[發明專利]通過電解還原生產金屬的方法和設備

在審

• 申請號: 201380067620.0
• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN104919089A
• 公開（公告）日: 2015-09-16
• 發明（設計）人: 格雷格·道蒂
• 申請（專利權）人: 金屬電解有限公司
• 主分類號: C25C3/00
• 分類號: C25C3/00;C25C3/26;C25C7/02
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 蔡勝有;冷永華

技術領域

本發明涉及通過電解還原包含第一金屬的氧化物的原料來生產金屬的方法和設備。

背景技術

本發明涉及通過還原包含金屬氧化物的原料來生產金屬的方法。如從現有技術中已知的，例如可以使用電解法以將金屬化合物或半金屬化合物還原成金屬、半金屬或部分還原的化合物，或還原金屬化合物的混合物以形成合金。為了避免重復，除非另行指出，否則在本文中將使用術語金屬來包括所有這樣的產物，例如金屬、半金屬、合金、金屬間化合物。技術人員應理解，術語金屬在合適的情況下還可以包括部分還原的產物。

近年來，對于通過直接還原固體金屬氧化物原料來直接生產金屬存在極大關注。如WO?99/64638中所述，一種這樣的直接還原法是劍橋電分解法(Cambridgeelectro-decomposition?process)。在FFC法中，固體化合物，例如金屬氧化物被布置為與包含熔鹽的電解池中的陰極接觸。電勢施加在池的陰極與陽極之間使得化合物被還原。在FFC法中，生產固體化合物的電勢低于來自熔鹽的陽離子的沉積電勢。

已提出用于還原呈與陰極連接的固體金屬化合物形式的原料的其他還原法，例如WO?03/076690中所述的法和WO?03/048399中所述的方法。

直接還原法的典型實施方式通常使用碳基陽極材料。在還原過程期間，碳基陽極材料被消耗并且陽極產物是碳的氧化物，例如氣態一氧化碳或二氧化碳。在該過程中碳的存在導致了很多問題，其降低了該方法的效率并且導致了在陰極通過還原產生的金屬的污染。對于很多產物，可能期望從體系中完全消除碳。

已做出很多努力以確定在電解期間不被消耗并且釋放氧氣作為陽極產物的所謂惰性陽極。常規的、容易獲得的材料中，錫氧化物已顯示出一些有限的成功。更特殊的基于釕酸鈣的放氧陽極材料已被提出，但該材料具有有限的機械強度，在處理期間受分解影響，并且昂貴。

對于鈾氧化物和其他金屬氧化物的還原，已使用鉑在基于LiCl鹽中作為陽極，但需要非常仔細地控制工藝條件以避免陽極分解，并且這也是昂貴的。對于工業規模的金屬生產方法，鉑陽極不是經濟上可行的方案。

雖然在FFC法中使用放氧陽極可能是期望的，但商業上可行的材料的實際應用似乎難以實現。此外，在放氧陽極的使用中可以產生其他工程上的困難，原因是在直接電解還原法中涉及氧氣在高溫下的高度腐蝕性。

WO?02/083993中提出了另一陽極體系，其中電解池中的陽極由熔融銀或熔融銅形成。在WO?02/083993所公開的方法中，在陰極從金屬氧化物中移除的氧通過電解質傳輸并且溶解在金屬陽極中。然后通過在一部分金屬陽極上局部降低氧氣分壓來連續移除溶解的氧。該另一陽極體系具有有限的用途。氧的移除取決于氧可擴散入熔融的銀或銅陽極材料的速率。此外，該速率還取決于通過在一部分陽極上局部降低分壓來連續移除氧。因此，該方法似乎不是商業上可行的生產金屬的方法。

發明內容

如所附的獨立權利要求所限定，本發明提供了通過電解還原包含金屬氧化物的原料來生產金屬的方法和設備。在各種從屬權利要求中列出了本發明的優選和/或有利的特征。

在第一方面，通過電解還原包含第一金屬與氧的氧化物的原料來生產金屬的方法可以包括以下步驟：將原料布置為在電解池內與陰極和熔鹽接觸，將陽極布置為在電解池內與熔鹽接觸，并且在陽極和陰極之間施加電勢使得從原料中移除氧。陽極包含熔融金屬，其為不同于包含在原料中的第一金屬的金屬。該熔融金屬可以稱為第二金屬。雖然第二金屬在室溫下可以不是熔融的，但當在陽極和陰極之間施加電勢時，其在池內的電解溫度下熔融。從原料移除的氧通過鹽傳輸至陽極，其在陽極與陽極的熔融金屬反應以形成包含熔融陽極金屬和氧的氧化物。

原料可以呈氧化物的顆?；蚍勰┑男问剑蚩梢猿视煞勰┙饘傺趸镄纬傻念w?；蝾A成型形狀的形式。原料可以包含多于一種氧化物，即多于一種金屬種類的氧化物。原料可以包含具有多種金屬種類的復合氧化物。原料可以僅包含一種金屬氧化物例如二氧化鈦或五氧化二鉭。

在此方面所述的本發明與WO?02/083993的現有技術公開之間的關鍵差異是，本發明的熔融陽極金屬在電解過程期間被消耗。換言之，熔融陽極金屬必須是在與氧類物質接觸時易于氧化的金屬，以形成包含第二金屬和氧的氧化物。