Ionic Conductivity Measurements in Aqueous and Molten Salt Electrolytes
Bachelor thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3080029Utgivelsesdato
2023Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
I en tid med stort fokus på det grønne skiftet, står aluminiumsindustrien overforen sentral utfordring knyttet til mer klimavennlig aluminiumsproduksjon. Alcoasklorid- og elektrolyseprosess er et alternativ som kan bidra til å nå klimamålene, oger i dag den eneste alternative metoden til Hall-Héroult som har nådd industriellproduksjon. Prosessen innebærer elektrolyse av AlCl3 løst i smelte av alkaliklorider.Selv om denne prosessen har sine fordeler, er det fortsatt utfordringer knyttettil elektrolytten. I denne oppgaven undersøkes den elektriske ledningsevnen tilsaltsmelter med ulike sammensetninger av NaCl, KCl, LiCl og AlCl3 ved hjelpav impedansmålinger. Det ble utviklet en U-formet testcelle av Pyrex som førstble testet ved impedansmålinger i vandige saltløsninger. Deretter ble testcellenoptimalisert og produsert i kvarts for høytemperatursforsøk med saltsmelte.
Resultatene viser at det U-formede celledesignet gir impedansmålinger med høynøyaktighet og presisjon. Kvarts ble valgt som materiale for cellen brukt i høytemperatursforsøk, da kvarts har en svært lav termisk ekspansjonskoeffisient. Gjentatt bruk av korrosive kloridsalter i kvartscellen førte til synlig slitasje, før cellenknuste under eksperimentelt arbeid. Dersom det er nødvendig at testcellen skalkunne benyttes i flere forsøk, bør et annet materiale enn kvarts vurderes.
Konduktivitet funnet fra eksperimentelle målinger stemte godt overens med tabulæreverdier i både vandige saltløsninger og saltsmelter. Resultatene fra høytemperatursforsøkene viste at faktorer som kationstørrelse, kompleksdannelse og smeltekomposisjon hadde betydelig innvirkning på den elektriske ledningsevnen. Generelt bledet observert at et økende innhold NaCl og LiCl økte konduktiviteten, mens KClog AlCl3 senktet konduktiviteten. Konduktiviteten økte tilnærmet lineært medøkende temperatur. I industriell sammenheng vil et kompromiss mellom saltermed høy og lav ledingsevne være nødvendig, da AlCl3 er en avgjørende komponenti aluminiumsproduksjonen og LiCl er en kostbar løsning. Smeltepunktene tilsaltblandingene bør også tas i betraktning, ettersom ulike komposisjoner gir ulikesmeltepunkt. In a time of great focus on the green transition, the aluminium industry encounterssignificant obstacles concerning more climate-friendly aluminium production. Alcoa’schloride and electrolysis process is an alternative that can contribute to reachingclimate goals, and is currently the only alternative method to Hall-Héroult that hasreached industrial production. The process involves electrolysis of AlCl3 dissolvedin a melt of alkali chlorides. Although this process has its advantages, thereare still challenges associated with the electrolyte. In this thesis, the electricalconductivity of salt melts with various compositions of NaCl, KCl, LiCl, andAlCl3 was investigated using impedance measurements. A U-shaped test cellwas developed from Pyrex, which was first tested by impedance measurementsin aqueous salt solutions. The test cell was then optimised and produced in quartzfor high-temperature experiments with salt melts.
The results show that the U-shaped cell design provides impedance measurementswith high accuracy and precision. Quartz was chosen as the material for the cellused in high-temperature experiments, as quartz has a very low thermal expansioncoefficient. Repeated use of corrosive chloride salts in the quartz cell led to visibledamage, and eventually the cell fractured during experimental work. If there is aneed for the test cell to be utilised in several experiments, an alternative materialto quartz should be considered.
The conductivity obtained from experimental measurements agreed well with tabularvalues in both aqueous salt solutions and salt melts. The results from high-temperatureexperiments showed that factors such as cation size, complex formation, and meltcomposition had a significant impact on electrical conductivity. In general, it wasobserved that increasing levels of NaCl and LiCl increased the conductivity, whileKCl and AlCl3 decreased conductivity. The increase in temperature resulted ina nearly linear increase in conductivity. In an industrial context, a compromisebetween salts with high and low conductivity would be necessary, as AlCl3 is acrucial component, and LiCl is an expensive option. The liquidus of salt mixturesshould also be considered, as different compositions have different liquidus.