CN1302994C

CN1302994C - 水氯镁石脱水—电解炼镁的方法

Info

Publication number: CN1302994C
Application number: CNB2005100282865A
Authority: CN
Inventors: 宋兴福; 李冰; 李小松; 汪瑾; 陈金钟; 刘江宁; 于建国
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-03-07
Anticipated expiration: 2025-07-29
Also published as: CN1736872A

Abstract

本发明涉及一种水氯镁石脱水，进而电解炼镁的方法。本发明采用改进的反应结晶耦合脱水技术，制备价格更加低廉的含1-2%氧化镁的无水氯化镁，通过添加氟化物(如MgF₂、LiF、NaF、CaF₂等)以及含有稀土氯化物(NdCl₃、LaCl₃等)的新电解质体系，有效增加MgO在复杂电解质体系中的溶解度，使含1—2%氧化镁的无水氯化镁可以作为镁电解的原料，基本消除MgO在电解过程中的负面影响，从而提高电解过程中的电流效率；另外随着氧化镁在电解质中溶解度增大，可以大大降低电解过程中的出渣率，减少电解质损失，降低电解镁成本。使用这种电解质，原料无水氯化镁中的氧化镁杂质可以高达3%，从而降低对水氯镁石脱水成本。

Description

水氯镁石脱水-电解炼镁的方法

技术领域

本发明涉及一种水氯镁石脱水，进而电解炼镁的方法，特别涉及盐湖生产中水氯镁石脱水制备无水氯化镁，无水氯化镁电解炼镁的方法。

技术背景

镁是21世纪“绿色环保材料”，以其优异的性能被广泛应用于航空航天、交通工具以及电子通信领域，引起了世界各国政府的高度重视，将镁合金列为21世纪材料研究与开发的重点，金属镁的生产引起了广泛的关注。

金属镁的提炼主要有熔盐电解法和金属热还原法两种工艺。电解法生产金属镁的优点是连续操作，通过电解槽的优化设计，可以扩大生产规模，同时对环境友好。除中国以外，其他国家金属镁的生产主要采用电解工艺，电解炼镁工艺的难点除了电解技术本身以外，一个重要的问题是电解原料的制备技术，可以说氯化镁电解炼镁工艺主要有原料制备技术-水合氯化镁脱水技术和电解技术两部分组成，目前我国电解炼镁工艺几乎为零，制约镁电解发展的主要原因在于没有合适的氯化镁脱水技术，因而不能为镁电解提供合格的原料。综观国内外水氯镁石脱水-电解炼镁的工艺主要有：

第一种脱水-电解炼镁的方法是部分脱水-电解炼镁工艺，部分脱水-电解工艺以美国道屋化学公司镁厂为代表，以含氯化镁海水为原料，制备含20％~25％水的氯化镁颗粒料，直接加入了有天然气外加热的道屋型电解槽。这种方法避开氯化镁水合物彻底脱工艺难题，但该法电耗高，渣量大，石墨阳极消耗多，并且需要补充氯气。

