CN111304676B - 一种制备单质硼-10的熔盐电解装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备单质硼‑10的熔盐电解装置，要解决的是现有制备单质硼‑10装置中存在的问题。本发明包括电解槽、直流电源、电热炉、电动升降杆、阴极导电杆、半月板阀和直板阀。本发明在电解过程整个装置内部始终处于氩气环境中，隔绝空气，防止电解产物单质硼‑10被氧化，确保产物硼‑10的处于较高纯度，附着于阴极电极上；本发明在电解后通过电动升降杆将电极提升至第一冷却室，封闭直板阀，隔绝电解槽热量传递，此过程始终处于氩气环境中，隔绝空气，通过冷却循环水进行快速降温，得到高纯单质硼‑10；本发明通过操作提拉杆可以改变电极浸入深度，从而控制电流密度，电解出致密的硼单质。

Description

一种制备单质硼-10的熔盐电解装置

技术领域

本发明涉及电解装置领域，具体是一种制备单质硼-10的熔盐电解装置。

背景技术

在核工业中，硼-10单质、含有硼-10元素的化合物以及含有硼-10化合物的复合材料是一类优良的热中子屏蔽材料，它可用来控制核反应速率、可以用做核电站以及核废料后处理过程中的安全防护(吸收中子屏蔽辐射)。硼-10的市场非常大，未来硼-10产品应用量最大的地方是用于钠冷快堆和铅铋快堆的高硼-10丰度B₄C控制棒，用于压水堆中子慢化剂的高硼-10丰度硼酸，以及用于核废料的储存和运输的含硼复合材料。近年来，随着环境保护、节能减排、核安全等高科技领域的快速发展，对所使用的硼-10的纯度要求也越来越高，对硼-10的需求量也越来越大。

专利号为CN102586795A的文件公布了一种熔盐电解制备硼粉的方法及电解装置的方法，介绍用熔盐电解法制备单质硼-10的方法，纯度在97％以上，但是在反应过程容器没有密封，单质硼-10在制备过程中易被氧化，导致回收率降低，在反应过程中没有对尾气进行处理，易产生环境污染。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种制备单质硼-10的熔盐电解装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种制备单质硼-10的熔盐电解装置，包括电解槽、直流电源、电热炉、电动升降杆、阴极导电杆、半月板阀和直板阀，所述电解槽内置有石墨内衬，并相互紧密贴合，防止熔盐蒸汽与产生尾气对电解槽的腐蚀，以及腐蚀物进入熔盐内导致的影响产物纯度，在石墨内衬里放置石墨坩埚；石墨坩埚内装有熔盐；阴极导电杆的底端连接有阴极电极；阴极电极电解反应过程中位于石墨坩埚内的熔盐中，阴极电极顶部与阴极导电杆用陶瓷套筒相连；电热炉用于对电解槽加热，间接对石墨坩埚和熔盐加热；直流电源的正极和负极分别与电解槽和阴极导电杆顶部连接；电动升降杆与阴极导电杆顶部相连，相连部分用绝缘垫隔离，以防止阴阳极间短路，电动升降杆起到升降阴极导电杆和搬运电解设备的作用。

作为本发明实施例进一步的方案：电解槽顶部带有密封盖；阴极导电杆穿过密封盖，且所述密封盖与电解槽连接处加装耐高温绝缘垫，且用绝缘螺丝固定，做绝缘处理，以防止阴阳极间短路，密封盖拆卸简单，用于加入和移除熔盐，以实现在不停电热炉的情况下的连续增减熔盐原料，以保证生产的连续性。

作为本发明实施例进一步的方案：所述制备单质硼-10的熔盐电解装置还包括第一冷却室和第二冷却室，且冷却室外装有冷却水夹套，第一冷却室分为第一冷却水入口和第一冷却水出口，第二冷却室分为第二冷却水入口和第二冷却水出口。

