NO340277B1 - A method of reducing a solid metal oxide in an electrolysis cell. - Google Patents

A method of reducing a solid metal oxide in an electrolysis cell. Download PDF

Info

Publication number
NO340277B1
NO340277B1 NO20043857A NO20043857A NO340277B1 NO 340277 B1 NO340277 B1 NO 340277B1 NO 20043857 A NO20043857 A NO 20043857A NO 20043857 A NO20043857 A NO 20043857A NO 340277 B1 NO340277 B1 NO 340277B1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
electrolyte
cell
voltage
metal oxide
anode
Prior art date
Application number
NO20043857A
Other languages
Norwegian (no)
Other versions
NO20043857L (en
Inventor
Les Strezov
Ivan Ratchev
Steve Osborn
Original Assignee
Metalysis 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
Priority claimed from AUPS1071A external-priority patent/AUPS107102A0/en
Priority claimed from AUPS3049A external-priority patent/AUPS304902A0/en
Application filed by Metalysis Ltd filed Critical Metalysis Ltd
Publication of NO20043857L publication Critical patent/NO20043857L/en
Publication of NO340277B1 publication Critical patent/NO340277B1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/005Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells of cells for the electrolysis of melts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00Obtaining refractory metals
    • C22B34/10Obtaining titanium, zirconium or hafnium
    • C22B34/12Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08
    • C22B34/129Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08 obtaining metallic titanium from titanium compounds by dissociation, e.g. thermic dissociation of titanium tetraiodide, or by electrolysis or with the use of an electric arc
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B5/00General methods of reducing to metals
    • C22B5/02Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/18Electrolytes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/26Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of titanium, zirconium, hafnium, tantalum or vanadium
    • C25C3/28Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of titanium, zirconium, hafnium, tantalum or vanadium of titanium

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)

Description

Fremgangsmåte for å redusere et metalloksid i en fast tilstand i en elektrolysecelle Method for reducing a metal oxide in a solid state in an electrolytic cell

Foreliggende oppfinnelse angår reduksjonen av metalloksider i en fast tilstand i en elektrolysecelle. The present invention relates to the reduction of metal oxides in a solid state in an electrolysis cell.

Oppfinnelsen ble foretatt under et pågående forskningsprosjekt på fast-tilstandsreduksjon av titania, titandioksid (Ti02), utført av foreliggende søkere. The invention was made during an ongoing research project on the solid-state reduction of titania, titanium dioxide (Ti02), carried out by the present applicants.

I løpet av forskningsprosjektet utførte søker forsøksarbeider på reduksjonen av titania ved bruk av en elektrolysecelle som inkluderte en gra-fittdigel som utgjorde en anode i cellen, en dam av smeltet CaCl2-basert elektrolytt i digelen, og et område av katoder som inkluderte fast titania . During the research project, the applicant carried out experimental work on the reduction of titania using an electrolysis cell that included a graphite crucible that formed an anode in the cell, a pool of molten CaCl2-based electrolyte in the crucible, and an area of cathodes that included solid titania.

Ett formål med forsøksarbeidet var å reprodusere de resultater som er rapportert i W099/64638 i navnet Cambridge University Technical Services Limited og i tekniske papirer publisert av oppfinnerne i denne interna-sjonale søknad. One purpose of the experimental work was to reproduce the results reported in W099/64638 in the name of Cambridge University Technical Services Limited and in technical papers published by the inventors in this international application.

Søknaden i navnet Cambridge International beskriver to potensielle anven-delser av en "oppdagelse" på området metallurgisk elektrokjemi. The application in the name of Cambridge International describes two potential applications of a "discovery" in the field of metallurgical electrochemistry.

Én anvendelse er den direkte produksjonen av et metall fra et metalloksid. One application is the direct production of a metal from a metal oxide.

Innenfor denne søknads kontekst er "oppdagelsen" den realisering at en elektrolysecelle kan benyttes for å ionisere oksygen inneholdt i et metalloksid slik at oksygenet oppløses i en elektrolytt. Søknaden i navnet Cambridge International beskriver at når en egnet spenning legges på en elektrolysecelle med et metalloksid som en katode, inntrer det en reak-sjon hvorved oksygen ioniseres og deretter er i stand til oppløsning i elektrolytten i cellen. Within the context of this application, the "discovery" is the realization that an electrolysis cell can be used to ionize oxygen contained in a metal oxide so that the oxygen dissolves in an electrolyte. The application in the name of Cambridge International describes that when a suitable voltage is applied to an electrolytic cell with a metal oxide as a cathode, a reaction occurs whereby oxygen is ionized and is then able to dissolve in the electrolyte in the cell.

EP 99955507.1 som er avledet fra søknaden i navnet Cambridge International, er godkjent av det europeiske patentverk, som patent EP1088113 Bl. De godkjente krav i den europeiske søknad definerer inter alia en metode for elektrolytisk å redusere et metalloksid (som titania) som inkluderer å drive en elektrolysecelle ved en spenning på en elektrode dannet av metalloksidet som er lavere enn avsetningspotensialet for kationer i elektrolytten på overflaten av elektroden. EP 99955507.1 which is derived from the application in the name of Cambridge International, has been approved by the European Patent Office, as patent EP1088113 Bl. The approved claims of the European application define inter alia a method of electrolytically reducing a metal oxide (such as titania) which includes operating an electrolytic cell at a voltage on an electrode formed by the metal oxide which is lower than the deposition potential of cations in the electrolyte on the surface of the electrode .

