熔盐电解法生产金属

轻金属的生产
• 金属铝的生产 • 金属镁的生产 • 金属锂的生产
金属镁的生产
• 1808年，英国的戴维，用 钾还原氧化镁，最早制得 少量的镁
• 物理性质：银白色，密度 1.738克/厘米3，熔点 648.9℃，沸点1090℃。
• 常用做还原剂，去置换钛 、锆、铀、铍等金属
• 结构特性类似于铝，具有 轻金属的各种用途，可作 为飞机、导弹的合金材料
Carbon
• Cathode
Tungsten
Overall Cell Reaction 2Nd2O3 + 3C→4Nd(l) + 3CO2(g)
Anode
3[NdOF5]4- +1.5C - 6e- = 1.5CO2(g) + 15F-
Cathode
2[NdF6]3-+ 6e- = 2Nd(i) + 12F-
• 金属钕的最大用户是钕铁 硼永磁材料
• 在镁或铝合金中添加1.52.5%钕，可提高合金的高 温性能、气密性和耐腐蚀 性，广泛用作航空航天材 料
钕电解
• Electrolyte LiF–NdF3 eutectic
• Feed
Nd2O3
• Temperature 1100–1200°C
• Anode
•• TThheerrmmaall reduction mreedtuhcotdiosn method
•Silicothermic Processes •The Pidgeon Process •The Magnetherm Process •The Bolzano Process
•Aluminothermic Processes •Carbothermic Process
35 kWh/kg
金属锂
Fig: Electrolytic preparation of lithium
稀土金属
• 轻稀土包括：镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、 钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)
• 重稀土包括：铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、 铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钪(Sc)和钇(Y)
– 1807年，戴维从熔融KOH中电解制 得金属K。
– 1808年，戴维从熔融Ca(OH)2-HgO 混合熔盐中电解制得金属Ca。
– 1808年，戴维从熔融Mg(OH)2-HgO 混合熔盐中电解制得金属Mg。
– 1808年，戴维从熔融钡盐中电解制 得金属Ba。
Sir Humphry Davy 汉弗里·戴维
熔盐电解法生产金属 Metal Production By Molten Salt
Electrolysis
高炳亮
内容
• 导论 • 轻金属的生产-铝、镁和锂 • 稀土金属的生产-钕 • 难熔金属的生产-钛、钨和钼 • 非金属的生产-硅
导论
• 戴维是第一个采用熔盐电解法制 备金属的人。
– 1806年，戴维从熔融NaOH中电解制 得金属Na
• Anode • Cathode • Current Density • Energy Consumption
LiCl–KCl eutectic
LiCl 400–460°C
Carbon
Mild Steel
LiCl (l)→ Li (l) + 1/2 Cl2 (g) for which E°427°C = 3.6 V Cl– →1/2 Cl2 (g) + e– Li+ + e– → Li (l) 2 A/cm2
难熔金属的生产
• 金属钛的生产 • 金属钼的生产
难熔金属
难熔金属具有一些独特的特性：高熔点、抗腐蚀、 耐磨 通常将以下5种金属称作难熔金属：钨(W)、钼(Mo)、 铌(Nb)、钽(Ta)和铼(Re)
W
Mo
Nb
Ta
Re
Ti
Melting point,源自文库℃ 3410 2610 2468 2996 3180 1668
Density, g/cm3 19.25 10.28 8.57 16.69 21.02 4.506
Young’s Modulus, GPa
411
329
105
186
463
116
Mohs Hardness 7.5 5.5 6.0 6.5 7.0 6.0
（1778-1829）
导论
• 水溶液电沉积的局限性:水溶液电解质的电 化学窗口较小，只有少数金属可从水溶液 中电沉积出来。
• 例如
– 在低活化过电位和高电流效率的情况下：Mn、 Ni、Zn、Cd、Hg、Ga、In、Tl、Pb、Ag、Au 和Sn
– 在低电流效率和高活化过电位的情况下：铂族 金属
导论
Electrolyte:
MgCl2 15-25 mass% NaCl 55-60 mass%
CaCl2 20-25 mass% CaF2 1 mass% Temperature: 680-700oC
Cathode : Steel
Anode : Graphite
金属镁
•• EElleeccttrroocchheemmiiccaall mmeetthhoodds
金属镁
• Electrochemical methods
• Thermal reduction methods
Overall reaction: MgCl2 →Mg + Cl2 –Anode Reaction: 2 Cl- → Cl2 + 2 e–Cathode Reaction: Mg2+ + 2 e- → Mg
金属锂的生产
• 是金属中比重最轻的金属 元素
• 银白色，密度0.534克/厘 米3，熔点180.54℃。沸点 1317℃。
• 充当脱氧剂和脱硫剂 • 火箭燃料的最佳金属之一 • 合金化元素 • 6Li捕捉低速中子能力很强
，可以用来控制铀反应堆 中核反应发生的速度 • 电池中用作阳极材料
金属锂
• Electrolyte • Feed • Temperature • Anode • Cathode • Overall Cell Reaction
• 邓小平曾说过：“中东有石油，中国有稀土”， 中国是唯一能够提供全部17种稀土金属的国家， 已探明储量为8389万吨(稀土氧化物)，占世界总 储量的56%，居世界第一，是名副其实的“稀土 大国”
钕的生产
• 钕的原子序数60，原子量 144.24
• 钕为银白色金属，熔点 1024°C，密度7.004克/ 厘米3