CN106917113A - 一种电化学法制备金属钛的装置及其方法 - Google Patents

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叶丽光
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Abstract

本发明公开了一种电化学法制备金属钛的装置及其方法，该装置由电加热保温层1形成容器，容器中间用固态离子膜5分割开来，左侧是石墨电极3浸入在碳酸锂熔融盐2中，右侧是TiO2电极浸入氯化锂熔融盐8中，熔融盐上部为一个密闭气室7，其中充满氩气，两个电极与直流电源4串联。金属钛的制备方法是：首先利用电加热升温，在此过程中向气室7中通入99.99%的高纯氩气，当温度升高到900~1000℃，保持温度恒定，直流电源4开始对电极3、6施加2.0~3.6V之间电压，石墨电极3开始产生二氧化碳气体，TiO2电极6中的TiO2逐渐还原成金属钛，降温到室温，取出TiO2电极，得到固态粉末钛，通过用水洗涤，得到纯金属钛粉末，洗去的氯化锂干燥脱水后继续使用。

Description

一种电化学法制备金属钛的装置及其方法
技术领域
本发明公开了一种电化学法制备金属钛的装置及其方法，属于冶金领域。
背景技术
钛是一种银白色的过渡金属，其特征为重量轻、强度高、具金属光泽，亦有良好的抗腐蚀能力。其稳定的化学性质，具有良好的耐高温、耐低温、抗强酸、抗强碱，以及高强度、低密度。钛能与铁、铝、钒或钼等其他元素熔成合金，造出高强度的轻合金，在各方面有着广泛的应用，包括航天、军事、工业程序、汽车、农产食品、医学等。
钛元素在地壳中的含量占第九位，有着丰富的矿藏资源。2005年的全世界金属钛产量只有10万吨左右，仅是铁产量的1/10000，铝产量的1/300，至今仍然被列为稀有金属的范畴，导致这种局面的主要原因是现行钛生产工艺特点决定的。现行的金属钛工业生产方法克劳尔法，虽然技术成熟，但存在工艺流程繁琐、生产周期长、能耗大、成本高、环境污染大等缺点，无法满足市场需求，限制了钛的生产与应用。
近几年电化学直接还原法问世，为钛技术的冶炼展示了一线曙光。英国剑桥大学的FFC法以二氧化钛烧结体作为阴极，用石墨作阳极，以氯化钙熔融盐为电解质，最终在阴极可得到多孔海绵钛，电解电压为2.8~3.2 V，FFC法工艺简单，可实现半连续化生产，但工艺过程中存在氧、碳、铁等元素的污染，且电化学法使用了大量的盐，不仅存在钛盐分离困难，且缺乏有效的回收盐的方法，另外还存在电流效率低的缺点。
本发明结合了克劳尔法与电化学还原法的优点，公开了一种电化学法制备金属钛的装置及其方法，利用钛酸锂优良的离子导电以及电子绝缘的特性，把钛酸锂材料作为高温隔膜，并采用两种熔融盐做电解质，避免了采用一种电解质带来的氧、碳、铁等元素的污染问题。
发明内容
一种电化学法制备金属钛的装置及其方法，其装置特征是：该装置（见图1）由电加热保温层1形成容器，容器中间用固态离子膜5分割开来，左侧是石墨电极3浸入在碳酸锂熔融盐2中，右侧是TiO2电极浸入氯化锂熔融盐8中，熔融盐上部为一个密闭气室7，其中充满氩气，两个电极与直流电源4串联。所述的固态离子膜由钛酸锂和氧化锆微米级粉末按照质量比2：1混合、压片，在700~1200℃下烧结10小时制成，所述的TiO2电极是由纳米级纯度为99%以上的TiO2与微米级钛粉按照质量比7：3压制成的多孔电极，孔率在20%~70%之间。
一种电化学法制备金属钛的装置及其方法，其方法特征是：首先利用电加热升温，在此过程中向气室7中通入99.99%的高纯氩气，并不断置换，排除升温过程产生的其他气体，当温度升高到900~1000℃，保持温度恒定，直流电源4开始对电极3、6施加直流电压，3为正极、6为负极，电压范围在2.0V~3.6V之间，石墨电极3开始产生二氧化碳气体，TiO2电极6中的TiO2逐渐还原成金属钛，当通过整个电路的电流持续减小到初始值的10%时，停止通电，降温到室温，取出TiO2电极，得到固态粉末钛，通过用水洗涤，得到纯金属钛粉末，洗去的氯化锂干燥脱水后继续使用。
本方法的优点是方法简单，温度低，钛电极纯度高达99%以上，电能利用率高，容易除去盐杂质，且可以回收利用氯化锂，适合大规模生产。
附图说明
图1是电化学制备金属钛的装置图
1保温加热层 2碳酸锂熔融盐 3石墨电极 4直流电源 5固态离子膜 6 TiO2电极 7气室 8氯化锂熔融盐
具体实施方式
实施例1
制作一个电化学法制备金属钛的装置（见图1），电加热保温层1形成容器，容器中间用固态离子膜5分割开来，左侧是石墨电极3浸入在碳酸锂熔融盐2中，右侧是TiO2电极浸入氯化锂熔融盐8中，熔融盐上部为一个密闭气室7，其中充满纯度为99.99%氩气，直流电源4与电极3和电极6串联在一起，正极与电极3连接，负极与电极6连接在一起。其中固态离子膜由100nm的钛酸锂粉末和2µm直径的氧化锆粉末按照质量比2：1混合、以10kg力压片，在1000℃下烧结10小时制成。而TiO2电极是由200nm纯度为99%的TiO2与5µm的钛粉按照质量比7：3压制成的多孔电极，孔率为70%。
首先通电加热升温，并向气室7中通入99.99%的高纯氩气，并不断置换，排除升温过程产生的其他气体，当温度升高到900~920℃，保持温度恒定，直流电源4开始对电极3、6施加直流电压，3为正极、6为负极，电压范围在3.5V~3.6V之间，电流1A，停止排出氩气，适当增加气室7压力到2kg，石墨电极3开始产生二氧化碳气体，TiO2电极6中的TiO2逐渐还原成钛金属，当通过整个电路的电流降低到0.1A时停止通电，停止电加热开始降温到室温，取出TiO2电极，下部浸入电解质端已经变成有光泽的金属钛，在80℃热水中进行超声波水洗钛电极，得到纯金属钛电极，切下电极的金属部分，洗去的氯化锂干燥脱水后继续使用。经分析，所得钛电极纯度为99.2%。
实施例2
制作一个电化学法制备金属钛的装置（见图1），电加热保温层1形成容器，容器中间用固态离子膜5分割开来，左侧是石墨电极3浸入在碳酸锂熔融盐2中，右侧是TiO2电极浸入氯化锂熔融盐8中，熔融盐上部为一个密闭气室7，其中充满纯度为99.99%氩气，直流电源4串联与电极3和电极6串联在一起，正极与电极3连接，负极与电极6连接在一起。其中固态离子膜由50nm的钛酸锂粉末和2µm直径的氧化锆微米级粉末按照质量比2：1混合、以10kg力压片，在900℃下烧结10小时制成。而TiO2电极是由200nm纯度为99%的TiO2与5µm的钛粉按照质量比7：3压制成的多孔电极，孔率为20%。
首先通电加热升温，并向气室7中通入99.99%的高纯氩气，并不断置换，排除升温过程产生的其他气体，当温度升高到1000℃，保持温度恒定，直流电源4开始对电极3、6施加直流电压，3为正极、6为负极，电压范围在3.0V~3.1V之间保持电流1A，停止排出氩气，适当增加气室7压力到3kg，石墨电极3开始产生二氧化碳气体，TiO2电极6中的TiO2逐渐还原成钛金属，当通过整个电路的电流降低到0.1A时停止通电，停止电加热开始降温到室温，取出TiO2电极，下部浸入熔融盐端已经变成有光泽的金属钛，在90℃热水中进行超声波水洗钛电极，得到纯金属钛电极，切下电极的金属部分，洗去的氯化锂干燥脱水后继续使用。经分析，所得钛电极纯度为99.5%。