另一种脱水-电解炼镁的方法是完全脱水-电解炼镁工艺，原料水氯镁石完全脱水-电解炼镁技术，由于脱水技术的不同而有所不同，专利ZL01126495.0中对水氯镁石国内外的脱水技术进行了全面的综述，主要包括：(一)氯化氢保护气氛下脱水方法，早在20世纪50年代就开始了。印度、日本、法国、苏联和挪威都进行过试验，发表过很多专利。我国中南矿冶学院、贵阳铝镁设计院、汕头电化厂等单位于20世纪70年代对脱水过程及氯化氢的回收进行过实验研究和扩大试验，但终因设备腐蚀严重等问题未能工业化。将HCl保护气氛下脱水的方法成功用于工业生产的只有挪威海德鲁公司，但工艺较为复杂。HCl系统的设备防腐要求较高。(二)复盐法脱水方法，该技术基于通过加入某些盐，与水氯镁石形成复盐，复盐在加热条件下进行脱水，大大降低氯化镁的水解。目前研究最多的是钾光卤石和铵光卤石法。钾光卤石脱水电解工艺主要在前苏联采用，此工艺特点是较好解决了氯化镁水合物彻底脱水难题，复盐结构钾光卤石，易脱水，少水解，但工艺流程长，物料量大，氯化镁浓度低(仅为50％左右)，生产过程中物料消耗大。铵光卤石脱水法在中国浙江宁波梅山盐场和郑州轻金属研究院曾进行过铵光卤石脱水的半工业试验。苏联、美国道乌化学公司、凯撤铝业公司均进行过铵光卤石脱水的试验研究，产生过不少专利、但均未将该法用于生产，一个重要的因素在于氯化铵的回收问题未能解决。(三)反应结晶耦合脱水-电解工艺，ZL01126495.0专利公布了一种采用混合有机醇为反应介质的反应结晶脱水技术，所制备的无水氯化镁达到电解炼镁要求。

就电解炼镁工艺本身，综观国外电解炼镁的发展历史和现状，镁电解的发展方向之一是优化电解质配方提高电流效率，降低镁电解的电能消耗，从而降低镁电解的成本，目前国内外镁电解电解质体系主要有三种组成：(1)NaCl-KCl-MgCl₂三元电解质体系；(2)NaCl-KCl-MgCl₂-CaCl₂四元电解质体系；(3)NaCl-KCl-MgCl₂-BaCl₂四元电解质体系。其中电解质组成通常为MgCl₂7％～15％，KCl为1～10％，NaCl为40～50％，CaCl₂或BaCl₂为30％～35％。其中的氯化镁为高纯无水氯化镁，对氧化镁的含量有严格要求，即小于0.5％。因为氧化镁在电解质中的溶解度极低，如果氧化镁含量大于0.5％，对电解过程影响很大，不溶解的氧化镁以漂浮状态存在，在电解过程中引起电解质沸腾，电流效率严重下降，电解炉渣量很大，电解质消耗严重，能耗高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明需要解决的技术问题是通过提供一种新型炼镁电解质配方，增加电解质体系对氧化镁的溶解度，从而降低电解炼镁对原料中水和氧化镁含量的要求，从而提供一种生产成本低廉，生产控制难度低的水氯镁石脱水-电解炼镁的新方法。

本发明的构思是这样的，采用改进的反应结晶耦合脱水技术，制备价格更加低廉的含1-2％氧化镁的无水氯化镁，通过添加氟化物(如MgF₂、LiF、NaF、CaF₂等)以及含有稀土氯化物(NdCl₃、LaCl₃等)的新电解质体系，有效增加MgO在复杂电解质体系中的溶解度，使含1-2％氧化镁的无水氯化镁可以作为镁电解的原料，基本消除MgO在电解过程中的负面影响，从而提高电解过程中的电流效率；另外随着氧化镁在电解质中溶解度增大，可以大大降低电解过程中的出渣率，减少电解质损失，降低电解镁成本。使用这种电解质，原料无水氯化镁中的氧化镁杂质可以高达3％，从而降低对水氯镁石脱水成本。

本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)有机水合氯化镁溶液的配制：将水氯镁石和氯化铵溶解于有机溶剂中；其中：溶液中氯化镁的重量百分含量为8～20％，氯化铵的含量为1～3％；

采用的有机溶剂为C1～C4的低碳醇，其中各组分的重量百分比范围为：1碳：10～90％；2碳：5～80％；3碳：0～20％；4碳：0～10％；

有机溶剂优选为甲醇、乙醇、或乙二醇中的两种或两种以上的混合物；

(2)电解炼镁电解质的制备：在主要成分为NaCl-KCl-MgCl₂-CaCl₂的电解质中添加氟化物以及含有稀土的氯化物；

其中，所述电解质的组成以重量百分比记为：NaCl：20～40，KCl：10～30，MgCl₂：7～15，CaCl₂：20-30，氟化物：2～6，稀土氯化物：3～5；

