CN115928155A - 一种钛硅合金的熔盐电解分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，属于熔盐电解技术领域。本发明以无水熔盐为电解质，钛硅合金为阳极，金属或合金为阴极，组成熔盐电解体系，其中熔盐为氯化物、氟化物、硝酸盐、碳酸盐的一种或多种；在惰性气氛下，匀速升温至温度高于电解质的初晶温度10~100℃并保温0.5~1h，使电解质完全溶解为熔融态，熔盐电解质中插入阴极与阳极，并控制阴极与阳极的极距，进行恒电流电解；取出阴极产物，经去离子水清洗除去残留的电解质得到从阳极钛硅合金分离的金属钛。本发明所用的熔盐电解质可以循环利用，电解分离过程不会产生废弃物，流程短成本低并且操作简单绿色环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，属于熔盐电解技术领域。
背景技术
目前，钒钛磁铁矿的利用主要是高炉炼铁的工艺，在高炉冶炼的过程中，铁和钒形成含钒铁水进而得到有效的提取，钛则形成二氧化钛并和二氧化硅等氧化物进入高炉渣被排放堆积，其二氧化钛（TiO2）的含量基本在 20-25wt%之间，这部分含钛高炉渣不容易被利用，堆放起来又污染环境，而通过现有技术下的热还原或者熔盐电解法脱氧提取钛，其中的硅更容易最先生成，并且硅与钛很容易形成金属间化合物，如TiSi、TiSi2和Ti5Si3等。因此，开发一种有效可行的分离钛硅合金的方法是实现含钛高炉渣废物利用有效提取钛的必由之路。
发明内容
本发明针对含钛高炉渣废物利用有效提取钛生成的硅与钛形成金属间化合物导致硅与钛难分离的问题，提供了一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，即以钛硅合金为阳极，选取合适的熔盐电解质通过熔盐电解的方法分离钛硅，在电解的过程中钛以离子的形态进入熔盐中，并于阴极处获得电子富集在阴极上，从而实现分离钛硅合金，达到有效提取钛的目的。
本发明的技术方案为将硅钛合金通过熔盐电解分离开来，其中熔盐电解将钛硅合金中钛元素以离子的形态进入熔盐中，并于阴极处获得电子并富集于阴极之上，而钛硅合金中的硅元素不容易进入熔盐体系，不会出现于阴极之上，从而已达到分离钛硅合金有效提取金属钛的目的。
一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，具体步骤如下：
（1）在真空或惰性气体氛围下，将电解质置于温度100~200℃下干燥去除电解质中水分得到无水熔盐，以无水熔盐为电解质，钛硅合金为阳极，金属或合金为阴极，组成熔盐电解体系，其中熔盐为氯化物、氟化物、硝酸盐、碳酸盐的一种或多种；
（2）在惰性气氛下，匀速升温至温度高于电解质的初晶温度10~100℃并保温0.5~1h，使电解质完全溶解为熔融态，熔盐电解质中插入阴极与阳极，并控制阴极与阳极的极距，进行恒电流电解；
（3）取出阴极产物，经去离子水清洗除去残留的电解质得到从阳极钛硅合金分离的金属钛。
所述步骤（1）中氯化物为氯化钠、氯化钾或氯化钙，氟化物为氟化钠、氟化钾或氟化钙，硝酸盐为硝酸钠、硝酸钾或硝酸钙，碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾或碳酸钙。
所述步骤（1）阳极钛硅合金中钛含量为19~74 wt.%。
所述步骤（1）阴极金属为钛、钨、钼或镍，阴极合金为哈氏合金或不锈钢。
所述步骤（2）阴极与阳极的极距为20~50mm。
所述步骤（2）阳极电流密度为0.1~0.5A/cm2，阴极电流密度为0.5~1.5A/cm2。
所述惰性气体为氩气或氦气。
钛硅合金的熔盐电解分离的反应原理：
总反应：Ti5Si35Ti+3Si
阳极反应：Ti5Si3－20 e－=5Ti4++3Si
阴极反应：5Ti4++20 e－=5Ti
本发明的有益效果是：
（1）本发明熔盐电解质体系可将钛硅合金中的钛元素选择性分离，即通过电解将钛离子扩散到电解质中，而硅元素不会被引入到电解质内，电解质可重复利用；
（2）本发明将钛以离子形态进入电解质，并且隔绝了其余杂质元素的进入，钛优先于阴极被还原，保证了分离提取后钛的纯度；
（3）本发明电解分离过程不会产生废弃物，流程短成本低并且操作简单绿色环保。
附图说明
图1为实施例1阴极产物XRD图谱。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，具体步骤如下：
（1）将氯化钠和氯化钾按照质量比为1:1的比例混合均匀，然后置于温度为100℃的真空条件下干燥脱除水分得到无水熔盐，将无水熔盐加入到石墨电解槽内作为电解液，以钛硅合金（钛含量60%）为阳极，金属钛为阴极；