作为本发明实施例进一步的方案：电动升降杆的支架与阴极导电杆通过绝缘垫相连。

作为本发明实施例进一步的方案：电解槽、阴极导电杆和密封盖所用材质均为巴氏合金。

作为本发明实施例进一步的方案：电解槽侧壁设置有阳极导电杆并且阳极导电杆与石墨坩埚相连接。

作为本发明实施例进一步的方案：电解槽侧面安装有冷却水夹套，分为第三冷却水入口和第三冷却水出口，冷却水夹套所用材质均为316L不锈钢。

作为本发明实施例进一步的方案：第二冷却室的底端与密封盖焊接；第二冷却室的上端与第四快接法兰底端连接；第四快接法兰上端与半月板阀底端相连接；半月板阀上端与第三快接法兰底部相连接；第三快接法兰上端与直板阀底端相连接；直板阀上端与第二快接法兰底端相连接；第二快接法兰上端与第一冷却室底端相连接；第一冷却室上端与第一快接法兰底端相连接；第一快接法兰上端与动密封相连接；阴极导电杆由上至下依次穿过动密封、第一冷却室、直板阀、半月板阀和第二冷却室，进入电解槽后插入到石墨坩埚内的熔盐中。

作为本发明实施例进一步的方案：阴极导电杆底部与阴极电极相连接，在阴极导电杆与阴极电极外部套有陶瓷套筒，防止熔盐蒸汽与尾气对阴极导电杆与阴极电极的腐蚀。

作为本发明实施例进一步的方案：密封盖上部设有第二氩气入口、第二尾气出口和压力表；氩气入口管与尾气出口管通入电解槽中，使得第二冷却室与电解槽在电解前后充满惰性气体氩气，防止设备以及产物被氧化。

作为本发明实施例进一步的方案：电解槽与压力表相连通，压力表的量程为-0.1MPa～1MPa，可以测量电解槽内的压力，以控制电解槽内的压力保持常压，由于电解槽外部温度接近800℃，防止高压发生安全事故。

作为本发明实施例进一步的方案：第一快接法兰设有第一氩气入口、第一尾气出口，氩气入口管与尾气出口管通入第一冷却室中，使得第一冷却室充满惰性气体氩气，防止设备以及产物被氧化。

作为本发明实施例进一步的方案：所述制备单质硼-10的熔盐电解装置还包括高纯无水氩气气源，对电解槽、第一冷却室和第二冷却室充入惰性气体氩气。

作为本发明实施例进一步的方案：所述制备单质硼-10的熔盐电解装置还包括尾气吸收塔，对电解槽、第一冷却室和第二冷却室抽出尾气并进行尾气处理。

作为本发明实施例进一步的方案：所述制备单质硼-10的熔盐电解装置还包括冷却循环水机，对电解槽上端、第一冷却室和第二冷却室进行循环冷却。

作为本发明实施例进一步的方案：所述制备单质硼-10的熔盐电解装置还包括直流电源，为阳极导电杆与阴极导电杆提供电源。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果是：

本发明在电解过程整个装置内部始终处于氩气环境中，隔绝空气，防止电解产物单质硼-10被氧化，确保产物硼-10的处于较高纯度，附着于阴极电极上；

本发明在电解后通过电动升降杆将电极提升至第一冷却室，封闭直板阀，隔绝电解槽热量传递，此过程始终处于氩气环境中，隔绝空气，通过冷却循环水进行快速降温，得到高纯单质硼-10；