Den europeiske søknad i navnet Cambridge definerer ikke hva som menes med avsetningspotensiale og inkluderer ikke noen spesifikke eksempler som gir verdier på avsetningsspenningen for spesielle kationer. The European application in the name of Cambridge does not define what is meant by deposition potential and does not include any specific examples giving values of the deposition potential for particular cations.

Imidlertid indikerer innlegg av 2. oktober 2001 til EPO fra Cambridge patentfullmektigene, som lå foran inngivelsen av de krav som senere ble tillatt, at de antok at dekomponeringspotensialet for en elektrolytt er avsetningspotensialet for et kation i elektrolytten. However, submissions of 2 October 2001 to the EPO by the Cambridge patent attorneys, which preceded the filing of the later allowed claims, indicate that they assumed that the decomposition potential of an electrolyte is the deposition potential of a cation in the electrolyte.

Spesielt sies det på side 5 i innlegget at: In particular, it is said on page 5 of the post that:

" Den andre fordel som beskrevet ovenfor, oppnås delvis ved å gjennomføre den krevde oppfinnelse under dekomponeringsspenningen for elektrolytten. Hvis høyere spenninger benyttes vil, som angitt i Dl og D2, kationet i elektrolytten avsettes på metall- eller semimetallforbindelsen. I eksemp-let med Dl fører dette til kalsiumavsetning og derfor til forbruk av dette reaktive metall Under gjennomføring av metoden, blir det elektrolytiske kation ikke avsatt på katoden". ( Egen oversettelse." "The second advantage as described above is achieved in part by carrying out the claimed invention below the decomposition voltage of the electrolyte. If higher voltages are used, as indicated in D1 and D2, the cation in the electrolyte will be deposited on the metal or semi-metal compound. In the example of D1 this leads to calcium deposition and therefore to the consumption of this reactive metal. During the implementation of the method, the electrolytic cation is not deposited on the cathode". (Own translation."

I motsetning til funnene til Cambridge, har forsøksarbeider utført av foreliggende søkere fastslått at det er vesentlig at den elektrolytiske celle kjøres ved en spenning som ligger over den spenning ved hvilken Ca<++->kationer i elektrolytten kan avsettes som Ca-metall på katoden. Contrary to the findings of Cambridge, experimental work carried out by the present applicants has determined that it is essential that the electrolytic cell be operated at a voltage above the voltage at which Ca<++->cations in the electrolyte can be deposited as Ca metal on the cathode .

I henhold til dette tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å redusere et metalloksid i en fast tilstand i en elektrolysecelle, der elektrolysecellen inkluderer en anode, en katode dannet i det minste delvis av metalloksidet, og en smeltet elektrolytt som inkluderer kationer av kalsium (Ca<++>), der kalsium metall er i stand til kjemisk å redusere metalloksidet, hvor metalloksidet i en fast tilstand er nedsenket i elektrolytten, og hvilken fremgangsmåte inkluderer et trinn med å drive cellen ved en spenning som ligger over den spenning ved hvilken kalsium kationene (Ca<++>) avsettes som kalsium metall på katoden, hvorved kalsium metallet kjemisk reduserer metalloksidet. Accordingly, the present invention provides a method for reducing a metal oxide in a solid state in an electrolytic cell, wherein the electrolytic cell includes an anode, a cathode formed at least in part of the metal oxide, and a molten electrolyte that includes cations of calcium (Ca< ++>), wherein calcium metal is capable of chemically reducing the metal oxide, wherein the metal oxide is immersed in a solid state in the electrolyte, and which method includes a step of operating the cell at a voltage above the voltage at which the calcium cations (Ca<++>) is deposited as calcium metal on the cathode, whereby the calcium metal chemically reduces the metal oxide.

Foreliggende søkere kan ikke gi noen klar definisjon på elektro-lysecellemekanismen på det nåværende tidspunkt. Uten å ønske å være bun-det av noen spesiell teori vil man imidlertid forsøke ved de følgende kommentarer å skissere en mulig cellemekanisme. Present applicants cannot provide a clear definition of the electro-light cell mechanism at the present time. Without wishing to be bound by any particular theory, one will, however, attempt to outline a possible cell mechanism in the following comments.

De forsøksarbeider som er utført av søkerne ga tegn på at Ca-metall opp-løste seg i elektrolytten. Søkerne antar, i det minste under de tidlige arbeidstrinn i cellen, at Ca-metallet var resultatet av elektroavsetning av Ca<++->kationer, som Ca-metall på elektrisk ledende deler av katoden. The experimental work carried out by the applicants gave evidence that Ca metal dissolved in the electrolyte. Applicants hypothesize, at least during the early working stages of the cell, that the Ca metal was the result of electrodeposition of Ca<++->cations, as Ca metal on electrically conductive parts of the cathode.

