CN115516114A - 基于液态阳极的熔融氧化物电解/从熔融氧化物电解制备氧 - Google Patents

基于液态阳极的熔融氧化物电解/从熔融氧化物电解制备氧 Download PDF

Info

Publication number
CN115516114A
CN115516114A CN202180029455.4A CN202180029455A CN115516114A CN 115516114 A CN115516114 A CN 115516114A CN 202180029455 A CN202180029455 A CN 202180029455A CN 115516114 A CN115516114 A CN 115516114A
Authority
CN
China
Prior art keywords
lunar soil
electrolytic cell
molten
anode
oxygen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180029455.4A
Other languages
English (en)
Inventor
J·盖夫曼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Helios Engineering Co ltd
Original Assignee
Helios Engineering Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Helios Engineering Co ltd filed Critical Helios Engineering Co ltd
Publication of CN115516114A publication Critical patent/CN115516114A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21B—MANUFACTURE OF IRON OR STEEL
    • C21B15/00—Other processes for the manufacture of iron from iron compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/042—Electrodes formed of a single material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/042—Electrodes formed of a single material
    • C25B11/046—Alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/09—Fused bath cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/30—Cells comprising movable electrodes, e.g. rotary electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/303—Cells comprising movable electrodes, e.g. rotary electrodes; Assemblies of constructional parts thereof comprising horizontal-type liquid electrode
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/67—Heating or cooling means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/34—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of metals not provided for in groups C25C3/02 - C25C3/32
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof
    • C25C7/025—Electrodes; Connections thereof used in cells for the electrolysis of melts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/10—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions
    • Y02P10/134—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions by avoiding CO2, e.g. using hydrogen

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

本发明的目的是提供一种用于通过熔融氧化物电解从月球土壤提取氧的电解槽，包括(i)阴极、(ii)阳极和(iii)坩埚，其中所述阳极的特征在于至少部分为液态。所述阳极可由钯、铅、银、金、铂、钽或其混合物制成。