氟化物为选自MgF₂、LiF、NaF、CaF₂一种或几种混合物；

稀土氯化物为选自NdCl₃、LaCl₃一种或几种混合物；

(3)反应结晶耦合法制备六氨氯化镁：将步骤1)制得的有机水合氯化镁溶液，加入沉淀剂，保证沉淀剂始终处于饱和或过量状态；反应温度控制在-5～40℃，流体的平均停留时间为0.2～1小时，得到六氨氯化镁晶体；采用的沉淀剂包括液氨或氨气；在反应结晶过程中温度保持不变；其中，反应温度优选10～30℃；

(4)六氨氯化镁晶体经固液分离与洗涤，得到六氨氯化镁；

(5)六氨氯化镁熔融脱氨制备熔融无水氯化镁：对步骤4)制得的六氨氯化镁进行热处理，热处理温度为120～140℃，干燥时间0.5～2小时，脱除残余的有机溶剂；再升温熔融焙烧，脱除络合的氨，熔融焙烧温度为715～800℃，焙烧时间为1～3小时，即可得到可供电解用的熔融无水氯化镁；

(6)熔融无水氯化镁电解炼镁：将步骤2)制得的电解炼镁电解质加热到熔融状态，在电解过程中再加入步骤(5)所述的无水氯化镁、步骤(2)所述的氟化物和步骤(2)所述的稀土氯化物电解质，得到熔融金属镁；将其进行净化，提高金属镁的纯度；

(7)结晶母液和氨脱水的循环使用：回收结晶母液和氨及有机溶剂循环使用。有益效果

本发明具有显著的优点，(1)采用改进的反应结晶耦合技术，反应结晶制备的六氨氯化镁有机溶剂循环使用，对水分离要求较低，有机溶剂达到98％以上即可，有机溶剂回收成本大幅度降低，使无水氯化镁的生产成本下降10％～15％；(2)新的电解质配方对氧化镁溶解度大，炉渣率小，同时避免和减低了氧化镁杂质对电解过程的影响；(3)它的导电率较高，初晶温度变化不大，电流效率高，能耗较低，适用范围广，可适用于不同槽型，各种技术条件和各种加料方式的电解镁生产上。

附图说明

图1为水氯镁石脱水-电解炼镁的工艺流程图

其中：1溶解槽，2反应结晶器，3固液分离器，4有机溶剂和沉淀剂回收塔，5洗涤器，6旋转干燥煅烧炉，7电解槽

下面通过附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述，但并不限制本发明的保护范围。

在图1中，含水氯化镁原料与两种或两种以上有机低碳组成的有机溶剂在溶解槽1中溶解，按比例，有机氯化镁溶液在反应结晶器2中与沉淀剂氨进行反应结晶，生产六氨氯化镁晶体，经固液分离器3分离，滤液经过回收器分离，回收有机溶剂和沉淀剂氨，循环使用，水和其它杂质排放；六氨氯化镁在洗涤器3用沉淀剂氨饱和有机溶剂洗涤后，在干燥煅烧炉5脱氨得到无水氯化镁和氨，沉淀剂氨循环使用；无水氯化镁在电解槽7与配制的电解质混合电解，得到金属镁和氯气。

具体实施方式

(1)有机水和氯化镁溶液的配置：

根据水氯镁石的理化性质，将水氯镁石和氯化铵在溶解槽1中溶解于有机溶剂中，溶液中氯化镁的重量百分含量为8～20％，氯化铵的含量为1～3％，采用的有机溶剂为C1～C4的低碳醇，其重量百分比组成范围为：1碳：10～90％；2碳：5～80％；3碳：0～20％；4碳：0～10％；优选的为甲醇、乙醇、或乙二醇中的两种或两种以上的混合物