Forsøksarbeidet ble utført ved bruk av en CaCl2-basert elektrolytt ved en cellespenning under dekomponeringsspenningen for CaCl2. Søkerne antyder at denne initialavsetning av Ca-metall på katoden skyldes nærvær av Ca<++->kationer og 0~~-anioner som stammet fra CaO i elektrolytten. Dekomponeringsspenningen for CaO er mindre enn dekomponeringsspenningen for CaCl2. The experimental work was carried out using a CaCl2-based electrolyte at a cell voltage below the decomposition voltage for CaCl2. Applicants suggest that this initial deposition of Ca metal on the cathode is due to the presence of Ca<++->cations and 0~~-anions which originated from CaO in the electrolyte. The decomposition voltage for CaO is less than the decomposition voltage for CaCl2.

I denne cellemekanisme er celleoperasjonen, i det minste under de tidlige trinn av den, avhengig av dekomponeringen av CaO med Ca<++->kationer migrerende til katoden og avsetning som Ca-metall og 0~~-anioner migrerende til anoden for der å danne CO og/eller CO2(i en situasjon der anoden er en grafittanode). In this cell mechanism, cell operation, at least during its early stages, depends on the decomposition of CaO with Ca<++->cations migrating to the cathode and deposition as Ca metal and 0~~-anions migrating to the anode to form CO and/or CO2 (in a situation where the anode is a graphite anode).

Søkerne antar at Ca-metallet som ble avsatt på elektrisk ledende deler av katoden ble avsatt overveiende i en separat fase i de tidlige trinn av celledriften og ble deretter oppløst i elektrolytten og migrerte til nær-heten av titania i katoden og deltok i den kjemiske reduksjon av titania. Applicants hypothesize that the Ca metal deposited on electrically conductive parts of the cathode was deposited predominantly in a separate phase in the early stages of cell operation and then dissolved in the electrolyte and migrated to the vicinity of titania in the cathode and participated in the chemical reduction of titania.

Søkerne antar også at ved senere trinn av celledriften ble en del av det Ca-metall som var avsatt på katoden, ansatt direkte på partielt deoksi-dert titan og deltok deretter i den kjemiske reduksjon av titan. The applicants also assume that at later stages of the cell operation, part of the Ca metal that had been deposited on the cathode was employed directly on partially deoxidized titanium and then participated in the chemical reduction of titanium.

Søker antar også at 0~~-anionene, når de først var trukket vekk fra det foreliggende titania, migrerte til anoden og reagerte med anodekarbon og ga CO og/eller CO2(og i enkelte tilfeller CaO) og friga elektroner som lettet elektrolytisk avsetning av Ca-metall på katoden. The applicant also assumes that the 0~~ anions, once pulled away from the titania present, migrated to the anode and reacted with anode carbon to give CO and/or CO2 (and in some cases CaO) and released electrons which facilitated electrolytic deposition of Ca metal on the cathode.

I en situasjon der metalloksidet er et titanoksid, som titania, er det foretrukket at elektrolytten er en CaCl2-basert elektrolytt som inkluderer CaO, som én av bestanddelene i elektrolytten. I denne kontekst skal det påpekes at oppfinnelsen ikke krever tilsetning av vesentlige mengder CaO til elektrolytten. In a situation where the metal oxide is a titanium oxide, such as titania, it is preferred that the electrolyte is a CaCl2-based electrolyte that includes CaO as one of the constituents of the electrolyte. In this context, it should be pointed out that the invention does not require the addition of significant amounts of CaO to the electrolyte.

I en slik situasjon er det foretrukket at cellespenningen ligger over den spenning ved hvilken Ca-metall kan avsettes på katoden, det vil si ved en spenning som er over avsetningsspenningen for CaO. In such a situation, it is preferred that the cell voltage is above the voltage at which Ca metal can be deposited on the cathode, that is to say at a voltage that is above the deposition voltage for CaO.

Dekomponeringsspenningen for CaO kan variere over et betydelig område avhengig av faktorer som sammensetningen av anoden, elektrolyttemperatu-ren og elektrolyttsammensetningen. The decomposition voltage for CaO can vary over a considerable range depending on factors such as the composition of the anode, the electrolyte temperature and the electrolyte composition.

I en celle inneholdende CaO-mettet CaCl2ved 1373 K (1100 °C) og en grafittanode, vil dette kreve en minimumscellespenning på 1,34 V. In a cell containing CaO-saturated CaCl2 at 1373 K (1100 °C) and a graphite anode, this would require a minimum cell voltage of 1.34 V.

Det er også foretrukket at cellespenningen er under den spenning ved hvilken Cl~-anioner kan avsettes på anoden og gi klorgass, det vil si dekomponeringsspenningen for CaCl2- It is also preferred that the cell voltage is below the voltage at which Cl~ anions can be deposited on the anode and give chlorine gas, i.e. the decomposition voltage for CaCl2-

I en celle inneholdende CaO-mettet CaCl2ved 1373 K (1100 °C) og en grafittanode, vil dette kreve at cellespenningen er mindre enn 3,5 V. In a cell containing CaO-saturated CaCl2 at 1373 K (1100 °C) and a graphite anode, this would require the cell voltage to be less than 3.5 V.

