一种金属钙热还原一步制备高纯铷的方法技术

本发明专利技术公开了一种金属钙热还原一步制备高纯铷的方法，本发明专利技术采用纯度大于95％的金属钙颗粒和纯度为98.0～99.9％的氯化铷粉末为原料，首先将金属钙颗粒与氯化铷粉末混合，采用不锈钢作为容器，置于卧式卧式真空电炉中惰性气氛下加热至842℃～1390℃，进行热还原置换反应，通过被加热的直通式管道在真空抽力下将金属铷蒸汽引导至冷凝部位，冷凝成液滴后流入收集器中，得到的液态金属铷的纯度可达99.50～99.99％。本发明专利技术提供一种采用还原性金属一步加热法制备高纯铷的工艺，无需多次加热还原、电解、蒸馏等复杂工序，具有提纯过程简单易行、成本低、绿色无污染、安全可靠的优点，适用于连续式工业化。与现有技术相比，具有更好的实用性和工业化优势。

【技术实现步骤摘要】
一种金属钙热还原一步制备高纯铷的方法
本专利技术属于金属提纯领域，具体为一种以金属钙颗粒和氯化铷粉末为原料，采用一步加热还原制备高纯铷的方法。
技术介绍
由于铷具有独特的性能，使得其用途广泛，且在国民经济中占重要地位，无论是在传统领域，还是在新的应用领域都发挥着重要的作用，特别是在高科技领域中的作用愈专利技术显。在传统领域中，如催化剂、特种玻璃、电子器件、生物材料等领域，近几年有较大的发展。在新领域中，如铷原子钟、磁流体发电、能源等领域，更是展现出了强劲的生命力。目前，发达国家中，铷用于高新领域的占比达到80％，铷用于传统领域占比为20％。铷是制造电子器件(光电倍增管、光电管)、分光光度计、自动控制、光谱测定、彩色电影、彩色电视、雷达、激光器以及玻璃、陶瓷、电子钟等的重要原料；在空间技术方面，离子推进器和热离子能转换器需要大量的铷；铷的氢氧化物和硼化物可作高能固体燃料；放射性铷可测定矿物年龄；此外，铷的化合物应用于制药、造纸业；铷还可作为真空系统的吸气剂。铷是一种非常活泼的稀有碱金属，在地壳中的含量为0.028％，极其分散，没有单独的矿藏，主要赋存于锂云母〔KRbLi(OH，F)Al2Si3O10〕、光卤石〔KCl·MgCl2·6H2O〕等固体矿石及盐湖卤水中。我国55％的铷资源储存在锂云母中，江西宜春、湖南、湖北、河南、广东以及四川等地都是我国铷资源的主要富集地。青海、西藏高原等地的盐湖卤水以及地下卤水中铷含量也十分丰富，但是，由于铷的化学性质与其他共存的金属离子性质相似，导致工业分离困难，使得铷资源的充分利用受到限制，铷的产率较低。目前，金属铷主要的生产方法有：电解法、热分解法和金属热还原法。本森(Bunsen)和契尔科夫(Krichhoff)首次在石墨阳极和铁阴极组成的电解槽内电解熔融氯化铷，成功制得金属铷。也有人从以汞作阴极的熔体中，电解得到铷汞齐，再从铷汞齐中回收金属铷。金属铷熔盐电解最适当的电解质体系是卤化物体系，金属铷的沸点低，卤化物熔点高，一般需向卤化物中加入能降低电解质熔点的助熔物质。铷的活性强，导致电解制备金属铷收集过程非常复杂，且收集过程中金属铷损失大，因此，电解法最终未获得广泛应用。热分解法是制取少量高纯金属铷的一种方法。用叠氮酸中和碳酸铷，或用叠氮化钡和硫酸铷溶液进行反应而制得叠氮化铷。叠氮化铷性质稳定，加热时容易离解，在583K左右分解放出氮。将叠氮化铷在10Pa真空压力，773K温度下进行热分解，即可得到不含气体的光谱纯金属铷。金属热还原法是制取金属铷最简便的方法，也是目前最主流的制备金属铷的方法。以氢氧化铷、碳酸铷、卤化铷、硫酸铷、铬酸铷和硝酸铷作为原料，用强还原性金属如锂、钠、钙、镁、锆、铝或硅等作还原剂，在高温下还原。还原反应在惰性气氛中进行，然后用真空蒸馏法将铷蒸汽由反应装置中移出。金属铷蒸汽在真空抽力下引导至冷凝部位，冷凝成液滴后流入收集器中。现有专利技术专利中，主要技术路线采用金属热还原制备高纯铷，即采用真空还原法或高压气氛下的金属热还原技术。专利CN107164641A中介绍了一种制备高纯度金属铷铯的方法，该专利采用加压惰性气体的环境下(惰性气体压力为0.4～0.5MPa)制备高纯铷，此方法要求制备设备能够耐受高温高压，因此该方法存在安全方面的隐患，不适用于工业推广，且投资巨大。另外，该专利的特点是采用箱式电阻炉，并且管壁是S形状，这些使得该专利中涉及的方法在实际生产过程中操作复杂、管道难以清理，不能连续生产。专利CN105063375A中则介绍了一种真空热还原方式制取高纯度金属铷铯的方法，该方法是采用真空环境下的金属热还原方法，操作过程繁琐，不实用，不方便。以上专利涉及制备方法的另一个缺点就是：上述方法都是单炉式的，无法完成连续作业。由于铷遇水、氧气、空气会发生爆炸性燃烧，所以人们渴望一种实用、安全、高效、连续的高纯铷制备方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服
技术介绍