Description

基于液态阳极的熔融氧化物电解/从熔融氧化物电解制备氧
技术领域
本发明涉及熔融氧化物电解制备氧和金属的领域。
背景技术
熔融氧化物电解(MOE)是通过电化学过程使高温熔融氧化物反应以将金属与氧分离的过程。然后分别收集两种成分，并储存起来供进一步单独使用。在电化学过程中，由电极、电解液和电源组成的主要元件可为不同的相(例如固态、液态或气态)。电极必须具有导电性，并且能够以固态、液态或气态形式使用。电化学过程中必须使用两种基本电极：
-收集电流的阳极；
-分配电流的阴极。
美国专利8764962公开了一种从氧化物原料化合物中电解提取的方法。原料化合物在电解槽中溶解为氧化物熔体，与阴极和阳极接触。在电解期间，目标元素沉积在液态阴极上并与之结合。氧在金属阳极基底上与氧化物熔体接触的带有固态氧化物层的阳极上析出。
美国专利5536378公开了一种用于制备月球氧的反应器设备，使用的原料包括粒度范围约为20-200微米的富含可还原氢颗粒的原料，其含有80-90％的月球钛铁矿(FeTiO3)和月球亚铁凝集物。反应器装置具有三个垂直间隔的流化区，具有从上部流化区到中心流化区的降液管，和用于将含氢气流引入通过下部流化区的开口。固-气RF介质加热器具有陶瓷蜂窝，其具有由薄陶瓷壁和围绕蜂窝的电极分隔的小平行通道，所述陶瓷壁和电极连接到外部RF电源以将气流加热至还原反应温度。顶部入口将富集进料引入到上部流化区以在其中流化，并与气流逆流流入到中部和下部流化区。固态电解槽由氧化钙或氧化钇稳定的氧化锆陶瓷组成，该陶瓷通过烧结或流铸法被制成多孔圆柱形，在其外表面和内纵向表面上具有铂电极。电解槽圆柱体安装在两个圆盘形不渗透陶瓷挡板内，并位于耐火内衬金属压力壳正中。含有来自中央流化区的平衡量的水的气态流出物通过电解槽以连续电解水。提供了用于从电解槽中分离氧气并将氢气再循环到气流中的装置。
美国专利7935176描述了一种能够从外星环境(例如行星、小行星等)中获得的材料中提取外星环境氧的设施和方法。所述设施从含矿物的固体材料中提取氧，并配置为形成固体材料自由下落的熔融流，蒸发至少一部分熔融流，并产生含有气态氧的蒸汽，产生蒸汽的超音速流，冷凝超音速流的成分以在超音速流中形成颗粒，将气态氧与颗粒物分离，然后收集气态氧。
美国专利4997533公开了通过以下由含氧化铁的矿物如钛铁矿制备氧和金属铁：用盐酸从矿物中提取铁，从所得溶液中分离并干燥固体残留物，将分离的含氯化铁溶液电解以制备电解铁和氯气，将氯气与从再生盐酸的干燥和/或含氯化铁溶液电解步骤中回收的水混合，并将盐酸循环至提取步骤。在替代实施方案中，氯气在催化剂存在下与回收水反应以产生盐酸，盐酸循环至提取步骤，从而消除了水电解和单独盐酸再生步骤的需要。在另一替代实施例中，进行含氯化铁溶液的电解以在阳极处产生氧气而不是氯气，并且在阴极处镀铁的同时产生盐酸。
专利申请WO2018059902A1公开了一项发明，包括提供高温超高真空炉，该炉的唯一腔室为金属，其中将优选由钽制成的导电坩埚放置在绝缘支架(优选为陶瓷)上，并通过缠绕在坩埚周围的绕组感应加热。布置在感应绕组和坩埚之间、优选由石英制成的绝缘管有利地作为可冷凝物质可在其上冷凝的表面。
美国专利5227032公开了从含金属氧化物的矿物(例如钛铁矿)中制备氧的方法，该方法包括制备矿物和热硫酸的浆料，酸和矿物反应形成金属的硫酸盐，向所述浆料中加水以将所述矿物溶解成水溶液，将所述第一水溶液与来自所述浆料的未反应矿物分离，并电解所述水溶液以产生所述金属和氧；在一个方面，提供了一种通过使钛铁矿和热硫酸反应制备其中含有硫酸亚铁的浆料，向所述浆料中加水以将所述硫酸亚铁溶解成水溶液，将所述水溶液从所述浆料中分离，并电解所述水溶液以制备铁和氧的方法。
长期以来一直需要一种由金属氧化物制备氧和金属的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于从月球土壤中提取氧的电解槽，包括：