本发明通过操作提拉杆可以改变电极浸入深度，从而控制电流密度，电解出致密的硼单质；

本发明通过操作半月板阀和直板阀，减少设备腐蚀，延长使用寿命；

本发明操作简单，通过拆卸直板阀下的快接法兰，可以将第一冷却室放置架上冷却，同时补充新的熔盐，用新的电极继续电解，做到可连续生产；

本发明在电解过程中，通过尾气吸收塔对尾气进行充分吸收，达到环保无污染。

附图说明

图1为制备单质硼-10的熔盐电解装置的结构示意图。

图2为制备单质硼-10的熔盐电解装置中直流电源、氩气气源和尾气吸收塔的结构示意图。

图3为制备单质硼-10的熔盐电解装置中冷却循环水机的结构示意图。

其中：1-阴极导电杆，2-动密封，3-第一尾气出口，4-第一快接法兰，5-第一冷却水出口，6-第一冷却室，7-第二快接法兰，8-第三快接法兰，9-半月板阀，10-第四快接法兰，11-第二冷却水出口，12-压力表，13-第二尾气出口，14-密封盖，15-第三冷却水出口，16-电解槽，17-内衬，18-坩埚，19-电热炉，20-熔盐，21-阴极电极，22-套筒，23-阳极导电杆，24-第三冷却水入口，25-绝缘垫，26-第二氩气入口，27-第二冷却水入口，28-第二冷却室，29-直板阀，30-第一冷却水入口，31-第一氩气入口，32-电动升降杆，33-直流电源，34-氩气气源，35-尾气吸收塔，36-冷却循环水机。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

实施例1

一种制备单质硼-10的熔盐电解装置，包括电解槽16、直流电源33、电热炉19、电动升降杆32、阴极导电杆1、半月板阀9和直板阀29，所述电解槽16内置有石墨内衬17，并相互紧密贴合，防止熔盐20蒸汽与产生尾气对电解槽16的腐蚀，以及腐蚀物进入熔盐20内导致的影响产物纯度，在石墨内衬17里放置石墨坩埚18；石墨坩埚18内装有熔盐20；阴极导电杆1的底端连接有阴极电极21；阴极电极21电解反应过程中位于石墨坩埚18内的熔盐20中，阴极电极21顶部与阴极导电杆1用陶瓷套筒22相连；电热炉19用于对电解槽16加热，间接对石墨坩埚18和熔盐20加热；直流电源33的正极和负极分别与电解槽16和阴极导电杆1顶部连接；电动升降杆32与阴极导电杆1顶部相连，相连部分用绝缘垫25隔离，以防止阴阳极间短路，电动升降杆32起到升降阴极导电杆1和搬运电解设备的作用。

为了保证使用效果，本发明还包括第一冷却室6和第二冷却室28，且第一冷却室6和第二冷却室28外均装有冷却水夹套，第一冷却室6分为第一冷却水入口30和第一冷却水出口5，第二冷却室28分为第二冷却水入口27和第二冷却水出口11。电解过程中，通过闭合半月板阀9将第一冷却室6与第二冷却室28及电解槽16隔离成两个独立的空间，两个独立空间单独充惰性气体氩气，减少熔盐20蒸汽以及尾气进入第一冷却室6，增加第一冷却室6的使用寿命；在电解后，打开半月板阀9，通过电动升降杆32提升阴极导电杆1，将阴极电极21提升至第一冷却室6，闭合直板阀29，将第一冷却室6与第二冷却室28及电解槽16隔离成两个独立的空间，两个独立空间单独充惰性气体氩气，以阻断底部热量传递。

进一步的，电解槽16顶部带有密封盖14；阴极导电杆1穿过密封盖14，且所述密封盖14与电解槽16连接处加装耐高温绝缘垫25，且用绝缘螺丝固定，做绝缘处理，以防止阴阳极间短路，密封盖14拆卸简单，用于加入和移除熔盐20，以实现在不停电热炉19的情况下的连续增减熔盐20原料，以保证生产的连续性。

进一步的，电解槽16侧壁设置有阳极导电杆23并且阳极导电杆23与石墨坩埚18相连接，直流电源33为阳极导电杆23与阴极导电杆1提供电源。

进一步的，电解槽16侧面安装有冷却水夹套，分为第三冷却水入口24和第三冷却水出口15，冷却水夹套所用材质均为316L不锈钢。

进一步的，第二冷却室28的底端与密封盖14焊接；第二冷却室28的上端与第四快接法兰10底端连接；第四快接法兰10上端与半月板阀9底端相连接；半月板阀9上端与第三快接法兰8底部相连接；第三快接法兰8上端与直板阀29底端相连接；直板阀29上端与第二快接法兰7底端相连接；第二快接法兰7上端与第一冷却室6底端相连接；第一冷却室6上端与第一快接法兰4底端相连接；第一快接法兰4上端与动密封2相连接；阴极导电杆1由上至下依次穿过动密封2、第一冷却室6、直板阀29、半月板阀9和第二冷却室28，进入电解槽16后插入到石墨坩埚18内的熔盐20中。