中的不足与缺陷，提供一种以金属钙颗粒和氯化铷粉末为原料，采用一步加热还原即可制备高纯铷的方法。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：一种金属钙热还原一步制备高纯铷的方法，包括以下步骤：(1)采用抽真空和充入惰性气体的方式置换卧式真空电炉内的氧气；(2)将金属钙颗粒与氯化铷粉末按质量比(1:2)～(4:1)混合均匀后，置入步骤(1)处理后的卧式真空电炉内，在惰性气氛常压状态下加热至842℃-1390℃，保温30min-120min；钙的熔点为842℃，沸点为1484℃；氯化铷的熔点为718℃，沸点为1390℃。(3)卧式真空电炉内压力表显示升高后，打开真空泵，通过被加热的连接卧式真空电炉内膛的管道将金属铷蒸汽引导至冷凝部位，得到液态金属铷。金属铷蒸汽被置换出来，炉内压力表显示升高后，打开真空泵，在真空抽力下，通过被加热的直通式管道将金属铷蒸汽引导至冷凝部位，冷凝成液滴后流入收集器中，得到液态金属铷。上述的方法，优选的，所述步骤(1)中，采用抽真空和充入惰性气体的方式置换卧式真空电炉内氧气的具体操作为：将卧式真空电炉内真空度控制在0.01Pa，充入惰性气体至常压状态(压力表显示为0)，然后抽真空，再充入惰性气体，如此反复采用抽真空和充入惰性气体置换卧式真空电炉炉内氧气3次以上。上述的方法，优选的，所述卧式真空电炉中出料管设计为与水平呈3～5°夹角；所述卧式真空电炉中所有的金属铷蒸汽回收管道采用直通式。上述的方法，优选的，所述被加热的管道是通过循环水加热、电阻加热或气体加热的方式对管道进行加热的。优选循环水进行加热，热源利用卧式真空电炉加热置换铷的余热。循环水是采用电子水泵将储水箱中的水泵进金属铷回收管道的外层管道，出水口连接到炉膛壁外层一个水套层，然后再进入储水箱，如此形成一个循环水路，炉膛壁外层水套内的水将卧式真空电炉还原金属铷的余热传递出来，如此不停地循环给回收管道加热，具有环保、低成本的特点。另外加热的管道在回收金属铷时，金属铷会释放大量的热量，反过来造成回收管道温度超过人体耐受温度，而本专利技术中采用的循环水管道具有防止人体烫伤的功能。上述的方法，优选的，所述金属钙颗粒的纯度大于95％。金属钙纯度太低会带入其他低熔点的杂质，不利于制备高纯铷，并且纯度95％的金属钙价格比较适中。上述的方法，优选的，所述金属钙颗粒的粒径小于5mm。金属钙颗粒粒径太大，和氯化铷粉末混合式的均匀性就会很差。上述的方法，优选的，所述金属钙颗粒的粒径小于2mm。金属钙颗粒粒径太大，和氯化铷粉末混合式的均匀性就会很差。钙颗粒越小越好，但也不能过分小，太细的金属钙很难制备，价格昂贵。上述的方法，优选的，所述氯化铷粉末的纯度为98.0％～99.9％。氯化铷纯度越高，金属铷的纯度也就会越高，氯化铷纯度低于98％会带入其他难以除掉的杂质。上述的方法，优选的，所述氯化铷粉末的纯度为99.0％～99.9％。氯化铷纯度越高，金属铷的纯度也就会越高，减少挥发性的杂质。上述的方法，优选的，所述惰性气体为氩气、氮气或氦气中的一种。上述的方法，优选的，得到的液态金属铷的纯度为99.50～99.99％。本专利技术的有益效果：本专利技术采用一步加热法制备高纯铷的工艺，省去了多次加热提纯、电解、蒸馏等复杂工序，具有提纯过程简单易行、成本低本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属钙热还原一步制备高纯铷的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用抽真空和充入惰性气体的方式置换卧式真空电炉内的氧气；(2)将金属钙颗粒与氯化铷粉末按质量比(1:2)～(4:1)混合均匀后，置入步骤(1)处理后的卧式真空电炉内，在惰性气氛常压状态下加热至842℃‑1390℃，保温30min‑120min；(3)卧式真空电炉内压力表显示升高后，打开真空泵，通过被加热的连接卧式真空电炉内膛的管道将金属铷蒸汽引导至冷凝部位，得到液态金属铷。

【技术特征摘要】
1.一种金属钙热还原一步制备高纯铷的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用抽真空和充入惰性气体的方式置换卧式真空电炉内的氧气；(2)将金属钙颗粒与氯化铷粉末按质量比(1:2)～(4:1)混合均匀后，置入步骤(1)处理后的卧式真空电炉内，在惰性气氛常压状态下加热至842℃-1390℃，保温30min-120min；(3)卧式真空电炉内压力表显示升高后，打开真空泵，通过被加热的连接卧式真空电炉内膛的管道将金属铷蒸汽引导至冷凝部位，得到液态金属铷。2.根据权利要求1所述的金属钙热还原一步制备高纯铷的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用抽真空和充入惰性气体的方式置换卧式真空电炉内氧气的具体操作为：将卧式真空电炉内真空度控制在0.01Pa，充入惰性气体至常压状态，然后抽真空，再充入惰性气体，如此反复采用抽真空和充入惰性气体置换卧式真空电炉炉内氧气3次以上。3.根据权利要求1所述的金属钙热还原一步制备高纯铷的方法，其特征在于，所述卧式真空电炉中出料管设计为与水平呈3～5°夹角；所述卧式真空电炉中所有的金...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁铁锤，梅方胜，李瑞迪，周立波，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43