a、阴极；
b、阳极；
c、坩埚；
其中所述阳极的特征在于至少部分为液态。
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的电解槽，其中所述坩埚由具有以下至少一项特征的材料构成：
a、对熔融月球土壤的高耐化学性；
b、在高达2200℃的温度下不分解；
c、在高达2200℃的温度下不蒸发；
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的电解槽，其中所述坩埚由选自氧化锆、氧化铪、氮化硼、氮化硅、六硼化钽、硼化铪、氧化镁、碳化硅、氮化硅和二硼化锆的材料构成。
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的电解槽，其中坩埚还包括月球土壤固态(未熔化)层。
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的电解槽，其中所述阳极的特征在于以下至少一项：
a、至少0.8伏的还原电位；
b、在高达2200℃的温度下对氧是惰性的；
c、具有对熔融月壤的低渗透性；
d、不与熔融月壤形成乳液；
e、具有至少2200℃的沸点；
f、具有高于熔融月壤的液态密度；
g、具有低于所述熔融月壤的液态密度。
本发明的另一个目的是提供如上任一项所述的电解槽，其中所述阳极选自钯、铅、银、金、铂、钽或这些材料的合金。
本发明的另一个目的是提供如上任一项所述的电解槽，其中所述阳极的特征在于液体、溶液、乳液或悬浮液。
本发明的另一个目的是提供如上任一项所述的电解槽，其中所述阴极选自钼、铂、铱、铑和铁。
本发明的另一个目的是提供如上任一项所述的电解槽，其中所述阴极的特征在于以下至少一项：
a、具有高电流密度；
b、具有表面积；
c、具有良好的电子传导性；
d、具有耐高温性；
e、与熔融月壤的反应性低；
本发明的另一个目的是提供如上任一项所述的电解槽，其还包括用于将所述电解槽加热至2000℃的系统。
本发明的另一个目的是提供如上任一项所述的电解槽，其还包括用于收集和/或储存氧的装置。
本发明的另一个目的是提供如上任何一项所述的电解槽，其还包括移除用过的月球土壤的系统。
本发明的另一个目的是提供如上任何一项所述的电解槽，其还包括向所述电解槽中添加所述月球土壤的系统。
本发明的另一个目的是提供如上任何一项所述的电解槽，其还包括用于加热所述月球土壤的系统。
本发明的另一个目的是提供一种如上任一项所述的电解槽，其还包括用于产生电流的系统。
本发明的目的是提供一种从月球土壤获得氧的方法，包括以下步骤：
a、获得电解槽，包括：
a、阴极；
b、阳极；
c、坩埚；
b、将月球土壤添加到所述电解槽中；
c、将所述月壤加热至其熔点；
d、产生2-10伏的电流；
e、从所述阳极收集氧；
其中所述阳极特征为至少部分为液态。
本发明的另一个目的是提供一种如上任一项所述的方法，其中所述月球土壤的特征在于包含氧化铁。
本发明的另一个目的是提供一种如上任一项所述的方法，其还包括移除用过的月球土壤的步骤。
本发明的另一个目的是提供如上任何一项所述的方法，其中所述坩埚由具有以下至少一项特征的材料构成：
a、对所述熔融月球土壤的高耐化学性；
b、在高达2200℃的温度下不分解；
c、在高达2200℃的温度下不蒸发。
本发明的另一个目的是提供如上任一项所述的方法，其中所述阳极的特征在于以下至少一项：
a、至少0.8伏的还原电位；
b、在高达2000℃的温度下对氧是惰性的；
c、具有对熔融月壤的低渗透性；
d、不与熔融月壤形成乳液；
e、具有至少2200℃的沸点；
f、具有高于熔融月壤的液态密度；
g、具有低于所述熔融月壤的液态密度。
