[發明專利]一種電解-鈦碳硫陽極-制備金屬鈦的方法

有效

• 申請號: 201910198568.1
• 申請日: 2019-03-15
• 公開（公告）號: CN109811370B
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發明（設計）人: 焦樹強;田棟華
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C25C3/28
• 分類號: C25C3/28
• 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

本發明提出一種鈦/碳/硫可溶性陽極電解制備金屬鈦的方法，涉及有色金屬冶金礦物處理及熔鹽電化學提取鈦冶金技術領域。該方法以含鈦礦原料、碳(C)和硫(S)為原料經燒結等技術，成功制備出導電性良好的鈦碳硫陽極材料。采用該鈦碳硫陽極在熔鹽電解質體系中成功制備金屬鈦。采用本發明所述以鈦碳硫可溶性陽極，在熔鹽電解過程中將在陰極沉積金屬鈦，陽極產生CS₂氣體，且該氣體有效的應用于礦石的處理制備硫化鈦原料，是一種工藝簡單、能耗低、連續化生產且實現能源資源的高效循環利用。

技術領域

本發明屬于有色金屬提取技術領域，特別涉及含鈦礦的二硫化鈦處理、鈦碳硫可溶性陽極的制備和高純鈦金屬的熔鹽提取方法。采用該鈦碳硫陽極電解在陰極上直接沉積得到金屬鈦，陽極產生的CS₂氣體實現能源材料循環高效利用。且整個電解過程中不產生陽極泥從而可實現連續化電解，將大幅降低鈦的金屬提取成本和含鈦礦石的高效資源化利用。

背景技術

金屬鈦因其優異的物理化學性能，而被廣泛應用于航空、航天、石油、化工、汽車、醫療器械、民用建筑等領域，而被俗有“未來金屬”、“戰略金屬”等美譽。

到如今，金屬鈦工業化生產工藝主要以Kroll法為主，即金屬鎂還原四氯化鈦法。其核心工藝是先將金屬鎂放入到反應器中，并加熱到800～900℃，然后以一定的速度加入TiCl₄與熔融的金屬Mg進行反應而制備Ti，其純度約為99.7％。但是其冶金生產過程復雜、能耗大、成本高，并且需要高純四氯化鈦。從而造成金屬鈦的生產價格昂貴，大大限制了金屬鈦在民用市場的廣泛應用。

為了尋找一種能夠有效代替Kroll法的工藝，廣大科研工作對TiO₂在熔體中的性能進行相關研究。2000年英國劍橋大學D.F.Fray教授課題組提出以壓制燒結后的TiO₂為陰極，石墨棒為陽極，在CaCl₂電解質中進行電脫氧工藝,該工藝被稱為FFC劍橋法(WO09963638)。目前，該工藝尚未工業化應用生產，主要是由于以下因素的影響：(1)電流效率較低；(2)陰極脫氧過程較為復雜；(3)TiO₂的純度需要較高。相比于FFC工藝，2002年日本京都大學的Okabe和Ono研究組在氯化鈣熔鹽中，將TiO₂用電解得到的活性Ca還原TiO₂為鈦金屬。該工藝是通過陰極電解分解出的金屬鈣進一步還原TiO₂而得到。目前該工藝也沒有工業化應用，其主要原因是存在電流效率低、產品含氧量較高以及對二氧化鈦原料的要求較高等問題。該兩項工藝都是針對電解槽體系中的陰極進行研究。

麻省理工學院的Sadoway教授課題在1700℃下電解含TiO₂氧化物的溶體，成功得到了液態金屬鈦。雖然該工藝簡單，可連續生產，同時在陽極得到O₂；但是該工藝的電解溫度巨高，對使用的坩堝和陽極材料需要極大的挑戰，造成高昂的生產成本。并且陰極得到的鈦在熔鹽渣的底部，造成較高的氧含量，難于氧化物渣進行分離。因此，目前仍然無法工業化生產電解金屬鈦。

對于可溶性陽極的研究大約從上個世紀50年代開始，但都是針對碳化鈦系列陽極進行。約1950年，E.Wainer教授以TiC和TiO為原料混合后，在2100℃下采用電弧爐熔煉形成TiC-TiO固溶體，并以該材料為陽極在氯化物溶體中進行電解，研究發現在陽極區域有CO氣體生成，并且熔鹽中沒有陽極泥的產生，經長時間電解后，在陰極電極上沉積有金屬鈦。

日本學者Y.Hashimoto在TiO₂和C過量的混合物中，采用電弧熔煉制備氧摻雜碳化鈦，并以其為陽極在熔鹽中長時間電解，在陰極制備出了金屬鈦。但是其陽極制備過程中仍然依賴于高溫(1700℃)的還原條件下，并且如果C含量過高，長時間電解將會造成陰陽極間的短路以及陽極泥的產生。