（2）在惰性（氩气）气氛下，匀速升温至温度为700℃，即温度高于电解质的初晶温度43℃并保温0.5h使电解质完全溶解为熔融态，熔盐电解质中插入阴极与阳极，并控制阴极与阳极的极距为20mm，进行恒电流电解；其中阳极的电流密度为0.1A/cm2，阴极的电流密度为0.5 A/cm2，电解3h后关闭直流电源，将阴阳电极上升脱离熔盐电解质，降低炉温直至室温；
（3）取出阴极产物，经去离子水清洗除去残留的电解质得到从阳极钛硅合金分离的金属钛；
本实施例阴极产物的XRD图谱见图1，从图1可知， 阴极产物除电解质和金属钛相外并无金属硅相等其他杂质，钛硅分离效果较显著。
本实施例产物金属钛的纯度为99.94%，本方法分离钛硅合金可将金属钛相富集于阴极，分离隔绝了硅相，取得的阴极产物通过水洗可以将电解质除去获得较纯的金属钛相。
实施例2：一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，具体步骤如下：
（1）将氯化钠和氯化钾按照质量比为1:1的比例混合均匀，然后置于温度为100℃的真空条件下干燥脱除水分得到无水熔盐，将无水熔盐加入到刚玉电解槽内作为电解液，以钛硅合金（钛含量74%）为阳极，金属钼为阴极；
（2）在惰性（氩气）气氛下，匀速升温至温度为667℃，即温度高于电解质的初晶温度10℃并保温0.5h使电解质完全溶解为熔融态，熔盐电解质中插入阴极与阳极，并控制阴极与阳极的极距为30mm，进行恒电流电解；其中阳极的电流密度为0.3A/cm2，阴极的电流密度为1 A/cm2，电解3.5h后关闭直流电源，将阴阳电极上升脱离熔盐电解质，降低炉温直至室温；
（3）取出阴极产物，经去离子水清洗除去残留的电解质得到从阳极钛硅合金分离的金属钛；
本实施例产物金属钛的纯度为99.89%，本方法分离钛硅合金可将金属钛相富集于阴极，分离隔绝了硅相，取得的阴极产物通过水洗可以将电解质除去获得较纯的金属钛相。
实施例3：一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，具体步骤如下：
（1）将氯化钠和氯化钾按照质量比为1:1的比例混合均匀，然后置于温度为100℃的真空条件下干燥脱除水分得到无水熔盐，将无水熔盐加入到氮化硼电解槽内作为电解液，以钛硅合金（钛含量19%）为阳极，金属钨为阴极；
（2）在惰性（氩气）气氛下，匀速升温至温度为757℃，即温度高于电解质的初晶温度100℃并保温0.5h使电解质完全溶解为熔融态，熔盐电解质中插入阴极与阳极，并控制阴极与阳极的极距为50mm，进行恒电流电解；其中阳极的电流密度为0.5A/cm2，阴极的电流密度为1.5 A/cm2，电解4.0h后关闭直流电源，将阴阳电极上升脱离熔盐电解质，降低炉温直至室温；
（3）取出阴极产物，经去离子水清洗除去残留的电解质得到从阳极钛硅合金分离的金属钛；
本实施例产物金属钛的纯度为99.91%，本方法分离钛硅合金可将金属钛相富集于阴极，分离隔绝了硅相，取得的阴极产物通过水洗可以将电解质除去获得较纯的金属钛相。
实施例4：一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，具体步骤如下：
（1）将氯化钠和碳酸钠按照质量比为1:1.33的比例混合均匀，然后置于温度为100℃的真空条件下干燥脱除水分得到无水熔盐，将无水熔盐加入到刚玉电解槽内作为电解液，以钛硅合金（钛含量63%）为阳极，哈氏合金为阴极；
（2）在惰性（氩气）气氛下，匀速升温至温度为650℃，即温度高于电解质的初晶温度15℃并保温0.5h使电解质完全溶解为熔融态，熔盐电解质中插入阴极与阳极，并控制阴极与阳极的极距为30mm，进行恒电流电解；其中阳极的电流密度为0.1A/cm2，阴极的电流密度为0.5A/cm2，电解3.0h后关闭直流电源，将阴阳电极上升脱离熔盐电解质，降低炉温直至室温；
（3）取出阴极产物，经去离子水清洗除去残留的电解质得到从阳极钛硅合金分离的金属钛；
本实施例产物金属钛的纯度为99.95%，本方法分离钛硅合金可将金属钛相富集于阴极，分离隔绝了硅相，取得的阴极产物通过水洗可以将电解质除去获得较纯的金属钛相。
实施例5：一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，具体步骤如下：
（1）将氯化钠和碳酸钠按照质量比为1:1.33的比例混合均匀，然后置于温度为100℃的真空条件下干燥脱除水分得到无水熔盐，将无水熔盐加入到石墨电解槽内作为电解液，以钛硅合金（钛含量63%）为阳极，金属钼为阴极；