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的方法，其中所述阳极选自钯、铅、银、金、铂、钽或其合金的任意一种。
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的方法，其中所述阴极是过渡金属。
本发明的另一个目的是提供如上述任一项所述的方法，其中所述阴极选自钼、铂、铱、铑和铁。
本发明的另一个目的是提供如上任一项所述的方法，其中所述阴极的特征在于以下特征中的至少一项：
a、具有高电流密度；
b、具有表面积；
c、具有良好的电子传导性；
d、具有耐高温性；
e、与熔融月壤的反应性低；
附图说明
附图用来进一步理解本发明，并入本发明说明书并构成本说明书的一部分，用来示例性说明本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理，其中：
图1显示了从氧化铝中提取纯铝的电化学电解槽示意图。
图2显示了从月壤中提取氧和铁的电解槽示意图。
图3(a，b)显示了从月壤中提取氧和铁的电解槽示意图。
图4(a，b)显示了实施例1的系统。
图5显示了实施例1中月壤模拟物的还原。
具体实施方式
以下描述与本发明的所有章节一起使本领域技术人员能够使用本发明，并阐述发明人实施本发明所设想的最佳方式。但是，本领域技术人员对各种变化是清楚的，因为本发明的通用原理已被具体定义为提供组合物和方法。
在本申请中，术语“熔融还原电解”(MRE)指还原熔融氧化物的过程。
在本申请中，术语“熔融氧化物电解”(MOE)是指金属氧化物的电解分解，产生金属(液态)和氧气(气态)。在本申请中，术语“月球土壤模拟物”是指覆盖固态岩石(如月球)的松散的、不均匀表层沉积物的沉积。月壤通常包括灰尘、破碎岩石和其他相关材料，并存在于月球上。月球土壤在低洼地区(mare areas)通常为4-5m厚，在较老的高地地区，为10-15m厚。术语“月球土壤(Lunar soil)”通常用于指月球土壤(Lunar regolith)的较细部分，但通常可以互换使用。月球尘埃一词通常指比月球土壤更细的材料。
文中使用以下缩写：
除非另有说明，所有浓度均以重量百分比表示。
除非另有说明，关于数量，术语“约”指所述标称值±25％的公差。
除非另有说明，所有数值范围均包括所述的范围限值。
本发明优选实施例说明
熔融氧化物电解(MOE)工艺在高温下进行，以通过电化学工艺从熔融氧化物中分离金属和氧。两种产物被分离、收集和储存，以供进一步单独使用。在电化学过程中，基本元件由电极、电解质和电源组成，这些元件可以为不同的相(例如固态、液态或气态)。电极必须是导电的，可以以固态、液态或气态的形式使用。在电化学过程中基本的两个电极是必需的：阳极(常规电流经过阳极退出该电化学过程)和阴极(电流经过阴极参与该电化学过程)。
用于制备铝的最常见的液态电极工艺称为“Hall-Haroult”(霍尔-埃鲁)法。该工艺基于氧化铝(Al2O3)的电解，在阴极上产生铝，在阳极上产生氧。在该系统中，氧化铝与冰晶石(Na3AlF6)混合，所述冰晶石降低了氧化铝的熔点并充当其溶剂。电解槽在980℃运行，其中氧化铝溶解在液态冰晶石14中。参考图1，显示了电解槽10，具有由钢制成的坩埚11，底部涂有在电解过程中用作阴极的石墨12。阳极由多根石墨棒构成，位于电解槽的顶部13。阴极上制备的纯铝密度高于熔融冰晶石的密度，因此下沉到电解槽的底部15，流出，并收集和冷却以供进一步使用。在阳极上，氧阴离子发生氧化，产生分子氧。由于阳极涂有一层碳，在这种情况下，产生的大部分氧进一步反应生成二氧化碳。电解中应用的最佳电流密度约为1Acm-2，电解槽总电流为150至300kA，电解槽电压为4.0至-4.5V。
在三层液态电解槽中产生氧和铁
