的析出影响因素较多，要想更深入了解阳极气体在阳极上的析出过程和其它电解条件对其影响就需要更多的研究.

本文是以透明槽为主要的研究实验设备，在实验室中观察铝电解过程中阳极气体在石墨阳极上的析出行为.通过研究希望了解阳极气体气泡在不同电流密度下的形成和析出过程，以及在阳极不同部位上阳极气泡的大小和析出行为.通过记录电解过程的实际气泡的析出行为，对气泡的产生和析出进行分析.

1 实验 1.1 实验试剂、仪器和装置

实验试剂：采用冰晶石-氧化铝电解质，分子比为2.3，冰晶石（分析纯），Al₂O₃（分析纯）

实验仪器：电阻炉(4 kW)，温控仪（DWK-702），测温电偶（铂铑S型），图像采集仪（VL-Z300），石英玻璃坩埚（800×500×800），变压器（TDGO）

实验装置，实验装置如图 1所示.

1.2 实验过程

以冰晶石-氧化铝为电解质体系，分子比为2.3，氧化铝在电解质中的含量为2 %，电极采用高纯石墨阳极和高纯石墨阴极.将冰晶石、氧化铝试剂分别放置于2个刚玉坩埚中，置于电阻炉中400 ℃下烘干4 h，按比例准确称量，放入石英坩埚中，然后，置于电阻炉中.由于石英坩埚在高温下保持透明的时间不长，一般在1.5 h之内，所以实验要在尽可能短的时间内完成.实验开始前，电阻炉需要预热1 h，赶走水汽，擦干观察口上石英片的水汽，使实验图像清楚.同时，为了很直接地观察到电解过程中的现象，可使用可调节光源.同时，确保电解槽中心同图像采集镜头中心在同一水平线上.实验开始后快速将电阻炉温度升高到970 ℃，调节光源，以清楚观察图像.石墨阳极和石墨阴极均需要在400 ℃下预热，待电解槽内电解质熔化后，将阳极和阴极放入电解槽中，加直流电通电电解，数据采集同步开始.整个过程用摄像机记录，进行后期的实验结果分析.

2 结果及讨论 2.1 阳极气体的析出行为

阳极和阴极都采用高纯石墨，电流密度为0.2~0.6 A/cm²，电解温度为970 ℃，极距2.5 cm，研究结果如图 2所示：（右边是阴极，左边是阳极，图 2中①~⑨每个间隔时间为0.5 s）

从图 2中可以看到，阳极气体生长是一个动态的变化过程，在阳极底部和阳极侧部均有一些气体生成，但气体的大小和气体的量有较大的差异.阳极侧面有一些气体生成，气体的直径大小同底部生成的阳极气泡有明显的差异，侧部生成的气泡直径没有底部生成的气泡直径大.一个明显的现象是距离阴极越近，阳极表面生成的气体直径越小，并且没有小气泡合并成大气泡的现象，基本上都以较小的气泡溢出了电解质.阳极侧面的气体在阳极上生长有左右移动现象，几个小气泡接触后马上汇合成一个或几个直径较大的气泡，随后电解质的翻滚排出电解槽.而在阳极底部的气体没有小气泡气体的聚合而变成一个大气泡，气泡直接生长到受到的浮力很大而不足以维持呆在电解质内部的程度，甚至生长到几乎和阳极的直径（Φ=5 mm）一样大时才溢出电解质.底部生成阳极气泡溢出的速度比阳极侧面上生成气泡溢出的速度快很多.同时，实验研究发现：在底部生成气体从阳极表面溢出电解质的过程中，没有阳极气泡是从距离阴极较远的地方，即阳极的左侧面，离开电解槽.换句话说，底部生成的阳极气体可能受到阴极作用的结果，其排出方式全部是从阳极和阴极的中间部位溢出电解质.如图 3所示.

图 3说明铝电解中阳极气体的析出行为不仅同电解条件有关，还可能和电解槽的结构有很大的关系.阳极效应的发生同阳极气体有很大的关系，阳极气体在阳极表面上形成气膜，造成铝离子在阳极上放电困难，导致铝电解槽电压升高和阳极极化电压大.阴极对阳极气体的作用不能忽视，阴极对阳极气体的“吸引和破碎”作用对降低槽电压和阳极极化电压有一定的效果.

2.2 底部气泡大小和槽电压的关系

底部阳极气泡直径较大，对槽电压影响也大.对目前铝电解槽装置结构来说，研究底部阳极气泡有很重要的现实意义.实验中，以0.3 A/cm²电流密度，测定在阳极底部阳极气体生长的不同阶段时的槽电压，配合摄像机拍摄到的阳极气泡的大小，结果如图 4所示.在阳极气泡生长和离开阳极底部的过程中，槽电压有规律的波动，增大电流密度到0.5 A/cm²，槽电压和阳极气体脱离时间之间的关系如图 5所示.

图 4说明阳极气泡的大小影响槽电压.随着阳极气泡直径增加，槽电压也相应升高.气泡直径增大3 mm，槽电压增加0.21 V.铝电解过程中，适当减小阳极气泡的大小，可以降低槽电压，有节能降耗的作用.

图 5说明底部阳极气体离开阳极瞬间，槽电压有一个较大的变化.电流密度为0.5 A/cm²槽电压的变化为0.16 V, 电流密度为0.3 A/cm²，槽电压的变化为0.12 V.高电流密度下，阳极气体产生量比较大，气体不容易脱离阳极表面，所以高电流密度下电解阳极气体对槽电压的影响比低电流密度下的影响大.

3 结论

（1）阴极对阳极气体的析出行为有很大的影响作用，底部生成的阳极气体在阴极的“吸引”作用下全是从靠近阴极的侧面溢出电解槽.同时，距离阴极越近，阳极气体的直径越小.

（2）阳极气泡的大小影响槽电压，阳极气泡直径增大3 mm，槽电压增大0.21 V.

（3）底部阳极气泡离开阳极时槽电压影响较大，高电流密度下阳极气体对槽电压的影响比低电流密度下的影响大.