（2）在惰性（氩气）气氛下，匀速升温至温度为700℃，即温度高于电解质的初晶温度65℃并保温0.5h使电解质完全溶解为熔融态，熔盐电解质中插入阴极与阳极，并控制阴极与阳极的极距为50mm，进行恒电流电解；其中阳极的电流密度为0.5A/cm2，阴极的电流密度为2.5A/cm2，电解3.6h后关闭直流电源，将阴阳电极上升脱离熔盐电解质，降低炉温直至室温；
（3）取出阴极产物，经去离子水清洗除去残留的电解质得到从阳极钛硅合金分离的金属钛；
本实施例产物金属钛的纯度为99.96%，本方法分离钛硅合金可将金属钛相富集于阴极，分离隔绝了硅相，取得的阴极产物通过水洗可以将电解质除去获得较纯的金属钛相。
实施例6：一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，具体步骤如下：
（1）将氯化钠和硝酸钠按照质量比为1:20的比例混合均匀，然后置于温度为100℃的真空条件下干燥脱除水分得到无水熔盐，将无水熔盐加入到氮化硼电解槽内作为电解液，以钛硅合金（钛含量60%）为阳极，不锈钢为阴极；
（2）在惰性（氩气）气氛下，匀速升温至温度为306℃，即温度高于电解质的初晶温度10℃并保温0.5h使电解质完全溶解为熔融态，熔盐电解质中插入阴极与阳极，并控制阴极与阳极的极距为40mm，进行恒电流电解；其中阳极的电流密度为0.5A/cm2，阴极的电流密度为2.5A/cm2，电解4.5h后关闭直流电源，将阴阳电极上升脱离熔盐电解质，降低炉温直至室温；
（3）取出阴极产物，经去离子水清洗除去残留的电解质得到从阳极钛硅合金分离的金属钛；
本实施例产物金属钛的纯度为99.84%，本方法分离钛硅合金可将金属钛相富集于阴极，分离隔绝了硅相，取得的阴极产物通过水洗可以将电解质除去获得较纯的金属钛相。
实施例7：一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，具体步骤如下：
（1）将氯化钠和硝酸钠按照质量比为1:1.4的比例混合均匀，然后置于温度为100℃的真空条件下干燥脱除水分得到无水熔盐，将无水熔盐加入到石墨电解槽内作为电解液，以钛硅合金（钛含量63%）为阳极，金属钨为阴极；
（2）在惰性（氩气）气氛下，匀速升温至温度为600℃，即温度高于电解质的初晶温度10℃并保温0.5h使电解质完全溶解为熔融态，熔盐电解质中插入阴极与阳极，并控制阴极与阳极的极距为20mm，进行恒电流电解；其中阳极的电流密度为0.1A/cm2，阴极的电流密度为0.5A/cm2，电解4.0h后关闭直流电源，将阴阳电极上升脱离熔盐电解质，降低炉温直至室温；
（3）取出阴极产物，经去离子水清洗除去残留的电解质得到从阳极钛硅合金分离的金属钛；
本实施例产物金属钛的纯度为99.86%，本方法分离钛硅合金可将金属钛相富集于阴极，分离隔绝了硅相，取得的阴极产物通过水洗可以将电解质除去获得较纯的金属钛相。
以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (6)
1.一种钛硅合金的熔盐电解分离方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）以无水熔盐为电解质，钛硅合金为阳极，金属或合金为阴极，组成熔盐电解体系，其中熔盐为氯化物、氟化物、硝酸盐、碳酸盐的一种或多种；
（2）在惰性气氛下，匀速升温至温度高于电解质的初晶温度10~100℃并保温0.5~1h，使电解质完全溶解为熔融态，熔盐电解质中插入阴极与阳极，并控制阴极与阳极的极距，进行恒电流电解；
（3）取出阴极产物，经去离子水清洗除去残留的电解质得到从阳极钛硅合金分离的金属钛。
2.根据权利要求1所述钛硅合金的熔盐电解分离方法，其特征在于：步骤（1）中氯化物为氯化钠、氯化钾或氯化钙，氟化物为氟化钠、氟化钾或氟化钙，硝酸盐为硝酸钠、硝酸钾或硝酸钙，碳酸盐为碳酸钠、碳酸钾或碳酸钙。
3.根据权利要求1所述钛硅合金的熔盐电解分离方法，其特征在于：步骤（1）阳极钛硅合金中钛含量为19~74 wt.%。
4.根据权利要求1所述钛硅合金的熔盐电解分离方法，其特征在于：步骤（1）阴极金属为钛、钨、钼或镍，阴极合金为哈氏合金或不锈钢。
5.根据权利要求1所述钛硅合金的熔盐电解分离方法，其特征在于：步骤（2）阴极与阳极的极距为20~50mm。
6.根据权利要求1所述钛硅合金的熔盐电解分离方法，其特征在于：步骤（2）阳极电流密度为0.1~0.5A/cm2，阴极电流密度为0.5~1.5A/cm2。
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