(2)电解炼镁电解质的制备；

其主要成分仍为：NaCl-KCl-MgCl₂-CaCl₂，在电解质中添加氟化物(如MgF₂、LiF、NaF、CaF₂等)以及含有稀土氯化物(如NdCl₃、LaCl₃等)，有效增加MgO在复杂电解质体系中的溶解度。其中所述电解质的组成以重量百分比记为：

NaCl：20～40，KCl：10～30，MgCl₂：7～15，CaCl₂：20～30，氟化物：2～6，稀土氯化物：3～5。

其中氟化物选自MgF₂、LiF、NaF、CaF₂一种或几种混合物。

其中稀土氯化物选自NdCl₃、LaCl₃一种或几种混合物。

新电解质的理化指标：电导率：2.2-2.87欧姆-1.厘米-1，表面张力：0.09～0.14N/m，密度：1.5～1.67g/cm3，初晶温度：550～652℃。

(3)反应结晶耦合制备六氨氯化镁

在搅拌条件下，在结晶器2中加入步骤1)的有机水合氯化镁溶液，按比例加入沉淀剂氨，以保证沉淀剂始终处于饱和或过量状态，沉淀剂来自回收塔4和旋转干燥煅烧炉6，在反应过程还可以加入来自洗涤器5中的六氨氯化镁晶体的洗涤液，同时反应温度控制在-5～40℃，以10～30℃为最佳，流体的平均停留时间为0.2～1小时，得到一定颗粒大小和分布的晶体即六氨氯化镁；采用的沉淀剂包括液氨或氨气等；在反应结晶过程中温度基本保持不变。

上述操作过程可以是连续过程的，也可以是间歇过程的，间歇过程则要求连续操作物料配备加入物料，加料结束后，反应结晶过程需要熟化、重结晶0.5～1.5小时。

(4)固液分离

将结晶器2中的混合物在分离器3中过滤，滤饼送入洗涤器5，用经沉淀剂饱和的有机溶剂进行洗涤，获得六氨氯化镁；

含有六氨氯化镁晶种和氨饱和的有机溶剂的洗涤液送回结晶器2循环使用；结晶母液送往回收塔4，对结晶母液进行精馏分离，氨和有机溶剂直接循环使用，塔釜氯化镁有机溶液则可送回结晶器2循环使用；

(5)六氨氯化镁熔融脱氨制备熔融无水氯化镁；

在旋转炉6中对无水氯化镁络合物进行热处理，热处理温度在120～140℃下干燥0.5～2小时，脱除残余的有机溶剂，再升温熔融焙烧，脱除络合的氨，熔融焙烧温度为715～800℃，焙烧时间为1～3小时，即可得到可供电解用的熔融无水氯化镁，无水氯化镁的含水量低于0.2％，氧化镁含量低于2％。被脱除残余的有机溶剂和氨进入反应结晶器2回收。

(6)熔融无水氯化镁电解炼镁

将步骤(2)制备的电解炼镁电解质放入耐火砖砌筑(或石墨加工)的密闭电解槽中，采用无隔板电解槽，以铸钢为阴极，石墨为阳极，并将阴极和阳极放入电解槽，采用电加热将电解质加热到熔融状态。通入外加电源进行电解，在电解过程中每间隔一定时间加入无水氯化镁、氟化物和稀土氯化物等电解质，在电解过程中加入无水氯化镁，氟化物和稀土氯化物电解质，以保证电解质的组成在下述范围：无水氯化镁：7～15％，氟化物：2～6％，稀土氯化物：3～5％，NaCl：20～40％，KCl：10～30％，CaCl2：20～30％。取出熔融金属镁，对阳极产生的氯气进行回收或采用吸收方法进行处理。定时取出电解槽底的槽渣。

将从电解槽取出的熔融金属镁进行净化，提高金属镁的纯度。在镁电解过程中，电流效率：90～92％，电能消耗：11.9～12.9KWh/kgMg，电解镁的纯度：99.8％