Dekomponeringsspenningen for CaCl2kan variere over et betydelig område avhengig av faktorer som sammensetningen av anoden, elektrolyttemperatu-ren og elektrolyttsammensetningen. The decomposition voltage for CaCl2 can vary over a considerable range depending on factors such as the composition of the anode, the electrolyte temperature and the electrolyte composition.

For eksempel dekomponerer et salt inneholdende 8 0 % CaCl2og 20 % KC1 ved en temperatur på 900K (657 °C), til Ca (metall) og CI2(gass) over 3,4 V og et salt inneholdende 100 % CaCl2ved 1373K (1100 °C), dekomponerer ved 3, 0 V. For example, a salt containing 80% CaCl2 and 20% KC1 at a temperature of 900K (657 °C) decomposes to Ca (metal) and CI2 (gas) above 3.4 V and a salt containing 100% CaCl2 at 1373K (1100 ° C), decomposes at 3.0 V.

Rent generelt er det i en celle inneholdende CaO-CaCl2-salt (ikke mettet) ved en temperatur i området 600-1100 °C og en grafittanode foretrukket at cellespenningen er mellom 1,3 og 3,5 V. Generally speaking, in a cell containing CaO-CaCl2 salt (not saturated) at a temperature in the range 600-1100 °C and a graphite anode, it is preferred that the cell voltage is between 1.3 and 3.5 V.

Den CaCl2-baserte elektrolytt kan være en kommersielt tilgjengelig kilde for CaCl2, som kalsiumkloriddihydrat, som partielt dekomponerer ved oppvarming og gir CaO eller ellers inkluderer CaO. The CaCl 2 -based electrolyte may be a commercially available source of CaCl 2 , such as calcium chloride dihydrate, which partially decomposes on heating to give CaO or otherwise includes CaO.

Alternativt, eller i tillegg, kan den CaCl2-baserte elektrolytt inkludere CaCl2og CaO som tilsettes separat eller blandet på forhånd for å danne elektrolytten. Alternatively, or in addition, the CaCl 2 -based electrolyte may include CaCl 2 and CaO added separately or premixed to form the electrolyte.

Det er foretrukket at anoden er grafitt eller en inert anode. It is preferred that the anode is graphite or an inert anode.

Søker har i forsøksarbeidene funnet at det var relativt signifikante mengder karbon som ble overført fra grafittanoden til elektrolytten og i mindre grad til titanet som ble produsert ved katoden under et vidt spektrum av celledriftsbetingelser. Søker has found in the experimental work that there were relatively significant amounts of carbon that were transferred from the graphite anode to the electrolyte and to a lesser extent to the titanium that was produced at the cathode under a wide range of cell operating conditions.

Karbon i titan kan være en uønsket kontaminant. I tillegg var karbonover-føringen delvis ansvarlig for lav energieffektivitet i cellen. Begge pro-blemer kunne vise seg å være signifikante barrierer mot kommersialisering av elektrolyttisk reduksjonsteknologi. Carbon in titanium can be an unwanted contaminant. In addition, the carbon transfer was partly responsible for low energy efficiency in the cell. Both problems could prove to be significant barriers to the commercialization of electrolytic reduction technology.

Søkeren har også funnet at den dominante mekanisme for karbonoverføringen er elektrokjemisk heller enn erosjon og at én måte for minimalisering av karbonoverføring og derved reduksjon av kontaminering av det titan som produseres ved katoden ved elektrokjemisk reduksjon av titania på, er å posisjonere en membran som er permeabel for oksygenanioner og er impermeabel for karbon i ioniske og ikke-ioniske former mellom katoden og anoden og derved forhindre migrering av karbon til katoden. The applicant has also found that the dominant mechanism for carbon transfer is electrochemical rather than erosion and that one way of minimizing carbon transfer and thereby reducing contamination of the titanium produced at the cathode by electrochemical reduction of titania is to position a membrane that is permeable for oxygen anions and is impermeable to carbon in ionic and non-ionic forms between the cathode and anode thereby preventing the migration of carbon to the cathode.

For i henhold til dette å minimalisere kontaminering av titan som frem-stilles ved katoden som et resultat av karbonoverføring, er det foretrukket at elektrolysecellen inkluderer en membran som er permeabel for oksygenanioner og er impermeabel for karbon i ioniske og ikke-ioniske former, posisjonert mellom katoden og anoden for derved å forhindre migrering av karbon til katoden. Accordingly, in order to minimize contamination of titanium produced at the cathode as a result of carbon transfer, it is preferred that the electrolytic cell includes a membrane permeable to oxygen anions and impermeable to carbon in ionic and non-ionic forms, positioned between the cathode and the anode thereby preventing the migration of carbon to the cathode.

Membranen kan tildannes av et hvilket som helst egnet materiale. The membrane can be formed from any suitable material.

Fortrinnsvis er membranen dannet av en fast elektrolytt. Preferably, the membrane is formed from a solid electrolyte.

Én fast elektrolytt som er testet av søker, er yttria(yttrium-oksid)stabilisert zirkonia (zirkoniumoksid). One solid electrolyte tested by applicant is yttria (yttrium oxide) stabilized zirconia (zirconium oxide).

