专利名称：一种环保型金属提炼方法
技术领域：
本发明涉及一种环保型的金属提炼方法，属于电化学冶金技术领域。
背景技术：
金属材料特别是钢铁是现代生产和生活中最重要的基础材料，现行的炼铁和炼钢方法消耗大量的化石能源。每年全球粗钢产量超过十几亿吨，同时产生超过20亿吨的温室 气体。钢铁行业的节能减排任务十分紧迫。除了对现有工艺进行节能降耗的改造之外，研发诸如氢气还原、电解等新方法也在世界各国展开。随着可再生电力(如太阳能发电、风能发电等)的发展，用电子而非碳作为还原剂还原金属将具有广阔的发展前景，代表未来的发展趋势。近年来研发绿色电解炼铁技术日益活跃。最近美国麻省理工学院报道了在1575°C的高温下电解熔融氧化物制备液态金属铁和氧气(Journal of ElectrochemicalSociety, 2011)，但需用到贵金属铱做惰性阳极，难以大规模推广应用。有学者报道了在低温熔盐中电沉积制备金属铁(Chem. Commun. , 2010),但产物为枝晶,难以与熔盐分离。也有学者报道了在氯化钙基熔盐中电解还原固态化合物制备了金属铁(J. Mater. Sci.Technol.，2009)，但是氯化物熔盐中目前尚难以找到可实用化的惰性阳极，研究者采用石墨阳极仍然会排放温室气体。研究新的无温室气体排放的低成本炼铁技术十分迫切。在铁重掺入镍、铬、钴、锰、铌等金属可冶炼制备不同性能和用途的钢材(如不锈钢、工具钢等)，而这些合金元素目前主要由水溶液电解(镍、钴、锰)和金属热还原(铬、铌)来生产，能耗大，且会产生大量废水，污染环境。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种环保型的金属提炼方法。本发明是通过如下的技术方案实现的
将固态金属氧化物制成多孔块体，并与导电集流体复合形成阴极，配之以惰性阳极；电解质为500-850°C的Na2CO3-K2CO3基熔盐，在阴阳极间施加电压进行电解，所施加的电压足以使阴极固态金属氧化物发生电化学还原但熔盐电解质不被分解；电解一定时间后取出固态阴极，水洗、干燥，即得到相应的金属或合金。上述的金属提炼方法，阴极固态氧化物为氧化铁、氧化镍、氧化钴、氧化铬、氧化锰或它们与其它金属氧化物的混合物。上述的金属提炼方法，惰性阳极为SnO2、铁酸镍陶瓷阳极。上述的金属提炼方法，惰性阳极也可以为镍基合金。上述的金属提炼方法，惰性阳极还可以为铜/铁酸镍金属陶瓷、镍/铁酸镍金属陶瓷。上述的金属提炼方法，在阴阳间间施加I. 5-4V电压电解。
上述的金属提炼方法，电解产物为铁粉、镍粉、钴粉、铬粉、不锈钢粉末或它们与其它金属形成的合金粉末。上述的金属提炼方法，电解产物为多孔泡沫金属。本发明方法是基于一种优选的熔盐体系，其具有足够宽的电位窗口并与电极材料具有良好的相容性。采用固态阴极电解，通过直接固态还原或阴极微区的溶解沉积的原理避免了阴极枝晶的生长。辅之以适于这种熔盐体系的惰性阳极，可在阴极可得到纯净的多孔泡沫金属，在阳极产生氧气，电流效率高，是一条无温室气体排放的低成本的冶金技术。
图I实施例I所制得铁粉SEM图。图2实施例2所制得泡沫铁形貌。
具体实施例方式下面通过实施例来说明本发明，其在于进一步描述而非限制本发明。实施例I :将Fe2O3粉末压制成片，700-900°C烧结2小时，将之与铁丝复合制成电解用的阴极。以SnO2陶瓷为阳极，在温度为600-740°C的Na2CO3-K2CO3混盐电解质中，施加
I.5-2. OV槽压电解5小时，电解过程中用气相色谱仪检测阳极气体，检测到有氧气产生。电解完成后，发现阳极没有消耗。取出阴极水洗除盐，得到纯净的金属铁粉(如图I所示)。计算电流效率可高达95%，每公斤铁粉电解能耗小于2. 9kffh.
实施例2 :将Fe2O3粉末压制成片，700-900°C烧结2小时，将之与铁丝复合制成电解用的阴极。以镍合金(NiCuAl)为阳极，在温度为740-850°C的Na2CO3-K2CO3混盐电解质中，施加2. 0-4. OV槽压电解2-5小时，电解过程中用气相色谱仪检测阳极气体，检测到有氧气产生。电解完成后，发现阳极没有消耗。取出阴极水洗除盐，得到纯净的泡沫状金属铁(图2)。计算电流效率可高达90%，每公斤铁电解能耗小于3. Okffh.