进一步的，阴极导电杆1底部与阴极电极21相连接，在阴极导电杆1与阴极电极21外部套有陶瓷套筒22，防止熔盐20蒸汽与尾气对阴极导电杆1与阴极电极21的腐蚀。

进一步的，密封盖14上部设有第二氩气入口26、第二尾气出口13和压力表12；氩气入口管与尾气出口管通入电解槽16中，使得第二冷却室28与电解槽16在电解前后充满惰性气体氩气，防止设备以及产物被氧化。

进一步的，电解槽16与压力表12相连通，压力表12的量程为-0.1MPa～1MPa，可以测量电解槽16内的压力，以控制电解槽16内的压力保持常压，由于电解槽16外部温度接近800℃，防止高压发生安全事故。

进一步的，第一快接法兰4设有第一氩气入口31、第一尾气出口3，氩气入口管与尾气出口管通入第一冷却室6中，使得第一冷却室6充满惰性气体氩气，防止设备以及产物被氧化。

进一步的，本发明还包括高纯无水氩气气源34，对电解槽16、第一冷却室6和第二冷却室28充入惰性气体氩气。

进一步的，本发明还包括尾气吸收塔35，对电解槽16、第一冷却室6和第二冷却室28抽出尾气并进行尾气处理。

进一步的，本发明还包括冷却循环水机36，对电解槽16上端、第一冷却室6和第二冷却室28进行循环冷却。

实施例2

一种制备单质硼-10的熔盐电解装置，包括电解槽16、直流电源33、电热炉19、电动升降杆32、阴极导电杆1、半月板阀9和直板阀29，所述电解槽16内置有内衬17，并相互紧密贴合，防止熔盐20蒸汽与产生尾气对电解槽16的腐蚀，以及腐蚀物进入熔盐20内导致的影响产物纯度，在石墨内衬17里放置坩埚18；石墨坩埚18内装有熔盐20；阴极导电杆1的底端连接有阴极电极21；阴极电极21电解反应过程中位于坩埚18内的熔盐20中，阴极电极21顶部与阴极导电杆1用陶瓷套筒22相连；电热炉19用于对电解槽16加热，间接对坩埚18和熔盐20加热；直流电源33的正极和负极分别与电解槽16和阴极导电杆1顶部连接；电动升降杆32与阴极导电杆1顶部相连，相连部分用绝缘垫25隔离，以防止阴阳极间短路，电动升降杆32起到升降阴极导电杆1和搬运电解设备的作用。

本实施例的操作过程：

1.将研磨烘干后的氯化钾、氟硼-10酸钾和氯化钠按比例称取混合均匀后，加入坩埚18内，将坩埚18放置于电解槽16中，通过控制电动升降杆32将装置安装好。

2.通过控制氩气气源34，将氩气由第一氩气入口31和第二氩气入口26同时通入第一冷却室6、第二冷却室28和电解槽16，并开启尾气吸收塔35，吸收由第一尾气出口3和第二尾气出口13排出的尾气，经过测定，通气约10分钟后，尾气出口无氧气排出，此时整个体系处于氩气氛围。

3.采用电热炉19对电解槽16进行加热，升温至熔盐20可电解温度，并恒温保持；升温同时关闭半月板阀9，使其与阴极导电杆1紧密贴合，防止电解产生气体腐蚀第一冷却室6和第二冷却室28。

4.通过电动升降杆32控制阴极电极21悬于熔盐20之上，待温度达到电解温度，将其浸入熔盐20至指定深度。

5.将直流电源33的正极和负极分别与阳极导电杆23和阴极导电杆1连接后通电。

6.以坩埚18为阳极，先用旧阴极电极21将上述熔融物置于2.5V的电压下进行预电解1h后，再更换新阴极电极21进行电解还原反应2.8h，即可在阴极得到电解产物；其中，电解还原反应时，阴极电流密度控制在18A/cm²。