铁的制备通常在半液态电解槽内进行，其具有煤阳极和液态铁阴极。从阳极释放出大量二氧化碳，作为碳阳极上氧形成的副产物，因此该工艺高度污染。用不与阳极上形成的氧反应的惰性材料(如铱、钍化钨、铑、银、钯、金、铂、钌、铌)代替煤阳极，可以实现铁的(更)清洁生产。
使用熔融氧化物电解提取铁通常在1600-1700℃的温度范围内进行。液化完成后，进行电解。在此过程中，液态铁在阴极周围积聚，氧在阳极周围积聚。
液态氧化铁电解是熔融氧化铁被分解为其基本元素-铁(积聚在阴极上)和氧(积聚在阳极上)的过程。反应的实施例(在Fe3O4和FeO的情况下)可被描述为：
Figure BDA0003897728620000091
Figure BDA0003897728620000092
对于MRE过程，熔融温度取决于原料月球土壤的组成。这会影响加热和随后电解熔融月壤所需的能量。月球土壤主要(99％)由7种化合物组成：氧O(41-45％)、硅Si(20-25％)、铝Al(约15％)、钙Ca(约10％)、铁Fe(约0.5％)、镁Mg和钛Ti(按质量计)。
月壤的确切组成会发生变化，通常受样本的位置和深度影响。高地月壤具有明显较高的熔化温度(约1600℃)，并且缺乏例如铁和钛等元素，这些元素更容易通过MRE还原。低洼地形中的月壤熔点大致较低(约1200℃)，铁含量高达20％(按重量计)。
月球土壤被化学还原，部分原因是质子和太阳辐射不断轰击月球表面。月球上的铁通常以元素(0)和阳离子(+2)氧化态存在。在月球大气条件下，由于低能量条件，磁铁矿不存在，FeO是最常见的氧化铁形式。
系统设计
为了耐受高温(约1700℃)，电解槽材料必须由稳定且耐化学腐蚀的材料制成，以适应特定的反应环境。此外，熔融月壤具有化学侵蚀性。为了保护反应器壁免受腐蚀，电解应在月壤中进行，其中只有芯被电解的焦耳热熔化，外壳保持固态，并对反应器壁绝缘。
坩埚必须由能够耐受反应高温同时保持其形状的材料制成(如氧化锆、氧化铪、氮化硼、氮化硅、六硼化钽、硼化铪、氧化镁、碳化硅、氮化硅和硼化锆等)。在一些实施例中，坩埚还包括不熔化和/或不反应的固态(未熔化)原料(月壤)层，保护坩埚免受熔融月壤的影响，可以将其描述为“冷壁”熔化。
坩埚可以用制造超高耐火材料陶瓷的任何标准方法制造。方法包括用于粉末制备的固相反应、共沉淀、溶胶-凝胶、喷雾热解、乳液合成。成形工艺包括压制、铸造、塑性成形、胶态成型。烧结工艺包括无压烧结、热压烧结和热等静压烧结。修饰工艺包括机械、激光、水射流和超声波。可能的材料可以是氧化锆、氧化铪、氮化硼、氮化硅、六硼化钽、硼化铪、氧化镁、碳化硅、氮化硅和二硼化锆。
阴极是初始电流供体，需要支持高电流密度和高温，并且不与周围的液态铁或电解质反应。在一些实施例中，阴极包括在MOE工艺期间产生并沉积在阴极上的液态铁涂层。
阳极通常由耐火金属制成，能够抵抗反应中的热、压力和化学物质引起的分解，在反应过程中保持其强度和形状。铱和铑是常用的。碳(如碳石墨)由于其优异的热稳定性和抗渣性，通常用于高还原性环境。
阳极和阴极必须耐受高温(>1600℃)、化学侵蚀性熔融月壤、高电势和阳极表面形成的原子氧，通常由贵金属(如铱、钼、铂铑合金或铂)或导电陶瓷材料组成。
参考图2，其显示了电解槽20的示意图，包括坩埚21、阴极22和阳极23。将月壤24添加到坩埚中并将其加热到熔点。铁(Fe0)25积聚在阴极22上，氧(O2(g))26从阳极23释放。
已阐述从液态月壤中提取氧，之前尝试使用0.8V的电势、铱阳极，并在月壤的熔化温度下进行。铱阳极表面释放出氧。考虑到需要高电流密度的高表面积，由于成本高且重量重，在月球上使用铱是不可行的。
月壤氧化用液态阳极的设计和制备
本发明展示了三液态层阵列的使用。该阵列的使用表明了从月壤中提取氧的经济且化学有效的过程。
液态阳极的要求/特性：
1.材料的还原电位高于反应的氧化电位，高于0.8V。在一些实施方式中，该材料具有至少0.9V的电势。