(7)结晶母液和氨脱水循环使用

采用传统的精溜技术，回收结晶母液和氨，回收氨进入反应结晶器2，回收有机溶剂进入溶解槽1。

本发明有机溶剂循环使用，其中的回收有机溶剂的含量达98％即可满足要求；较以前专利回收能耗降低15～20％。

该发明要求的原料六水氯化镁不是必须的，其氯化镁的结晶水低于6时同样适用，对含氯化镁在30％以上的氯化镁溶液也同样适用。

实施例一：

在5升的反应器中，以3升/小时的速度加入己配制好的氯化镁有机溶液3500克，其中含氯化镁10％，，水11.7％，氯化铵1.0％，甲醇45％％，乙二醇32.7％；在常温及搅拌条件下，以0.8m3/h的速度通入沉淀剂氨气，进料结束后，继续搅拌熟化、重结晶1小时，将淤浆状料液过滤，用氨饱和的100克甲醇和20克乙醇的混合液洗涤，固体产品经隔绝空气在120℃干燥1.2小时，在760℃熔融脱氨1.2小时无水氯化镁，该熔融无水氯化镁可供电解用，其中水份含量小于0.3％，氧化镁含量1.4％，氯化镁的产率为89.3％。

在无隔板的电解槽中加入电解质2000克，其组成NaCl：34％，KCl：20％，MgCl₂：15％，CaCl₂：22％，CaF₂：3％，NaF：3％，NdCl₃：3％。该电解质电导率：2.86S/m，MgO在该电解质中的溶解度为1.60g/100。，电解电流30安培，槽电压5.1V，极距7cm。电流效率为：90.8％，电耗：12.5KWh/Kg-Mg，镁的纯度：99.8％。

实施例二：

无水氯化镁的制备方法同实施例1。

在无隔板槽中的电解槽中加入电解质2500克，其组成NaCl：45％，KCl：10％，MgCl₂：12％，CaCl₂：25％，MgF₂：3％，CaF₂：2％，NdCl₃：3％，。该电解质电导率：3.02S/m，MgO在该电解质的溶解度为1.70g/100g，采用电解电压4.9V，电解电流40安培，极距8cm。电流效率为：91.2％，电耗：12.1kWh/Kg-Mg，镁的纯度：99.9％。

实施例三：

采用实施例1中结晶母液精溜回收的含量为98％有机溶剂为原料，配制氯化镁有机溶液，其中含氯化镁9.2％，水14.4％，氯化铵1.2％，甲醇43.5％，乙二醇31.9％；在5升的反应器中，以3升/小时的速度加入上升己配制好的氯化镁有机溶液，在常温及搅拌条件下，以0.8m³/h的速度通入沉淀剂氨气，连续进料，连续出料，将淤浆状料液过滤，用氨饱和的100克甲醇和20克乙醇的混合液洗涤，固体产品经隔绝空气在140℃干燥0.6小时，在730℃熔融脱氨2小时可得熔融无水氯化镁，该熔融无水氯化镁可供电解用，其中水份含量小于0.35％，氧化镁含量2％，氯化镁的产率为87.5％。

在无隔板的电解槽中加入电解质2000克，电解质组成：NaCl：30％，KCl：17％，MgCl₂：15％，CaCl₂：30％，NaF：5％，LaCl₃：3％。MgO在该电解质中的溶解度为1.68g/100g，电导率：2.85S/m。电解电流30安培，极距7cm，槽电压5.1V，电流效率：91.5％，电能消耗：12.3kWh/Kg-Mg，镁的纯度：99.8％。

实施例四

无水氯化镁的制备方法同实施例1。

采用无隔板电解槽，电解质组成为NaCl：35％，KCl：20％，MgCl2：10％，CaCl₂：28％，NaF：3％，NdCl₃：1％，LaCl₃：2％。电解质用量2000克，MgO在该电解质中的溶解度为1.16g/100g，电导率：2.90S/m。电解电流为40安培，极距7cm，槽电压为4.9V，电流效率为：91％，电耗：11.9kWh/Kg-Mg。