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til det følgende eksempel. The invention will be explained in more detail with reference to the following example.

I. Forsøksmetode og elektrolysecelle I. Experimental method and electrolysis cell

Elektrolysecellen er vist i figur 1. The electrolysis cell is shown in Figure 1.

Under henvisning til figur 1 inkluderer den elektrokjemiske celle en gra-fittdigel utstyrt med et grafittlokk. Digelen ble benyttet som celleano-de. En rustfri stålstav ble benyttet for å sikre elektrisk kontakt mellom en likestrøms energikilde og digelen. Cellekatoden besto av Kanthal eller platinatråd forbundet i én ende med energitilførselen og Ti02-pellets hengt opp i den andre enden av tråden. Et aluminarør ble benyttet som en isolator rundt katoden. Celleelektrolytten var en kommersielt tilgjenge lig CaCl2-kilde, nemlig kalsiumkloriddihydrat, som delvis dekomponerte ved oppvarming ved driftstemperaturen for cellen og ga CaO. Et termopar var nedsenket i elektrolytten nær pelletene. Referring to Figure 1, the electrochemical cell includes a graphite crucible equipped with a graphite lid. The crucible was used as the cell anode. A stainless steel rod was used to ensure electrical contact between a direct current energy source and the crucible. The cell cathode consisted of Kanthal or platinum wire connected at one end to the energy supply and Ti02 pellets suspended at the other end of the wire. An alumina tube was used as an insulator around the cathode. The cell electrolyte was a commercially available source of CaCl 2 , namely calcium chloride dihydrate, which partially decomposed on heating at the operating temperature of the cell to give CaO. A thermocouple was immersed in the electrolyte near the pellets.

Det ble benyttet to typer pellets. Én type var slippstøpt og den andre type presset. Begge typer pellets var laget av Ti02-pulver av analytisk kvalitet. Begge typer pellets ble sintret i luft ved 850 °C. Én presset og én slippstøpt pellet ble benyttet i forsøket. Two types of pellets were used. One type was drop-cast and the other type pressed. Both types of pellets were made from TiO2 powder of analytical quality. Both types of pellets were sintered in air at 850 °C. One pressed and one drop-cast pellet was used in the experiment.

Cellen ble posisjonert i en ovn og forsøket gjennomført ved 950 °C. Spenninger opp til 3 V ble lagt på mellom digelveggen og Kanthal- eller pla-tinatråden. Spenningen på 3 V er under den spenning ved hvilken Cl~-anioner kan avsettes på anoden ved denne temperatur. I tillegg er 3 V-spenningen over dekomponeringsspenningen for CaO og under dekomponeringsspenningen for CaCl2. The cell was positioned in an oven and the experiment carried out at 950 °C. Voltages up to 3 V were applied between the crucible wall and the Kanthal or platinum wire. The voltage of 3 V is below the voltage at which Cl~ anions can be deposited on the anode at this temperature. In addition, the 3 V voltage is above the decomposition voltage for CaO and below the decomposition voltage for CaCl2.

Energitilførselen ble holdt ved konstant spenning under forsøket. Spenningen og den resulterende cellestrøm ble logget ved bruk av LabVTEW (TM) dataakkvisisjonsprogrammer. The energy supply was kept at a constant voltage during the experiment. The voltage and resulting cell current were logged using LabVTEW(TM) data acquisition programs.

Ved slutten av forsøket ble cellen fjernet fra ovnen og quenchet i vann. Det faste CaCl2ble oppløst i vann og de to pellets gjenvunnet. At the end of the experiment, the cell was removed from the oven and quenched in water. The solid CaCl2 was dissolved in water and the two pellets recovered.

II. Forsøksresultater II. Test results

Under henvisning til figurene 2 og 3 ga den konstante spenning (3 V) som ble benyttet i forsøket, en initialstrøm på rundt 1,2 A. Et kontinuerlig fall i strømmen ble observert i løpet av de første 2 timer. Etter dette ble det observert en gradvis økning av strømmen opp til 1 A. Referring to Figures 2 and 3, the constant voltage (3 V) used in the experiment gave an initial current of around 1.2 A. A continuous drop in the current was observed during the first 2 hours. After this, a gradual increase of the current up to 1 A was observed.

SEM-bilder av tverrsnittene av de to gjenvunne pellets er vist i Figurene 4 og 5. SEM-bildene indikerer nærværet av metallisk titan i begge pellets og fastslår derved at metoden med hell har redusert titania elektrokjemisk. SEM images of the cross-sections of the two recovered pellets are shown in Figures 4 and 5. The SEM images indicate the presence of metallic titanium in both pellets and thereby establish that the method has successfully reduced titania electrochemically.

Nærværet av så å si rent metallisk titan i begge pellets ble bekreftet ved EPMA-analyse. Analysen viste også arealer av partielt redusert titania. EPMA-resultatene er vist i figurene 6 og 7. The presence of virtually pure metallic titanium in both pellets was confirmed by EPMA analysis. The analysis also showed areas of partially reduced titania. The EPMA results are shown in Figures 6 and 7.