2.在工作温度(高达2000℃)下对氧具有化学惰性。
3.对月壤的低渗透性——阻碍阳极材料与熔融月壤的混合，阻止材料损失并提高效率。
4.不会在阳极表面形成乳液(含Milton(米尔顿)月壤)，这会影响阳极电阻，从而影响工作电位。
5.不得与月壤成分形成化学键。
6.具有比工艺高至少500℃的高沸点。在一些实施方式中，材料具有至少2200℃的沸腾温度。
7.与熔融月壤的液态密度不同(更高或更低)。电解槽可被构造成既容纳较重的(位于原料下方)又容纳较轻的(位于熔融月壤上方)。固态月壤的密度为2.7g/cm3。
已经确定了符合一些要求的候选金属，例如银、金、铂、铑、钽和其他贵金属以及其合金将是可用的。
阳极可以是液态或至少部分液态。在一些实施例中，阳极存在于固相和液相之间的平衡中。在一些实施例中，固态被表征为晶体。在阳极包括铂和金的合金的实施例中，阳极可以金/铂颗粒的悬浮液存在于铂和金溶液中。
在优选实施例中，阳极材料应具有低成本和低重量以降低运输成本。
建议的电解槽结构
参考图3a，显示了电解槽30的一个实施方式，其功能类似于电池，阳极由比熔融月壤更轻的材料制成。坩埚31由耐腐蚀材料制成，而阴极32为固态，阳极33为液态，密度低于月壤。将月壤34加入坩埚中并加热至其熔点。铁(Fe0)35积聚在阴极32上并从梯度的下端离开电解槽。氧(O2(g))36从阳极33释放。废弃熔融月壤离开电解槽37，为新的原料腾出空间。
参考图3b，显示了电解槽30的第二实施方式。坩埚31由电阻材料制成，而阴极32为固态，阳极33为液态，密度高于月壤。将月壤34加入坩埚中并加热至其熔点。氧(O2(g))36从阳极33释放，铁(Fe0)35积聚在阴极32上并从电解槽的下端离开电解槽。废弃熔融月壤从电解槽37的下端离开电解槽，为新的原料腾出空间。
实验性研究
实施例1
参考图4(a，b)，显示电解槽包括由氮化硼(BN)圆柱体(直径5厘米，高度10厘米)构成的坩埚，由直径为1mm的钼(Mo)丝制成的阴极和由1mm的铱(Ir)丝制成的阳极。阴极和阳极相距10mm。使用的月球土壤是中佛罗里达大学制造的exolith(商标)LMS-1。电极插入保护性氧化铝管(直径为2mm)内进行热保护。导线的顶端插入坩埚表面上方1mm处，月球土壤模拟物覆盖顶端，并被添加至坩埚开口下方3mm处。首先，在真空条件下将烘箱加热至300℃，持续3小时，以使水分从月壤和坩埚中逸出。预处理结束后，以约15摄氏度/分钟加热烘箱，直到达到1600℃。当达到工作温度时，使用“solarton”稳压器激活电化学过程。激活-2伏至2伏的循环伏安法。烘箱(横跨1800)在Ar环境下运行，气体输出由质量流量计(AALBORG)和氧化锆氧传感器监测。
用电化学谱图可间接检测氧的释放和产生。图5显示了循环伏安扫描的结果，显示了熔融氧化物电导率的变化。负电荷氧离子在约0.25伏下氧化时，可观察到峰值。
实施例2
电解槽(根据4a、b所示)包括由氮化硼(BN)立方体(高度10厘米，直径5厘米)、钼(Mo)阴极(直径1毫米)和熔融银(Ag)阳极(进一步连接到钼集电器)构成的坩埚。
使用的月球土壤是中佛罗里达大学制造的exolith(商标)LMS-1。导线的顶端插入坩埚表面上方1mm处，月壤模拟物覆盖顶端，并添加至坩埚开口下方3mm处。首先在真空条件下将烘箱加热至300℃，持续3小时，以使水分从月壤和坩埚中逸出。预处理结束后，以约15摄氏度/分钟的速度加热烘箱，直到达到1600℃。当达到工作温度时，使用“solarton”稳压器激活电化学过程。激活-2伏至+2伏的循环伏安法。烘箱在Ar环境下运行，气体输出由质量流量计(AALBORG)和氧化锆氧传感器监测。
将20克月壤置于坩埚中，并进行-2至+2伏的电压扫描。
电化学过程在Ar惰性气体环境下进行。Ar用作阳极上正在产生氧的载气，并有助于快速提取氧，以防止其与不同成分发生化学反应。