电解过程中，阴极电极21上析出纯单质硼-10，且随着电解时间增加，熔盐20内包含的硼-10离子含量降低，电流效率随之降低，选择合适的电解时间至关重要。

7.到达电解时间，关闭直流电源，等待5分钟后，缓缓打开半月板阀9，通过电动升降杆32提升阴极导电杆1将阴极电极21提升至第一冷却室6，闭合直板阀29，以阻断底部热量传递；由于装置顶部使用动密封2，在操作过程中均处于惰性气体氩气保护中，隔绝空气，防止电解产物硼被氧化，确保产物硼的处于较高纯度。

8.通过电动升降杆32将第一冷却室6移置架上冷却，同时补充新的熔盐20，更换新的电极，重复步骤1继续进行电解，做到可连续生产。

将电解产物进行冷却处理后，再依次进行研磨、酸洗、水洗、醇洗和真空干燥处理，得到的硼-10粉，可使硼-10粉的回收率达到85％以上，以及硼-10粉的纯度达到98％以上。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种制备单质硼-10的熔盐电解装置，包括电解槽(16)、直流电源(33)、电热炉(19)、电动升降杆(32)、阴极导电杆(1)、半月板阀(9)和直板阀(29)，其特征在于，所述电解槽(16)内置有相互紧密贴合的内衬(17)，在内衬(17)里放置坩埚(18)；坩埚(18)内装有熔盐(20)；阴极导电杆(1)的底端连接有阴极电极(21)；阴极电极(21)顶部与阴极导电杆(1)用陶瓷套筒(22)相连；直流电源(33)的正极和负极分别与电解槽(16)和阴极导电杆(1)顶部连接；电动升降杆(32)与阴极导电杆(1)顶部相连并且相连部分用绝缘垫(25)隔离，还包括第一冷却室(6)和第二冷却室(28)，且第一冷却室(6)和第二冷却室(28)外装有冷却水夹套，第一冷却室(6)分为第一冷却水入口(30)和第一冷却水出口(5)，第二冷却室(28)分为第二冷却水入口(27)和第二冷却水出口(11)，第二冷却室(28)的底端与密封盖(14)焊接；第二冷却室(28)的上端与第四快接法兰(10)底端连接；第四快接法兰(10)上端与半月板阀(9)底端相连接；半月板阀(9)上端与第三快接法兰(8)底部相连接；第三快接法兰(8)上端与直板阀(29)底端相连接；直板阀(29)上端与第二快接法兰(7)底端相连接；第二快接法兰(7)上端与第一冷却室(6)底端相连接；第一冷却室(6)上端与第一快接法兰(4)底端相连接；第一快接法兰(4)上端与动密封(2)相连接；阴极导电杆(1)由上至下依次穿过动密封(2)、第一冷却室(6)、直板阀(29)、半月板阀(9)和第二冷却室(28)。

2.根据权利要求1所述的制备单质硼-10的熔盐电解装置，其特征在于，所述电解槽(16)顶部带有密封盖(14)；阴极导电杆(1)穿过密封盖(14)，且密封盖(14)与电解槽(16)连接处加装耐高温的绝缘垫(25)。

3.根据权利要求1所述的制备单质硼-10的熔盐电解装置，其特征在于，所述电解槽(16)侧壁设置有阳极导电杆(23)并且阳极导电杆(23)与坩埚(18)相连接。

4.根据权利要求2所述的制备单质硼-10的熔盐电解装置，其特征在于，所述密封盖(14)上部设有第二氩气入口(26)、第二尾气出口(13)和压力表(12)。

5.根据权利要求1所述的制备单质硼-10的熔盐电解装置，其特征在于，还包括氩气气源(34)。

6.根据权利要求1所述的制备单质硼-10的熔盐电解装置，其特征在于，还包括尾气吸收塔(35)。

7.根据权利要求1所述的制备单质硼-10的熔盐电解装置，其特征在于，所述电解槽(16)与压力表(12)相连通。

8.根据权利要求2所述的制备单质硼-10的熔盐电解装置，其特征在于，所述电解槽(16)、阴极导电杆(1)和密封盖(14)所用材质均为巴氏合金。

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