Karbon ble detektert ved forskjellige lokasjoner i disse pellets og inn-holdet varierte opp til 18 vektprosent. Carbon was detected at different locations in these pellets and the content varied up to 18% by weight.

Mens beskrivelsen ovenfor for eksempel fokuserer på reduksjon av titania er den ikke begrenset til denne forbindelse og gjelder også reduksjon av andre titanoksider og oksider av andre metaller og ligeringer. Eksempler på andre potensielt viktige metaller er aluminium, silisium, germanium, zirkonium, hafnium, magnesium og molybden. For example, while the above description focuses on the reduction of titania, it is not limited to this compound and also applies to the reduction of other titanium oxides and oxides of other metals and alloys. Examples of other potentially important metals are aluminium, silicon, germanium, zirconium, hafnium, magnesium and molybdenum.

Videre og mens beskrivelsen er fokusert på CaCl2-basert elektrolytt, er oppfinnelsen ikke begrenset til denne forbindelse og gjelder også enhver annen egnet elektrolytt (og blandinger av elektrolytter). Generelt vil egnede elektrolytter være salter og oksider som er oppløselige i salter. Ett eksempel på en potensielt egnet elektrolytt er BaCl2. Furthermore, while the description is focused on CaCl2-based electrolyte, the invention is not limited to this compound and also applies to any other suitable electrolyte (and mixtures of electrolytes). In general, suitable electrolytes will be salts and oxides which are soluble in salts. One example of a potentially suitable electrolyte is BaCl2.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for å redusere et metalloksid i en fast tilstand i en elektrolysecelle, der elektrolysecellen inkluderer en anode, en katode dannet i det minste delvis av metalloksidet, og en smeltet elektrolytt som inkluderer kationer av kalsium (Ca++) , der kalsium metall er i stand til kjemisk å redusere metalloksidet, hvor metalloksidet i en fast tilstand er nedsenket i elektrolytten,karakterisert vedat fremgangsmåten inkluderer et trinn med å drive cellen ved en spenning som er over den spenning ved hvilken kalsium kationene (Ca<++>) avsettes som kalsium metall på katoden, hvorved kalsium metallet kjemisk reduserer metalloksidet.1. Method for reducing a metal oxide in a solid state in an electrolytic cell, wherein the electrolytic cell includes an anode, a cathode formed at least in part of the metal oxide, and a molten electrolyte including cations of calcium (Ca++), wherein calcium metal is in capable of chemically reducing the metal oxide, where the metal oxide is immersed in a solid state in the electrolyte, characterized in that the method includes a step of operating the cell at a voltage that is above the voltage at which the calcium cations (Ca<++>) are deposited as calcium metal on the cathode, whereby the calcium metal chemically reduces the metal oxide. 2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat metalloksidet er et titanoksid, og at elektrolytten er en CaCl2-basert elektrolytt som inkluderer CaO som én av bestanddelene i elektrolytten.2. Method according to claim 1, characterized in that the metal oxide is a titanium oxide, and that the electrolyte is a CaCl2-based electrolyte which includes CaO as one of the constituents of the electrolyte. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 2,karakterisert vedat cellespenningen er under dekomponeringsspenningen for CaCl2for å minimalisere dannelse av Cl2-gass ved anoden.3. Method according to claim 2, characterized in that the cell voltage is below the decomposition voltage for CaCl2 in order to minimize formation of Cl2 gas at the anode. 4. Fremgangsmåte ifølge krav 2 eller 3,karakterisertved at cellespenningen er mindre enn eller lik 3,5 V i en celle som arbeider med elektrolytten ved 600-1100 °C.4. Method according to claim 2 or 3, characterized in that the cell voltage is less than or equal to 3.5 V in a cell that works with the electrolyte at 600-1100 °C. 5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 4,karakterisert vedat cellespenningen er minst 1,3 V i en celle som arbeider med elektrolytten ved 600-1100 °C.5. Method according to any one of claims 2 to 4, characterized in that the cell voltage is at least 1.3 V in a cell that works with the electrolyte at 600-1100 °C. 6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 5,karakterisert vedat den CaCl2-baserte elektrolytt er en kommersielt tilgjengelig CaCl2-kilde som danner CaO ved oppvarming eller ellers inkluderer CaO.6. Method according to any one of claims 2 to 5, characterized in that the CaCl2-based electrolyte is a commercially available CaCl2 source which forms CaO upon heating or otherwise includes CaO. 7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 6,karakterisert vedat den CaCl2-baserte elektrolytt inkluderer CaCl2og CaO som er tilsatt separat eller blandet på forhånd for å danne elektrolytten.7. A method according to any one of claims 2 to 6, characterized in that the CaCl 2 -based electrolyte includes CaCl 2 and CaO added separately or pre-mixed to form the electrolyte. 8. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat anoden er grafitt.8. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the anode is graphite. 9. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat anoden er grafitt og at elektrolysecellen inkluderer en membran som er permeabel for oksygenanioner og er impermeabel for karbon i ionisk og ikke-ionisk form, posisjonert mellom katoden og anoden for derved å forhindre migrering av karbon til katoden.9. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the anode is graphite and that the electrolysis cell includes a membrane that is permeable to oxygen anions and impermeable to carbon in ionic and non-ionic form, positioned between the cathode and the anode to thereby prevent the migration of carbon to the cathode.
NO20043857A 2002-03-13 2004-09-15 A method of reducing a solid metal oxide in an electrolysis cell. NO340277B1 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AUPS1071A AUPS107102A0 (en) 2002-03-13 2002-03-13 Electrolytic reduction of metal oxides
AUPS3049A AUPS304902A0 (en) 2002-06-19 2002-06-19 Reduction of metal oxides in an electrolytic cell
PCT/AU2003/000306 WO2003076690A1 (en) 2002-03-13 2003-03-13 Reduction of metal oxides in an electrolytic cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
NO20043857L NO20043857L (en) 2004-12-08
NO340277B1 true NO340277B1 (en) 2017-03-27

