通过氧化物电解提取液态元素制造技术

本发明专利技术公开一种从氧化物原料化合物中获取目标元素的电解提取方法。原料化合物溶解在电解电池中与阴极和阳极相接触的氧化物熔体中。在电解过程中，目标元素在液体阴极处沉积并且与之融合。氧在阳极上放出，所述阳极含有与氧化物熔体接触的在金属阳极基板上的固体氧化物层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及从氧化物矿石中提取高熔点的元素。特别地，本专利技术提供了包括使用金属阳极以从氧化物熔体中电解 提取元素的电解方法。
技术介绍
对于大多数金属，传统熔炼方法的固有结果是释放出温室气体。例如，传统上在鼓风炉中生产的铁带来与焦炭生产和铁矿石还原相关的显著的工艺排放物。燃烧操作的配套工艺步骤例如矿石预处理还增加了碳排放。由生铁制造铁例如在电弧炉中的制造还必然有能量的消耗，其中可以通过燃烧化石燃料提供能量。据信炼铁和炼钢产生全世界温室气体排放的若干百分比。由于温室气体排放容许量的减少，寻找基本金属冶炼操作的替代技术成为关键。因此，需要其运行时使用的碳和碳基燃料减少的金属提取技术。同时，对于生产含有一定浓度的溶解碳的金属制品的兴趣增加，所述溶解碳的浓度用常规技术在成本可接受的情况下难以实现。因此，可生产高纯度金属的无碳提取技术是有价值的。
技术实现思路
在从混合有目标元素的氧化物原料化合物中提取目标元素的方法中，提供至少75重量％为氧化物的液体电解质。液体电解质中溶解有氧化物原料。提供包括金属阳极基板的阳极与电解质相接触。阴极与电解质相接触，与阳极相对。随着电子被驱使离开电解质中的氧前体并穿过金属基板上的氧化物层进入金属基板而形成气态氧，溶解的氧化物原料被电解。电解质中含有目标元素的物质(species)在阴极处被还原形成目标元素。在另一个实施方式中，从含有目标元素的氧化物原料中提取目标元素的方法，提供了溶解有氧化物原料的液体电解质。与电解质在界面处相接触的阳极包括金属阳极基板。该基板的至少50重量％由至少一种与该目标元素相比在界面的工作温度下与氧更易反应的元素组成。液体阴极与电解质相接触，与阳极相对。随着电子被驱使离开电解质中的氧前体并穿过金属基板上的氧化物层进入金属基板而形成气态氧，溶解的氧化物原料被电解。电解质中含有目标元素的物质在阴极处被还原形成目标元素。在另一个实施方式中，从氧化物原料中提取铁的方法，提供了至少75重量％为氧化物的液体电解质，该液体电解质中溶解有氧化物原料。与电解质相接触的阳极包括金属阳极基板。该基板为至少50重量％的铬和至少I重量％的铁。相对于阳极的液体阴极与电解质相接触。随着电子被驱使离开电解质中的氧前体并进入金属基板而形成气态氧，溶解的氧化物原料被电解。电解质中含有目标元素的物质在阴极处被还原形成目标元素。一种装置，其包括至少75重量％为氧化物的液体电解质，该电解质包括氧前体和含目标元素的物质，其源自于溶解在电解质中的氧化物原料化合物。液体阴极与电解质相接触。相对于阴极的阳极与电解质相接触。所述阳极包括金属阳极基板和在接触界面处与电解质相接触的 固体氧化物层。在阳极和阴极连接到电源上时，该装置可用于电解所溶解的氧化物原料化合物，驱使电子离开氧前体并穿过氧化物层以形成气态氧，并且将含目标元素的物质在阴极处还原形成目标元素。在另一个实施方式中，一种装置，其包括至少75重量％为氧化物的液体电解质，该电解质包括氧前体和含铁物质，其源自于溶解在电解质中氧化物原料化合物。液体阴极与电解质相接触。相对于阴极的阳极与电解质相接触。所述阳极包括金属阳极基板，该基板为至少50重量％的铬和至少I重量％的铁。在阳极和阴极连接到电源上时，该装置可用于电解溶解的氧化物原料化合物，驱使电子离开氧前体以形成气态氧，并且还原含铁物质以在阴极处形成铁。