Optimization of operating parameters of a carbon free aluminum electrolysis cell with vertical Inert Cu/Ni/Fe anodes

Abstract

By replacing the carbon anodes in aluminum production with inert anodes, the evolution of carbon dioxide would be replaced with oxygen evolution. The main setback of inert anodes is their wear rate in the corrosive electrolyte used to dissolve alumina. The objective of this thesis was to optimize operation for a vertical inert electrode cell using Cu-Ni-Fe anodes and TiB2 cathodes in a low temperature KF-NaF-AlF3 electrolyte. A total of eleven experiments were conducted in this thesis: seven in a 60 A aluminum production laboratory cell, and four in a see-through furnace. The goals for the 60 A cell experiments can be split into three categories: experimenting with higher current density, running electrolysis for a longer duration, and running electrolysis close to the electrolyte's liquidus. The see-through cell experiments were made to study the bubble formation in oxygen evolving aluminum electrolysis.The high current density experiment was conducted at 1.30 A/cm^2 and resulted in a current efficiency of 91%. Other experiments have been conducted at 0.70-0.80 A/cm^2 with good results being around 80% current efficiency. The longest period of time an electrolysis ran was for 50 hours, limited by the alumina crucible used to contain the electrolyte. That experiment resulted in the best aluminum purity of 99.21% with the highest impurity being Si. When looking only at anode constituents, the purity of aluminum was 99.84%, pointing to a very low wear rate of the anodes. SEM-EDS scans revealed the oxide layer on the anode had grown significantly. The liquidus of the electrolyte was 28°C lower than expected in the low liquidus experiments due to dissolved alumina. More experiments are required to see if an electrolysis can run stably near the liquidus temperature. The oxygen bubbles measured in the see-through furnace ranged from 0.70-1.06 mm in diameter, growing with decreased current. Contact angles could not be measured due to technical difficulties. The anodes were observed to catastrophically corrode when submerged at less than 1.6 V.Keywords: inert electrodes, copper nickel iron anodes, aluminum electrolysis, low temperature electrolyte, oxygen evolutionThis thesis has restricted access and will remain closed to the public until June 2026.

Með því að skipta út kolefnisskautunum í álframleiðslu fyrir óvirk eðalrafskaut yrði framleiðsla koltvísýrings vera skipt út fyrir súrefnisþróun. Helsta hindrun eðalrafskauta er tæring þeirra í raflausninni sem notuð er til að leysa upp súrál. Markmið þessarar ritgerðar var að besta rafgreiningarker með lóðréttum Cu-Ni-Fe forskautum og TiB2 bakskautum í lághita KF-NaF-AlF3 raflausn. Alls voru gerðar ellefu tilraunir í þessari ritgerð: sjö í 60 A tlraunakeri og fjórar í gegnsæjum ofni. Hægt er að skipta markmiðunum fyrir tilraunirnar í 60 A kerinu í þrjá flokka: tilraun með hærri straumþéttleika, rafgreining í lengri tíma og rafgreining rétt fyrir ofan frostmark raflaunsar. Tilraunirnar í gegnsæja ofninum voru gerðar til að rannsaka myndun súrefnis í álframleiðslu með eðalrafskautum.Tilraunin við háa straumþéttleikan var gerð við 1,30 A/cm^2 sem leiddi til 91% straumnýtni. Aðrar tilraunir hafa verið gerðar á 0,70-0,80 A/cm^2 og skilað um 80% straumnýtni þegar vel gengur. Lengsta rafgreiningin entist í 50 klukkustundir. Tilraunin var takmörkuð af súráldeiglunni sem notuð var til að halda raflausninni. Sú tilraun leiddi til besta álhreinleikans í þessari ritgerð eða upp á 99,21% þar sem helstu óhreinindin voru Si. Þegar aðeins er horft til forskautsþátta var hreinleiki áls 99,84% sem bendir til takmarkaðrar tæringar á rafskautunum. SEM-EDS myndir leiddu í ljós að oxíðlagið á rafskautinu hafði vaxið verulega. Í tilraununum þar sem unnið var nálægt frostmarki raflausnar var frostmark raflausnarinnar 28°C lægri en búist var við vegna uppleysts súráls í raflausninni. Fleiri tilraunir eru nauðsynlegar til að sjá hvort stöðug rafgreining geti gengið nálægt frostmarki raflausnar. Súrefnis loftbólurnar sem mældar voru í gegnsæja ofninum voru á bilinu 0,70-1,06 mm í þvermál og stækkuðu með minnkandi straumi. Ekki var hægt að mæla snertihorn vegna tæknilegra örðugleika. Sást að rafskautin tærðust hörmulega þegar þau fóru í kaf við minni spennu en 1,6 V.Þessi ritgerð hefur takmarkaðan aðgang og verður lokuð almenningi til júní 2026.