实施例五：

无水氯化镁的制备方法同实施例3。

采用无隔板电解槽，电解质总量为3000克，电解质组成：NaCl：25％，KCl：22％，MgCl2：15％，CaCl₂：30％，CaF₂：3％，MgF₂：2％，LaCl₃：3％，MgO在该电解质中的溶解度为1.7g/100g，电导率：2.76S/m。电解电流为40安培，极距为10厘米，槽电压5.2V，电流效率：90％，电能消耗：12.8kWh/Kg-Mg。

实施例六：

无水氯化镁的制备方法同实施例3。

采用无隔板电解槽，电解质总量为2000克，电解质组成：NaCl：40％，KCl：20％，MgCl2：12％，CaCl₂：20％。LiF：3％，LaCl₃：3％，NdCl₃：2％。MgO在该电解质中的溶解度为1.8g/100g，电导率：2.95S/m。电解电流40安培，极距8厘米，槽电压5.0V，电流效率：92％，电能消耗：12.0kWh/Kg-Mg。

Claims

1、一种水氯镁石脱水-电解炼镁的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

(1)有机水合氯化镁溶液的配制：将水氯镁石和氯化铵溶解于有机溶剂中；

其中：溶液中氯化镁的重量百分含量为8～20％，氯化铵的含量为1～3％；

采用的有机溶剂为C1～C4的低碳醇，其中各组分占低碳醇的重量百分比范围为：C1：10～90％；C2：5～80％；C3：0～20％；C4：0～10％；

其中，所述电解质的组成以重量百分比记为：NaCl：20～40，KCl：10～30，MgCl₂：7～15，CaCl₂：20～30，氟化物：2～6，稀土氯化物：3～5；

氟化物为选自MgF₂、LiF、NaF、CaF中的一种或几种混合物；

稀土氯化物为选自NdCl₃、LaCl₃中的一种或几种混合物；

(3)反应结晶耦合法制备六氨氯化镁：将步骤(1)制得的有机水合氯化镁溶液，加入沉淀剂，保证沉淀剂始终处于饱和或过量状态；反应温度控制在-5～40℃，流体的平均停留时间为0.2～1小时，得到六氨氯化镁晶体；采用的沉淀剂包括液氨或氨气；在反应结晶过程中温度保持不变；

(4)六氨氯化镁晶体经固液分离与洗涤，得到六氨氯化镁；

(5)六氨氯化镁熔融脱氨制备熔融无水氯化镁：对步骤(4)制得的六氨氯化镁进行热处理，热处理温度为120～140℃，干燥时间0.5～2小时，脱除残余的有机溶剂；再升温熔融焙烧，脱除络合的氨，熔融焙烧温度为715-800℃，焙烧时间为1-3小时，即得到可供电解用的熔融无水氯化镁；

(6)熔融无水氯化镁电解炼镁：将步骤(2)所制备的电解炼镁电解质加热到熔融状态，在电解过程中再加入步骤(5)中所述的无水氯化镁、步骤(2)中所述的氟化物和步骤(2)中所述的稀土氯化物电解质，得到熔融金属镁；将其进行净化，提高金属镁的纯度；

(7)结晶母液和氨脱水的循环使用：回收结晶母液和氨及有机溶剂循环使用。

2、如权利要求1所述的水氯镁石脱水-电解炼镁的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，采用的有机溶剂为甲醇、乙醇、乙二醇中的两种或两种以上的混合物。

3、如权利要求1所述的水氯镁石脱水-电解炼镁的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中反应温度为10～30℃。

4、如权利要求1所述的水氯镁石脱水-电解炼镁的方法，其特征在于，所述的步骤(6)中，在电解过程中加入步骤(5)中所述的无水氯化镁、步骤(2)中所述的氟化物和步骤(2)中所述的稀土氯化物电解质，以保证电解质的组成在下述范围：无水氯化镁：7～15％，氟化物：2～6％，稀土氯化物：3～5％，NaCl：20～40％，KCl：10～30％，CaCl₂：20～30％。