[發明專利]一種從月壤月巖中提取氧氣和金屬的方法

有效

• 申請號: 201810376084.7
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108505070B
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 石忠寧;謝開鈺;高炳亮;胡憲偉;王兆文
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C25C3/36
• 分類號: C25C3/36;C25B1/02;C01B13/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 陳玲玉;梅洪玉

本發明提出了一種從月壤月巖中提取氧氣和金屬的方法，通過真空熱分解?惰性陽極熔鹽電解從月壤月巖中提取金屬和氧氣，步驟如下：(1)在真空氣氛下將月壤或月壤仿真樣加熱至2000～3000℃并保溫2～6h，使月壤或月壤仿真樣蒸氣化并發生分解反應，生成氧氣和低價金屬氧化物(2)熱分解結束后，收集副產物低價氧化物，將其添加在鋰冰晶石熔鹽中，采用惰性陽極在720～800℃及電流密度0.6～1.4A/cm²條件下，將低價氧化物電化學分離，在陰極獲得合金，陽極獲得氧氣；(3)將收集的氧氣進行凈化和液化處理后保存備用；同時將電解所得金屬產物分批次從電解槽中抽出并澆鑄成型，備用。該方法有望為人類未來月球基地建設所必需的消耗性資源氧氣和金屬的制備提供理論支撐和技術保障。

技術領域

本發明屬于冶金技術領域，特別涉及一種原位利用月壤月巖提取金屬和制備氧氣的方法。該方法有望為人類未來月球基地建設所必需的消耗性資源氧氣和金屬的制備提供理論支撐和技術保障。

背景技術

建立月球基地或前哨基站、登陸火星和小行星資源利用一直是人類太空探索研究的熱點，也是中長期科學創新與工程技術研究的前沿課題。月球是離地球最近的天體，被譽為永不墜落的天然空間站和太空實驗室，是人類向深空進軍的必經階段和重要中轉站。氧氣是生命保障系統和火箭推進劑的必需物質，而一系列金屬(合金)材料是基地建設和相關結構部件生產的關鍵原材料。由于地-月運輸成本約為$50000～100000/kg，因此就地利用月表資源制備月球基地建設和相關科學研究所必需的金屬和氧氣等基礎材料，是實現低成本的月表活動和系列太空探索任務可持續發展的關鍵所在。

對月遙感探測和載人登月探測結果表明，幾乎整個月球表面覆蓋著一層由巖石碎屑、粉末、角礫、撞擊熔融玻璃等物質組成的結構松散的風化層——月壤。月壤在強還原性環境中形成，主要由硅酸鹽礦物和氧化物礦組成，含有鈣長石、輝石、橄欖石、鈦鐵礦和克里普巖等礦物組分。月壤的粒度集中在1cm以下，表現出松散和非固結的土壤特性，其被認為是未來人類進行月球基地建設和月球資源開發的首要對象。此外，月表豐富的太陽能資源和極具應用潛力的熱核聚變原料氦-3，為原位利用月壤制備金屬和氧氣奠定了重要的能源保障基礎。

目前，從月壤或月壤仿真樣中提取金屬和制備氧氣的方法主要分為化學法和電化學法兩大類。化學法主要有碳熱還原法、氫還原法、氯氣還原法和高溫自蔓延法等；而電化學法主要包括酸浸-電解法、熔渣電解法、直接電脫氧法、熔鹽電解法等。化學法需要消耗大量的還原劑，存在能耗較高和還原劑原位循環利用率低的問題，且還原劑的損耗需要從地球補給。電化學法以電子為還原劑，從月壤復合氧化物中直接提取金屬和制備氧氣，對原料適應性較強且流程較短，但存在高溫和強腐蝕性熔鹽嚴重腐蝕反應器內襯、長壽命低成本惰性析氧陽極材料開發的挑戰和熔鹽電解質揮發損失等不足。

由于月壤成分和結構較復雜，含有多種復合氧化物，采用單一的方法從中提取金屬和氧氣存在諸多不足，且不能實現真正意義上的原位利用資源提取金屬和氧氣。著眼未來，開發可實現規模化綜合利用月壤提取金屬和制備氧氣的新方法無疑更具潛力。

發明內容

針對現有從月壤或月壤仿真樣中制備金屬和氧氣的方法存在的不足，本發明提供一種通過真空熱分解-惰性陽極熔鹽電解兩步相結合的新方法制備氧氣和金屬。首先通過真空熱分解從含有長石[CaAl₂Si₂O₈，NaAlSi₃O₈]、輝石[FeSiO₃，CaSiO₃，MgSiO₃]、橄欖石[Fe₂SiO₄，Mg₂SiO₄]和鈦鐵礦[FeTiO₃]等組分的月壤或月壤仿真樣中，提取氧氣并得到副產物低價氧化物，然后采用惰性陽極熔鹽電解的方法，將低價氧化物電化學分離為氧氣和金屬，實現原位利用月壤高效制備氧氣和金屬的目的。

本發明的技術方案為：