[發明專利]一種電解-氯化-電解制備純鈦的裝置及方法

有效

• 申請號: 201811408695.1
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN109267100B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 焦樹強;王哲;焦漢東
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C25C3/02
• 分類號: C25C3/02;C25C3/08;C25C3/12;C25C3/28;C25C3/36;C25C7/00;C25C7/02
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

1.一種電解-氯化-電解制備純鈦的裝置，其特征在于，包括第一電解槽、第二電解槽、用于盛裝TiC_xO_y或TiC_xO_yN_z的氯化反應器和導氣管；

其中，第一電解槽(1)與第二電解槽(2)水平設置，第一電解槽(1)與第二電解槽(2)底部和四周有加熱與溫控系統，用于控制電解槽中電解質的溫度；氯化反應器(3)位于第一電解槽(1)陽極的上部位置，底部設置多孔陶瓷隔板(4)；

氯化反應器(3)殼體材質為鋼材，內襯有陶瓷材料；氯化反應器(3)外部有獨立的加熱與溫控系統，用于控制氯化反應器(3)內部物料溫度；

第一導氣管(5)位于第一電解槽(1)內的陽極位置，并與氯化反應器(3)底部連接；第二導氣管(6)一端連接氯化反應器(3)頂部，另一端位于第二電解槽(2)內的陰極位置；第三導氣管(7)一端位于第二電解槽(2)內的陽極位置，另一端與第一電解槽(1)內的第一導氣管(5)連接；導氣管材質為鋼材，內襯有陶瓷或聚四氟乙烯材料。

2.一種采用如權利要求1所述的裝置制備純鈦的方法，其特征在于，主要包括以下步驟：

1)按照化學反應計量比將二氧化鈦和碳質材料粉混料均勻后，壓制成型，在900～1600℃溫度范圍內在真空條件中制得TiC_xO_y或在氮氣氣氛下制得TiC_xO_yN_z，裝入氯化反應器中；

2)第一電解槽以熔融堿金屬氯化物、堿土金屬氯化物、氯化鋁或它們的混合物為支持電解質，陽極為碳材料，陰極為金屬材料，電解槽溫度控制在150～1000℃，氯化反應器溫度控制在200～600℃；電解開始后，Cl^-遷移到陽極，發生反應產生Cl₂；陽極產物Cl₂經由第一導氣管穿過多孔隔板進入氯化反應器中，并與氯化反應器中的TiC_xO_y或TiC_xO_yN_z發生反應產生TiCl₄氣體；該氣體經由第二導氣管進入第二電解槽陰極區域；

3)第二電解槽中以熔融堿金屬氯化物、堿土金屬氯化物或它們的混合物為支持電解質，陽極為碳材料，陰極為金屬材料，電解槽溫度控制在500～1000℃；電解開始后，由第二導氣管輸送的TiCl₄氣體在第二電解槽陰極處進入熔鹽，Ti⁴⁺在陰極處發生反應產生低價鈦離子，低價鈦離子繼續反應在陰極沉積得到純鈦，反應如下：

Ti⁴⁺+e＝Ti³⁺

Ti³⁺+e＝Ti²⁺

Ti²⁺+2e＝Ti

Cl^-遷移到陽極，在陽極處產生Cl₂，經由第三導氣管輸送至第一導氣管中，與第一電解槽陽極處產生的Cl₂混合，進入氯化反應器中參與TiC_xO_y或TiC_xO_yN_z的氯化；

4)一個電解周期結束后，將兩個電解槽中陰極產物取下，并經過酸洗、水洗、烘干處理步驟，從第二電解槽的陰極上收集產品高純鈦金屬，從第一電解槽的陰極上收集副產品堿金屬、堿土金屬、鋁金屬或合金；

5)在步驟4)完成后，將陰極再裝入兩個電解槽中，并將新的TiC_xO_y或TiC_xO_yN_z原料裝入氯化反應器中，再進行新一輪的電解生產高純鈦的操作。

3.根據權利要求2所述制備純鈦的方法，其特征在于，所述碳質材料粉為石墨、石油焦、炭黑、煤炭、木炭中的一種或幾種的組合。

4.根據權利要求2所述制備純鈦的方法，其特征在于，所述二氧化鈦中氧原子與碳質材料粉中碳原子的個數比為1.2:1～0.5:1。