附图说明结合本专利技术的以下详细说明并结合附图将更易于理解上述论述，在所述附图中同一标号表述同样的或者功能相似的兀件:图1是根据本专利技术被配置用于从氧化物原料化合物提取目标元素的电化学装置的纵断面；图2示意性显示了根据本专利技术被配置在具有电源的电路中的图1的电化学装置；图3是纵断面图，显示出根据本专利技术的阳极的部分，在所述阳极上，通过在电化学装置中的预电解在基板上形成了氧化物层；图4是纵断面图，显示出根据本专利技术的阳极的部分，所述阳极在被放置到电化学装置中之前在其上已经形成预形成的氧化物层。应当理解，这些附图不一定是按比例绘制的。具体实施方式的详细说明熔融氧化物电解(“Μ0Ε” )能够直接电解氧化物原料化合物以从其中提取目标元素。MOE在获得目标金属的同时产生气态氧并且没有或者有减少的二氧化碳或者其他废气排放。因为目标金属是直接从氧化物还原的，所以对很多金属而言，源化合物的预备过程比用在传统提取技术中的更加清洁和简单。MOE能够生产极高纯度的金属，所述纯度特别是就所谓的间隙元素即碳和氮而言。因为MOE可以从液体形式中生产目标元素，从而避免了与树枝状沉积物相关的难题。MOE对于液态中的元素的提取还是能源有效的，因为与电流流过电解电池组件必然相伴的不可逆性也起到保持电解电池组件在所需高温下的作用。目标元素可以具有高的熔化温度，例如大于1200°C或者1400°C。实例包括锰(Tm=12460C )、硅 Om = 1414°C )、镍(Im = 1455°C )、钴(Im = 1495°C )、铁(Im = 1538°C )、钛 Om = 1670°C )、锆(Im = 1855°C )、铬(Im = 1907°C )。备选的氧化物原料化合物含有所需的目标元素和氧。例如，对于提取钛，可能的氧化物原料化合物包括但不限于例如一氧化钛(TiO)、三氧化二钛(Ti2O3)、二氧化钛(TiO2)。可以从镍氧化物如NiO中提取镍。可以从铁氧化物如三氧化二铁(Fe2O3)或者四氧化三铁(Fe3O4)原料中提取铁。可以从铬氧化物(Cr2O3)中提取铬。可以从锰氧化物如Μη0、Μη304、Mn2O3、MnO2或者Mn2O7中提取锰。混合氧化物相例如铬铁矿(FeCr2O4)和钛铁矿(FeTiO3)作为氧化物原料化合物可以从单一化合物提供两种元素的沉积。在一个说明性实施方式中，参考图1和图2，可操作用于从氧化物原料化合物中提取目标元素的电冶金电池包括液体电解质30、阴极40和阳极50。电解质30和阴极40容纳于电池外壳或者壳体12中。说明性阴极40是含有目标元素的液状体。壳体12的内侧说明性提供了电子传导性阴极基板16，在阴极基板16上放置有阴极40。说明性阴极基板16是耐阴极40腐蚀的材料。对于某些实施方式，阴极基板16可以是钥。嵌入到阴极基板16中的阴极金属集流棒18能够连接阴极40到外电源60并且在电池10的工作期间作为负端。电解质30和阴极40在电解质-电极界面35处相接触。电解质30是能够溶解含有目标元素的氧化物原料的液体。说明性电解质30是熔融氧化物混合物或者氧化物熔体。装置10的说明性操作是在使得氧化物熔体30和壳体12的内侧面15之间形成周边冻结电解质层32的条件下进行的。所述冻结电解质层32保护内侧面15不受氧化物熔体30的化学侵蚀。阳极5 0插入电解质30中，与阴极40相对。阳极50可以是单个的连续体。说明性地，经机械加工贯穿阳极50形成的通道56被配置为电解质30的上表面和电池10的外部之间分别的路径。电子传导性金属阳极基板54说明性地具有固体氧化物层61，形成所述固体氧化物层以将电池10工作期间基板54的消耗限制在可接受的水平上。阳极50在接触界面52处与电解质30接触。