实施例3 :将Fe2O3, NiO, Cr2O3粉末按一定比例混合压制成片，700_900°C烧结2小时，将之装入不锈钢篮网中制成电解用的阴极。以掺铜的铁酸镍金属陶瓷为阳极，在温度为600-850°C的Na2CO3-K2CCV混盐电解质中，施加I. 8-3. OV槽压电解5_10小时，电解过程中用气相色谱仪检测阳极气体，检测到有氧气产生。电解完成后，发现阳极没有消耗。取出阴极水洗除盐，得到纯净的FeNiCr不锈钢粉末。实施例4 :将Fe2O3, Nb2O5粉末按一定比例混合后压制成块，700-1000 °C烧结2小时，将之与铁丝复合制成电解用的阴极。以镍合金为阳极，在温度为700-850°C的Na2CO3-K2CCV混盐电解质中，施加2. 2-2. 8V槽压电解4_8小时，电解过程中用气相色谱仪检测阳极气体，检测到有氧气产生。电解完成后，发现阳极没有消耗。取出阴极水洗除盐，得到纯净的铌铁粉末。 实施例5 :将Fe2O3, MnO2粉末按一定比例混合后压制成块，700-800 °C烧结2小时，将之与铁丝复合制成电解用的阴极。以镍合金为阳极，在温度为500-750°C的Na2CO3-K2CO3-Li2CCV混盐电解质中，施加I. 5-2. 8V槽压电解4_8小时，电解过程中用气相色谱仪检测阳极气体，检测到有氧气产生。电解完成后，发现阳极没有消耗。取出阴极水洗除盐，得到纯净的铁锰合金粉末。
实施例6 :将NiO粉末压制成片，700-900°C烧结2小时，将之与镍网复合制成电解用的阴极。以镍合金为阳极，在温度为600-740°C的Na2CO3-K2CO3-KCl混盐电解质中，施加 I.5-2. OV槽压电解5小时，电解过程中用气相色谱仪检测阳极气体，检测到有氧气产生。电解完成后，发现阳极没有消耗。取出阴极水洗除盐，得到纯净的金属镍粉。计算电流效率高于95%，每公斤镍粉电解能耗小于2kWh。
权利要求
1.一种环保型金属提炼方法，其特征在于，将固态金属氧化物制成多孔块体，并与导电集流体复合形成阴极，配之以惰性阳极；电解质为500-850°C的Na2CO3-K2CO3基熔盐，在阴阳极间施加电压进行电解，所施加的电压足以使阴极固态金属氧化物发生电化学还原但却不会分解熔盐电解质；电解一定时间后取出固态阴极，水洗、干燥，即得到相应的金属或合金。
2.根据权利要求I所述的金属提炼方法，其特征在于，阴极固态氧化物为氧化铁、氧化镍、氧化钴、氧化铬、氧化锰或它们与其它金属氧化物的混合物。
3.根据权利要求I或2所述的金属提炼方法，其特征在于，惰性阳极为SnO2、铁酸镍陶瓷阳极。
4.根据权利要求I或2所述的金属提炼方法，其特征在于，惰性阳极为镍基合金。
5.根据权利要求I或2所述的金属提炼方法，其特征在于，惰性阳极为铜/铁酸镍金属陶瓷、镍/铁酸镍金属陶瓷。
6.根据权利要求I或2所述的金属提炼方法，其特征在于，在阴阳间间施加I.5-4V电压电解。
7.根据权利要求I或2所述的金属提炼方法，其特征在于，电解产物为多孔泡沫金属。
8.根据权利要求I或2所述的金属提炼方法，其特征在于，电解产物为金属粉末或合金粉末。
全文摘要
本发明涉及一种环保型金属提炼方法。将固态金属氧化物制成多孔块体，并与导电集流体复合形成阴极，配之以惰性阳极；电解质为500-850oC的Na2CO3-K2CO3基熔盐，在阴阳极间施加电压进行电解，所施加的电压足以使阴极固态金属氧化物发生电化学还原但却不会分解熔盐电解质；电解一定时间后取出固态阴极，水洗、干燥，即得到相应的金属或合金。本方法电流效率高，是一条无温室气体排放的低成本的冶金技术。
文档编号C25C5/04GK102899689SQ201110209500
公开日2013年1月30日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者汪的华, 尹华意, 朱华 申请人:武汉大学