Family

ID=27805836

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20043857A NO340277B1 (en) 2002-03-13 2004-09-15 A method of reducing a solid metal oxide in an electrolysis cell.

Country Status (12)

Country Link
EP (2) EP2770086A3 (en)
JP (1) JP4658479B2 (en)
KR (2) KR20110025237A (en)
CN (1) CN1650051B (en)
BR (1) BR0308384B1 (en)
CA (1) CA2479048C (en)
EA (1) EA007046B1 (en)
MX (1) MXPA04008887A (en)
NO (1) NO340277B1 (en)
NZ (1) NZ531467A (en)
WO (1) WO2003076690A1 (en)
ZA (1) ZA200407434B (en)

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AUPS117002A0 (en) * 2002-03-13 2002-04-18 Bhp Billiton Innovation Pty Ltd Minimising carbon transfer in an electrolytic cell
GB0219640D0 (en) * 2002-08-23 2002-10-02 Univ Cambridge Tech Electrochemical method and apparatus
AU2002951962A0 (en) * 2002-10-09 2002-10-24 Bhp Billiton Innovation Pty Ltd Electrolytic reduction of metal oxides
AU2002952083A0 (en) * 2002-10-16 2002-10-31 Bhp Billiton Innovation Pty Ltd Minimising carbon transfer in an electrolytic cell
JP4502617B2 (en) * 2003-09-30 2010-07-14 日本軽金属株式会社 Metal oxide reduction method and metal oxide reduction apparatus
JP4513297B2 (en) * 2003-09-30 2010-07-28 日本軽金属株式会社 Metal oxide reduction method and metal oxide reduction apparatus
RU2006137273A (en) * 2004-03-22 2008-04-27 Би Эйч Пи БИЛЛИТОН ИННОВЕЙШН ПТИ ЛТД (AU) ELECTROCHEMICAL REDUCTION OF METAL OXIDES
JP2008504438A (en) * 2004-06-28 2008-02-14 ビーエイチピー ビリトン イノベーション プロプライアタリー リミテッド Titanium production
EA014138B1 (en) * 2005-08-01 2010-10-29 БиЭйчПи БИЛЛИТОН ИННОВЕЙШН ПТИ ЛТД. Electrochemical reduction of metal oxides
NO20062776L (en) * 2006-06-14 2007-12-17 Norsk Titanium Tech As Method, apparatus and means for producing material in a molten salt electrolyte
CN100532653C (en) * 2006-11-03 2009-08-26 西北有色金属研究院 Method for extracting titanium from electrolyzed molten salt
GB0714021D0 (en) * 2007-07-18 2007-08-29 Green Metals Ltd Improvements in anode materials
GB0902486D0 (en) * 2009-02-13 2009-04-01 Metalysis Ltd A method for producing metal powders
GB201010772D0 (en) * 2010-06-26 2010-08-11 Fray Derek J Method for texturing silicon surfaces
JP5902189B2 (en) 2010-11-18 2016-04-13 メタリシス リミテッド Electrolyzer
GB201019615D0 (en) 2010-11-18 2010-12-29 Metalysis Ltd Electrolysis apparatus and method
WO2012066299A1 (en) 2010-11-18 2012-05-24 Metalysis Limited Method and system for electrolytically reducing a solid feedstock
GB201102023D0 (en) 2011-02-04 2011-03-23 Metalysis Ltd Electrolysis method, apparatus and product
RU2466216C1 (en) * 2011-06-17 2012-11-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" Method for obtaining metallic titanium by means of electrolysis
EA030643B1 (en) 2011-10-04 2018-09-28 Металисиз Лимитед Electrolytic production of powder
GB201223375D0 (en) 2012-12-24 2013-02-06 Metalysis Ltd Method and apparatus for producing metal by electrolytic reduction
KR101526298B1 (en) * 2013-04-22 2015-06-10 서울대학교산학협력단 Method of manufacturing a titanium oxide electrode, system for generating oxidative reactive species, system for generating chlorine, dye-sensitized solar cell, and electric double-layer capacitor including the same
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
KR101740424B1 (en) 2015-08-18 2017-05-26 충남대학교산학협력단 Fabrication Method of metal titanium using Ilmenite ore
NL2015759B1 (en) 2015-11-10 2017-05-26 Stichting Energieonderzoek Centrum Nederland Additive manufacturing of metal objects.
AU2017220569B2 (en) * 2016-02-17 2022-06-23 Metalysis Limited Methods of making graphene materials
GB201615658D0 (en) 2016-09-14 2016-10-26 Metalysis Ltd Method of producing a composite material
GB201615659D0 (en) 2016-09-14 2016-10-26 Metalysis Ltd Method of producing a powder
GB201615660D0 (en) 2016-09-14 2016-10-26 Metalysis Ltd Method of producing a powder
NL2018890B1 (en) 2017-05-10 2018-11-15 Admatec Europe B V Additive manufacturing of metal objects
NL2021611B1 (en) 2018-09-12 2020-05-06 Admatec Europe B V Three-dimensional object and manufacturing method thereof
CN109763146B (en) * 2019-03-27 2021-03-26 贵州省过程工业技术研究中心 Preparation method of titanium-based composite material anode for aluminum electrolysis

