鋼研晟華在2018年公布了一項顛覆性的金屬鈦冶煉工藝,產業化成功與否不好說,但的確是個腦洞大開的冶煉新工藝,把流程壓縮到不能再壓縮的程度。
新工藝的電解裝置
1-電源;2-陰極導電坩堝;3-陽極導電坩堝;4-鈉離子傳導坩堝;5-TiCl4連接管
工作原理
1、陽極室內,陽極室NaCl熔鹽發生氧化反應生成Cl2和Na+,鈦氧化物、碳質還原劑以及生成的Cl2發生碳熱氯化反應生成TiCl4。(把沸騰氯化過程壓縮到陽極坩堝內)
2、生成TiCl4通入陰極室NaCl熔鹽,Na+通過鈉離子傳導坩堝定向遷移至陰極室;(原理像是鈉離子電池中鈉離子穿過固體電解質隔膜)
3、極室內,Na+還原形成金屬鈉,溶解在陰極室NaCl熔鹽中,TiCl4與金屬鈉發生還原反應,生成金屬鈦和NaCl熔鹽(把亨特法鈉還原壓縮到陰極坩堝內)
陽極坩堝內的反應:
1、2NaCl - 2e=2Na+ + Cl2
2、TiO2+2Cl2+2C=2CO+TiCl4
生成的TiCl4和CO混合氣體經冷凝分離得到TiCl4,加壓注入陰極室NaCl熔鹽。生成的Na+通過鈉離子傳導膜定向遷移至陰極室。
陰極坩堝內的反應:
1、Na++e=Na
2、4Na+TiCl4=4NaCl+Ti
總反應:TiO2+C=Ti+CO
關鍵工藝參數:
1、熔鹽的熔池溫度可以控制在810~950°C,這樣不僅能夠保證陽極室NaCl熔鹽能夠熔化完全並具有流動性,同時還可以避免鈉離子傳導坩堝發生燒結反應影響傳導性。
2、為了降低陽極室NaCl熔鹽的熔化溫度,上述陽極室NaCl熔鹽中可以加入MClx,M為K、Mg或Ca,x為1或2,MClx可以起到輔助熔劑的作用,從而能夠降低NaCl熔鹽的熔化溫度
3、為了保證碳質還原劑與TiO2兩者能夠充分反應,提高,且碳質還原劑適當過量,碳質還原劑與TiO2的質量比可以為1~2:5
4、電解電壓可以為3.5~4.5V,電解時間(即一個反應周期)可以為2~4h,經過一個反應周期後得到的金屬鈦可以冷卻至常溫
5、鈉離子傳導坩堝4的材質為NASICON,鈉超離子導體,分子式是Na3Zr2Si2PO12
6、陰極導電坩堝2和陽極導電坩堝3可以為石墨或其它導電金屬坩堝
優勢:
與現有技術相比,本發明提供的金屬鈦的製備方法採用兩步法製備金屬鈦,在陽極室電解產生Cl2,並進行鈦氧化物的碳熱氯化反應,Na+離子通過定向遷移至陰極室被還原為金屬鈉,溶解在陰極熔池中還原TiCl4製備金屬鈦。整個過程中電解質NaCl不消耗,是一個循環利用過程,可以認為是反應介質。由於陽極室反應物鈦氧化物、陰極室反應物TiCl4不參與電解過程,從而消除了溶解度的限制。同時,由於電解反應具有選擇性,從而消除了電解電壓的限制,提高了電流效率。同時,上述金屬鈦的製備方法引入鈉離子傳導坩堝膜實現Na+定向遷移,限制了電解副反應的發生,同樣能夠提高電流效率以及電解電壓的選擇範圍。
陽極區域氧化鈦的氯化率高於85%,陰極區域鈦的還原率高於90%,金屬鈦中氧含量小於0.005%
感想:
同志們,開心一下、開開腦洞就可以了,千萬別當真!