嵌入阳极50中的导电金属阳极棒58被配置为能够将阳极50连接到外电源60并且在电池10的工作期间作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.08.23 US 61/375,935;2011.05.24 US 61/489,5651.从含有目标元素的氧化物原料提取目标元素的方法，所述方法包括: 提供其中溶解有氧化物原料的液体电解质，所述电解质的至少75重量％为氧化物； 提供与电解质相接触的阳极，所述阳极包括金属阳极基板； 提供与电解质相接触的阴极，所述阴极与阳极相对； 驱使电子离开电解质中的氧前体并穿过金属基板上的氧化物层进入金属基板以形成气态氧； 将电解质中含目标元素的物质还原以在阴极处形成目标元素， 从而使电解质中所溶解的氧化物原料电解。2.权利要求1的方法，其中所述氧化物层含有源于金属基板的材料。3.权利要求1的方法，其中所述氧化物层含有源于电解质的材料。4.权利要求1的方法，其中所述氧化物层在金属基板上形成，在电解期间与电解质相接触。5.权利要求2的方法，所述方法还包括在阳极接触电解质之前，通过使金属基板中的材料氧化来形成氧化物层。6.权利要求1的方法，其中金属阳极基板的至少50重量％由至少一种与目标元素相比与氧更易反应的元素组成。7.权利要求1的方法 ，其中金属阳极基板包括钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、锆、铌、钥、铪、钨和钽中的至少一种。8.权利要求1的方法，其中金属阳极基板是合金。9.权利要求7的方法，其中金属阳极基板的至少70重量％由钪、钛、钒、锰、铁、钴、镍、宇乙、错、银、钥、給、鹤和组中的一种组成。10.权利要求7的方法，其中金属阳极基板的至少70重量％由铬组成。11.权利要求7的方法，其中金属阳极基板的至少I重量％由目标元素组成。12.权利要求7的方法，其中金属阳极基板的至少0.1重量％由钍、铪、锆或钇组成。13.权利要求1的方法，其中目标元素是钛、镍、锰、钴、锆、铬和硅中的一种。14.权利要求1的方法，所述方法还包括使电解质中含有额外元素的物质还原，以在阴极处在形成目标元素的同时形成所述额外元素。15.权利要求1的方法，其中目标元素是铁并且原料化合物是铁氧化物。16.权利要求15的方法，其中阴极是液体碳钢。17.权利要求16的方法，其中在低于1500°C的温度下在阴极处通过还原形成铁。18.权利要求1的方法，其中在电解期间在阴极处通过还原形成的材料的至少90重量％由目标元素组成。19.权利要求1的方法，其中在电解期间电子以大于0.05A/cm2的平均电流密度穿过氧化层。20.权利要求1的方法，其中电解质中电子传导性小于导电率的10%。21.权利要求1的方法，其中氧化物层包括电子传导氧化物相。22.权利要求1的方法，其中目标元素是钛。23.权利要求1的方法，其中在高于1400°C的温度下在阴极处形成目标元素。24.权利要求1的方法，其中电解质包括下列元素的氧化物:钍、铀、铍、锶、钡、铪、锆或者稀土元素。25.权利要求1的方法，其中阴极是液状体。26.权利要求1的方法，其中目标金属是铁并且阳极基板的至少50重量％为铬。27.权利要求26的方法，其中金属阳极基板含有钽。28.权利要求26的方法,其中金属阳极基板含有钥；。29.从含有目标元素的氧化物原料提取目标元素的方法，所述方法包括: 提供其中溶解有氧化物原料的液体电解质； ...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼·阿拉诺尔，达诺德·R·萨多维，
申请(专利权)人：麻省理工学院，
类型：
国别省市：