[发明专利]一种透明电解槽装置及其使用方法

说明书

技术领域

本发明属于熔盐电解技术领域，特别涉及一种透明电解槽装置及其使用方法。

背景技术

目前，采用熔盐电解法生产金属已在工业生产中得到了广泛应用，如铝，镁，稀土等的生产。关于电解过程中产生的气泡行为、电解质流动行为等现象还有待于进一步深入研究。但是由于熔盐的高温、高腐蚀性等特点，实现电化学过程中对电极和电解质的直接观测有一定难度。

对此，国内外学者研发了几种替代模型；水模型^]被广泛应用于电解槽内流体的流动研究，在水模型中，通过鼓入空气（或其他气体）模拟电解气体的产生，以水（水溶液或有机溶剂）模拟电解质，此方法操作方便，测量准确，易于大型化；但水模型中气泡的产生机理与工业电解有很大不同，很难确定其准确性。采用O₂-NaOH, O₂-CuSO₄，O₂-ZnSO₄，O₂-CuSO₄-H₂SO₄等替代系统的常温或低温电解模型，可以通过电解产生气体，但其气体—液体性质与真实电解系统存在巨大差异，其准确性值得商榷。

邱竹贤发明了一种透明的高温电解槽（ZL 20042003151803），用方形石英坩埚承装熔盐，实现了在电解槽的侧面观测电解过程；Rudolf Keller采用石英管置于可打开的加热炉中，同样也是从侧部来观测熔盐电解行为（Rudolf Keller and Kirk T. Larimer. Experimental study on the reaction forming cyanide in Potlining. Light Metals, 1992, 464-467.）；上述设计的不足之处在于电解行为只能从侧部来观测，所得到的信息非常有限。

发明内容

针对现有电解行为观测研究技术存在的上述问题，本发明提供一种透明电解槽装置及其使用方法，通过在装置上设置光源窗口和观测窗口，配置光源系统和摄像系统，结合图像分析技术，对电解时的气泡行为和电解质流场行为进行观测。

本发明的透明电解槽装置包括电加热炉、坩埚、电极系统、摄像采集系统和光源系统；坩埚设置在电加热炉内，电极系统放置在坩埚内；坩埚的材质为石英；电加热炉侧壁上设有光源入口，侧壁和底壁设有采集窗口；其中光源入口为石英窗口或狭缝；采集窗口为石英材质；光源入口与光源系统相对，采集窗口与摄像采集系统相对。

上述的光源系统为照明光源，或为激光器和照明光源；当光源系统为照明光源时，光源入口为石英窗口，侧部的摄像采集系统的轴线与光源系统的轴线平行；当光源系统为激光器和照明光源时，照明光源与石英窗口相对，激光器与夹缝相对，狭缝为水平狭缝和/或垂直狭缝，侧部的摄像采集系统的轴线与激光器的轴线垂直且与照明光源的轴线平行。

上述装置中，电极系统为阴极和阳极，或者为工作电极、参比电极和对电极；当电极系统为阴极和阳极时，电极系统与直流稳压电源连接；当电极系统为工作电极、参比电极和对电极时，电极系统与电化学工作站连接。

上述装置中，光源入口、侧壁采集窗口和底壁采集窗口均与阳极或工作电极相对。

上述的水平狭缝和垂直狭缝的宽度为10±0.1mm。

上述装置中，摄像采集系统与计算机连接。

上述装置中，电加热炉内设有测温热电偶和控温热电偶，测温热电偶与热电偶温度直读表连接，控温热电偶与控温仪连接，控温仪与电加热炉装配在一起。

上述装置中，坩埚为单室坩埚或双室坩埚；其中双室坩埚内设有挡板将坩埚内部分为两个室，挡板底部与双室坩埚底面之间有缝隙，该缝隙与两个室连通；当坩埚为双室坩埚时，阴极和阳极分别位于两个室内。

本发明的透明电解槽装置的使用方法为：

1、将电解质置于坩埚内，加入或不加入示踪粒子，通过电加热炉加热使电解质熔化并高于电解质熔点10~30℃；

2、向电极系统施加电信号进行电化学实验，开启光源系统，光线通过光源入口，并通过坩埚进入电解质，通过侧部和底部的摄像采集系统对影像进行采集，并通过计算机进行处理，观测气泡行为或电解质流场行为。