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999064638A1 (en) * 1998-06-05 1999-12-16 Cambridge University Technical Services Limited Removal of oxygen from metal oxides and solid solutions by electrolysis in a fused salt

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS322357B1 (en) * 1954-12-29 1957-04-18
ITTO970080A1 (en) * 1997-02-04 1998-08-04 Marco Vincenzo Ginatta PROCEDURE FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION OF METALS
GB2359564B (en) * 2000-02-22 2004-09-29 Secr Defence Improvements in the electrolytic reduction of metal oxides
AUPR443801A0 (en) * 2001-04-10 2001-05-17 Bhp Innovation Pty Ltd Removal of oxygen from metal oxides and solid metal solutions
AUPR602901A0 (en) * 2001-06-29 2001-07-26 Bhp Innovation Pty Ltd Removal of oxygen from metals oxides and solid metal solutions
AUPR712101A0 (en) * 2001-08-16 2001-09-06 Bhp Innovation Pty Ltd Process for manufacture of titanium products
JP2003129268A (en) * 2001-10-17 2003-05-08 Katsutoshi Ono Method for smelting metallic titanium and smelter therefor

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999064638A1 (en) * 1998-06-05 1999-12-16 Cambridge University Technical Services Limited Removal of oxygen from metal oxides and solid solutions by electrolysis in a fused salt

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Chen Z.G:, et.al., Direct Elecetrochemical Reduction of Titanium Dioxide to Titanium in molten Calcium Chloride, Nature, vol 407, 21. Sept 2000, p 361-363., Dated: 01.01.0001 *

Also Published As

Publication number Publication date
MXPA04008887A (en) 2004-11-26
EA007046B1 (en) 2006-06-30
KR20110025237A (en) 2011-03-09
CA2479048C (en) 2012-07-10
KR101038701B1 (en) 2011-06-02
BR0308384A (en) 2005-01-25
JP2005520045A (en) 2005-07-07
CA2479048A1 (en) 2003-09-18
WO2003076690A1 (en) 2003-09-18
ZA200407434B (en) 2006-05-31
BR0308384B1 (en) 2014-02-04
EP1492905A1 (en) 2005-01-05
NZ531467A (en) 2007-06-29
EA200401203A1 (en) 2005-06-30
CN1650051A (en) 2005-08-03
NO20043857L (en) 2004-12-08
EP1492905A4 (en) 2006-06-28
JP4658479B2 (en) 2011-03-23
KR20040111408A (en) 2004-12-31
EP2770086A3 (en) 2014-10-29
CN1650051B (en) 2011-02-23
EP2770086A2 (en) 2014-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NO340277B1 (en) A method of reducing a solid metal oxide in an electrolysis cell.
US6663763B2 (en) Reduction of metal oxides in an electrolytic cell
Kilby et al. Current efficiency studies for graphite and SnO2-based anodes for the electro-deoxidation of metal oxides
Mohandas et al. FFC Cambridge process and removal of oxygen from metal-oxygen systems by molten salt electrolysis: an overview
JP4689773B2 (en) Metal extraction method and metal extraction apparatus
Jiao et al. Novel metallurgical process for titanium production
Jiao et al. Electrochemical dissolution behavior of conductive TiCxO1–x solid solutions
US20060191799A1 (en) Electrochemical reduction of metal oxides
US7628904B2 (en) Minimising carbon transfer in an electrolytic cell
JP2007016293A (en) Method for producing metal by suspension electrolysis
JP2004529266A (en) Metal extraction
Ferro et al. Application of ceramic membrane in molten salt electrolysis of CaO-CaCl2
JP2012136766A (en) Method for producing metal by electrolysis
EP1483431B1 (en) Minimising carbon transfer in an electrolytic cell
Kwon et al. Electroreduction of indium tin oxide in a CaF2–NaF–CaO molten salt at the solid oxide membrane anode system
AU2003209826B2 (en) Reduction of metal oxides in an electrolytic cell
AU2003209825A1 (en) Minimising carbon transfer in an electrolytic cell
Sandnes et al. Anode Processes on Carbon in Chloride Melts with Dissolved Oxides
AU2003269600A1 (en) Minimising carbon transfer in an electrolytic cell
AU2003266842A1 (en) Electrochemical reduction of metal oxides

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Lapsed by not paying the annual fees