Claims (4)

1.一种电化学法制备金属钛的装置及其方法，其装置特征在于，该装置由电加热保温层形成容器，容器中间用固态离子膜分割开来，左侧是石墨电极浸入在碳酸锂熔融盐中，右侧是TiO2电极浸入氯化锂熔融盐中，熔融盐上部为一个密闭气室，其中充满氩气，两个电极与直流电源串联。
2.权利要求书1所述的固态离子膜由钛酸锂和氧化锆微米级粉末按照质量比2：1混合、压片，在700℃~1200℃下烧结10小时制成。
3.权利要求书1所述的TiO2电极是由纳米级纯度为99%以上的TiO2与微米级钛粉按照质量比7：3压制成的多孔电极，孔率在20%~70%之间。
4.一种电化学法制备金属钛的装置及其方法，其方法特征在于，在权利要求1所述的装置中，首先利用电加热升温，在此过程中向气室中通入99.99%的高纯氩气，并不断置换，排除升温过程产生的其他气体，当温度升高到900℃~1000℃，保持温度恒定，直流电源开始对电极、施加直流电压，石墨电极为正极、TiO2电极为负极，电压范围在2.0V~3.6V之间，TiO2电极6中的TiO2逐渐还原成金属钛，当通过整个电路的电流持续减小到初始值的10%，则停止通电，降温到室温，取出TiO2电极，得到固态粉末钛，通过用水洗涤，得到金属钛粉末，洗去的氯化锂干燥脱水后继续使用。
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