钛铁矿及月壤仿真样提取金属及制备氧气

发布时间：2020-11-13 02:13

　　 月球上具有丰富的能源和矿产资源,利用月球上的资源原位制备金属和氧气,可实现低成本月表活动。月壤含钛铁矿、钙长石等混合氧化物,根据其成分特点,基于熔盐介质中铝热还原-惰性阳极电解法的思路,研究从钛铁矿和月壤仿真样MLS-1中提取金属和氧气的探索性研究。采用等温饱和法研究了 TiO2和FeTiO3在51.22mass%NaF-48.78mass%AlF3熔盐中的溶解行为。结果表明,980℃下Ti02经过90min达到溶解平衡,此时熔盐中TiO2的含量为3.2mass%;在980℃下FeTi03经过120min达到溶解平衡,熔盐中FeTi03的含量为3.7mass%。熔盐中溶解的Ti(Ⅳ)均以钛氧氟络离子的形式存在,而Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)均以铁氟化合物的形式存在。热力学计算表明,室温至1500℃范围内,铝热还原钛铁矿的相关反应在热力学上可以自发进行。DSC分析结果表明,铝热还原钛铁矿在951℃左右进行,反应的表观活化能Ea=9164.23J/mol,反应级数n=0.11。在 980℃ 的 48.66mass%NaF-46.34mass%AlF3-5.00mass%FeTiO3 熔盐介质中进行铝热还原,研究还原剂用量和还原时间对合金产物的影响。还原产物经XRF、XRD、SEM和EDS分析结果表明,合金产物中有Al、Ti、Fe和少量Si,产物的主要物相是Al3Ti。随着铝用量的增加,合金产物中Ti的含量逐渐减少,而Fe的含量逐渐增加;产物中钛的含量随还原时间的增加而增大。在冰晶石熔盐体系中进行铝热还原2h、还原剂用量为理论用量3倍时,铝中钛含量最高可达18.82mass%。采用杯状阳极电解铝热还原熔盐介质,阴极产物含有90.72mass%Al、6.79mass%Fe、1.31mass%Ti、0.97mass%Si 和 0.21mass%Ni;阳极产物氧气纯度达到 98.87%。在 980℃ 的 50.2mass%NaF-47.8mass%AlF3-2.0mass%FeTiO3 熔盐体系中,直接电解钛铁矿,阴极产物含有 62.18～74.96mass%Al、19.02～29.51mass%Fe、4.14～5.44mass%Ti、0.36～0.96mass%Ni,产物物相主要为铝、A13Fe相和A13Ti相,微观形貌分析表明产物中主要有铝基体、块状A13Fe相和长条状A13Ti相,阴极表观电流效率为40.12%～45.63%;阳极产物氧气纯度超过97%,阳极电流效率为71.62%-80.47%,电流效率随着电流密度的增加而逐渐增大。Fe0.58-Ni0.42合金阳极在电解时,阳极表面形成一层致密而完整的氧化物层,与阳极基体结合良好,氧化层厚度约为200μm,阳极呈现良好的“惰性”。在 980℃ 的 48.66mass%NaF-46.34mass%AlF3-5mass%MLS-1熔盐介质中通过铝热还原-惰性阳极电解的方法制得铝硅合金和氧气。金属Si、Fe和Ti的总回收率分别为95.34%,89.94%和86.83%,电解产物氧气纯度达99.02%。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：P184;TF111.522;TQ116.14
【部分图文】：

熔渣电解是在１６００°Ｃ左右的温度下，电解槽内熔融状态的月壤熔体中含有可以自由??移动的阴阳离子，通电时金属阳离子在阴极放电析出金属或合金，含氧阴离子在阳极放??电析出氧气。电解装置如图１．２所示。??ＦＥＨ５ＳＴ０ＣＫ??牟斤」??？?Ｊ?ｉ?ＮＵＣＬＥＡＲ??＇ｅｙ?Ｐｙ／ｙ?＞ｙｙ／／，??｜?？?ＨＥＡＴＥＲ???ＬＬＯＸ??图１．２熔渔电解月壤装置图Ｍ??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｄｅｐｉｃｔｉｎｇ?ｔｈｅ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ?ｏｆ?ｍｏｌｔｅｎ?ｌｕｎａｒ?ｒｅｇｏｌｉｔｈ??Ｓａｄｏｗａｙ［４９］提出通过培融氧化物电解技术（ｍｏｌｔｅｎ?ｏｘｉｄｅｓ?ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ）从月壤中原??位提取金属和氧气。作者选取仿真月壤ＪＳＣ－ｌａ和混合氧化物??（Ｍｇ０－Ｃａ〇－Ｓｉ０２－Ａｌ２０３－Ｆｅ０）为原料，阳极材质为Ｉｒ，分别在１５７５°Ｃ下电解，制得金??属铁和氧气。阳极电流效率６０％以上。循环伏安实验结果表明，电解质体系中优先沉积??出金属铁。该方法的最大缺点是电极材料寿命短，阳极材质为价格昂贵的金属Ｉｒ。??Ｈａｓｋｉｎ等Ｍｌ系统讨论了月海玄武岩、辉石、钛铁矿和混合矿物在熔融状态下的电导??率，并分析了阴阳极电极反应机理，认为阳极优先发生的是非桥Ｓｉ－Ｏ络合离子放电析??出氧气的反应，阴极发生的是析出铁和硅的反应。惰性阳极材质选用铂，随阳极面积的??增大、电解质中Ｆｅ（ＩＩ）含量的降低，电流效率和能耗趋于最优。当消耗总能量１３ＭＷ／（；ｐｅｒ??２４ｈ）时

９－ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ?ｖａｃｕｕｍ?ｇａｕｇｅ；?１０－ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｃｏｎｔａｉｎｅｒ；?１１－ｃｏｌｄ?ｗｅｌｌｓ；?１２－ＤＭ４?ｖａｃｕｕｍ?ｐｕｍｐ??Ｆｉｇ．２．１?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｖｉｅｗ?ｏｆ?ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ?ａｐｐａｒａｔｕｓ??实验所用Ａ１Ｆ３通过真空升华法ｍ制备，设备的结构简图如图２．１所示。将分析纯的??－１８?－??

碎筛分至２００目以下，放入手套箱保存备用。??２．１．２实验装置??溶解度的实验装置如图２．２所示。采用高纯石墨坩埚盛装待测熔盐，坩埚上部盖上??石墨盖以减少熔体挥发带来的测量误差。与搅拌器相连的石墨浆搅拌熔体，搅拌速度为??１２０转／分钟。采用Ｃ１ＣＷ－３１００型控温仪通过Ｓ型热电偶对高温炉进行控温，控温误差??为土２°Ｃ，并用Ｋ型热电偶动态测量熔盐的实际温度。??－?－；?＜搅拌器??保护气导管??１?咖??爾陶?Ｋ酿电偶??Ｂ’?…?欄导杆??：ｓｒ??图２．２溶解度实验装置图??Ｆｉｇ．２．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?Ｉ＇ｉ〇２?ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ?ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ?ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ??２．１．３结果与讨论??２．１．３．１?Ｔｉ０２的溶解度??５１．２２ｍａｓｓ°／〇ＮａＦ－４８．７８ｍａｓｓ％ＡｌＦ３熔盐中ＴｉＣｈ的浓度随时间的关系如图２．３所示。??－１９－??
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本文编号：2881575