Claims (24)

1.一种用于从月球土壤提取氧的电解槽，包括：
a、阴极；
b、阳极；
c、坩埚；
其中所述阳极部分为液态。
2.根据权利要求1所述的电解槽，其中所述坩埚由具有以下至少一项特征的材料构成：
a、高耐化学性，不与所述熔融月球土壤反应；
b、在高达2200℃的温度下不分解；
c、在高达2200℃的温度下不蒸发。
3.根据权利要求1所述的电解槽，其中所述坩埚由选自氧化锆、氧化铪、氮化硼、氮化硅、六硼化钽、硼化铪、氧化镁、碳化硅、氮化硅和二硼化锆的材料构成。
4.根据权利要求1所述的电解槽，其中所述坩埚还包括月球土壤固态(未熔化)层。
5.根据权利要求1所述的电解槽，其中所述阳极的特征在于以下至少一项：
a、至少0.8伏的还原电位；
b、在高达2200℃的温度下对氧是惰性的；
c、具有对熔融月壤的低渗透性；
d、不与熔融月壤形成乳液；
e、具有至少2200℃的沸点；
f、具有高于熔融月壤的液态密度；
g、具有低于所述熔融月壤的液态密度。
6.根据权利要求1所述的电解槽，其中所述阳极选自钯、铅、银、金、铂、钽或所述材料的合金。
7.根据权利要求1所述的电解槽，其中所述阳极的特征为液体、溶液、乳液或悬浮液。
8.根据权利要求1所述的电解槽，其中所述阴极选自钼、铂、铱、铑和铁。
9.根据权利要求1所述的电解槽，其中所述阴极的特征在于以下至少一项：
a、具有高电流密度；
b、具有表面积；
c、具有良好的电子传导性；
d、具有耐高温性；
e、具有与熔融月壤低反应性。
10.根据权利要求1所述的电解槽，还包括用于将所述电解槽加热至2000℃的系统。
11.根据权利要求1所述的电解槽，还包括用于收集和/或储存所述氧的装置。
12.根据权利要求1所述的电解槽，还包括移除用过的月球土壤的系统。
13.根据权利要求1所述的电解槽，还包括向所述电解槽添加所述月球土壤的系统。
14.根据权利要求1所述的电解槽，还包括用于加热所述月球土壤的系统。
15.根据权利要求1所述的电解槽，还包括用于产生电流的系统。
16.一种从月球土壤获得氧的方法，包括以下步骤：
a、获得电解槽，其包括：
i、阴极；
ii、阳极；
iii、坩埚；
b、向所述电解槽中添加月球土壤；
c、将所述月壤加热至所述月壤的熔点；
d、产生2-10伏的电流；
e、从所述阳极收集氧；
其中所述阳极的特征在于至少部分为液态。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述月球土壤的特征在于包含氧化铁。
18.根据权利要求15所述的方法，还包括移除用过的月球土壤的步骤。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述坩埚由具有以下至少一项特征的材料构成：
a、对所述熔融月球土壤的高耐化学性；
b、在高达2200℃的温度下不分解；
c、在高达2200℃的温度下不蒸发。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述阳极的特征在于以下特征中的至少一项：
a、至少0.8伏的还原电位；
b、在高达2000℃的温度下对氧是惰性的；
c、具有对熔融月壤的低渗透性；
d、不与熔融月壤形成乳液；
e、具有至少2200℃的沸点；
f、具有高于熔融月壤的液态密度；
g、具有低于所述熔融月壤的液态密度。
21.根据权利要求15所述的方法，其中所述阳极选自钯、铅、银、金、铂、钽或其合金的任意一种。
22.根据权利要求15所述的方法，其中所述阴极是过渡金属。
23.根据权利要求15所述的方法，其中所述阴极选自钼、铂、铱、铑和铁。
24.根据权利要求15所述的方法，其中所述阴极的特征在于以下特征中的至少一项：
a、具有高电流密度；
b、具有表面积；
c、具有良好的电子传导性；
d、具有耐高温性；
e、具有与熔融月壤低反应性。
CN202180029455.4A 2020-02-20 2021-04-20 基于液态阳极的熔融氧化物电解/从熔融氧化物电解制备氧 Pending CN115516114A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202062978873P 2020-02-20 2020-02-20
PCT/IL2021/050445 WO2021165974A1 (en) 2020-02-20 2021-04-20 Liquid anode based molten oxide electrolysis/ the production of oxygen from electrolysis of molten oxide

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115516114A true CN115516114A (zh) 2022-12-23

Family

ID=77391711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180029455.4A Pending CN115516114A (zh) 2020-02-20 2021-04-20 基于液态阳极的熔融氧化物电解/从熔融氧化物电解制备氧

Country Status (10)

Country Link
US (1) US20230078959A1 (zh)
EP (1) EP4107295A1 (zh)
JP (1) JP2023517841A (zh)
CN (1) CN115516114A (zh)
AU (1) AU2021223189A1 (zh)
BR (1) BR112022016631A2 (zh)
CA (1) CA3171660A1 (zh)
IL (1) IL295748B2 (zh)
LU (1) LU500767B1 (zh)
WO (1) WO2021165974A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114486434A (zh) * 2022-01-26 2022-05-13 中国科学院地质与地球物理研究所 一种提取月球氦-3资源的地面试验装置及方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4948477A (en) 1987-11-06 1990-08-14 Carbotek, Inc. Integrated lunar materials manufacturing process
US4997533A (en) 1989-08-07 1991-03-05 Board Of Control Of Michigan Technological University Process for the extracting oxygen and iron from iron oxide-containing ores
US5227032A (en) 1991-09-24 1993-07-13 The United State Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method for producing oxygen from lunar materials
AUPR443801A0 (en) * 2001-04-10 2001-05-17 Bhp Innovation Pty Ltd Removal of oxygen from metal oxides and solid metal solutions
US8658007B2 (en) * 2005-07-15 2014-02-25 The Trustees Of Boston University Oxygen-producing inert anodes for SOM process
WO2009055552A2 (en) 2007-10-23 2009-04-30 Packer Engineering, Inc. Oxygen extraction apparatus and process
US8764962B2 (en) 2010-08-23 2014-07-01 Massachusetts Institute Of Technology Extraction of liquid elements by electrolysis of oxides
GB2534332A (en) * 2014-06-26 2016-07-27 Metalysis Ltd Method and apparatus for producing metallic tantalum by electrolytic reduction of a feedstock
GB201411433D0 (en) * 2014-06-26 2014-08-13 Metalysis Ltd Method and apparatus for electrolytic reduction of a feedstock comprising oxygen and a first metal
FR3056713B1 (fr) 2016-09-27 2018-10-19 Centre Nat Rech Scient Four a induction tout metal a haute temperature, destine a fondre des echantillons de mineraux et/ou de roches pour l'extraction des gaz sous ultravide
US20180178292A1 (en) * 2016-12-22 2018-06-28 Pioneer Astronautics Novel Methods of Metals Processing

Also Published As

Publication number Publication date
EP4107295A1 (en) 2022-12-28
BR112022016631A2 (pt) 2023-01-10
IL295748B2 (en) 2023-11-01
US20230078959A1 (en) 2023-03-16
LU500767A1 (en) 2021-10-25
JP2023517841A (ja) 2023-04-27
IL295748A (en) 2022-10-01
IL295748B1 (en) 2023-07-01
WO2021165974A1 (en) 2021-08-26
CA3171660A1 (en) 2021-08-26
LU500767B1 (en) 2022-09-05
AU2021223189A1 (en) 2022-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103180487B (zh) 通过氧化物电解提取液态元素
Fray et al. Reduction of titanium and other metal oxides using electrodeoxidation
Fray Emerging molten salt technologies for metals production
US4338177A (en) Electrolytic cell for the production of aluminum
EP1337692B1 (en) Intermetallic compounds
US6723222B2 (en) Cu-Ni-Fe anodes having improved microstructure
AU2002215106A1 (en) Intermetallic compounds
US6692631B2 (en) Carbon containing Cu-Ni-Fe anodes for electrolysis of alumina
US20100288649A1 (en) Magnesiothermic som process for production of metals
CN115516114A (zh) 基于液态阳极的熔融氧化物电解/从熔融氧化物电解制备氧
EP3612654B1 (en) Production method for scandium metal and al-sc alloys via electrolysis of fluorinated scandium salts obtained by the calcination of scandium compound in the form of (nh4)2nascf6
Van Vuuren et al. Opportunities in the electrowinning of molten titanium from titanium dioxide
Hu et al. Advanced extractive electrometallurgy
US6146513A (en) Electrodes, electrolysis apparatus and methods using uranium-bearing ceramic electrodes, and methods of producing a metal from a metal compound dissolved in a molten salt, including the electrowinning of aluminum
US618575A (en) Oiqrneys

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination