一种连续电化学溶解铱粉的方法与流程

本发明涉及一种铱粉的溶解方法，具体涉及一种连续电化学溶解铱粉的方法。

背景技术

铱是一种具有相当延展性的银白色贵金属，面心立方晶体，熔点为2410℃，沸点为4130℃。通常，商品铱是粉末状，即铱粉。目前其国内市场价格在10-20万元/千克。金属铱是合成其他含铱化合物及制备含铱催化剂的初始原料。

铱和铱化合物作为各种化学反应，例如异构化反应、氢甲酰化反应或羰基化反应的催化剂广泛应用。现在，由铱或其化合物催化的特殊的羰基化反应已经受到重视。一个典型例子就是用于制备醋酸或其反应性衍生物的铱催化的甲醇羰基化反应。

制备这些铱的化合物的关键步骤是将铱粉溶解在水溶液中。然而，铱是铱族金属中最稳定最耐腐蚀的金属之一，不能直接溶于盐酸、硫酸、硝酸等常见酸，甚至不能溶于沸腾的王水中。

现有技术用碱金属过氧化物与碱金属和铱粉共融氧化，共融氧化后的铱能溶于王水。或在红热状态下，将氯气通至混有氯化钾或氯化钠的铱粉生成四氯化铱后可溶于王水。

上述各种溶解铱的方法都会引入k⁺或na⁺等杂质离子，溶液中k⁺或na⁺等杂质离子需要采用进一步反应和结晶的方法除去。由于铱的价格昂贵，溶解过程必须要尽量减少铱的损失，而为了去除引入的其他离子，必将会增加制备步骤，加大铱的损失。因此上述现有方法制备出的铱化合物纯度较低。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种连续电化学溶解铱粉的方法，该方法简单方便、不引入其他碱金属离子，直接将铱粉溶解到盐酸中得到含铱的产品物流。

本发明提供一种连续电化学溶解铱粉的方法，包括：

步骤一：设置电解池，所述电解池通过设置于其中的第一隔板分隔成至少两个槽体；所述第一隔板上设有溢流孔；所述槽体通过设置于其中的第二隔板分隔成底部相通的两个电极室；所述电极室内分别设有电极；

步骤二：向所述槽体中连续的加入铱粉和盐酸溶液，并使所述盐酸溶液依次通过所述槽体，在对所述电极施加电压的情况下，发生连续的电解反应；

步骤三：当所述电解池内盐酸溶液中的铱达到一定浓度时，向所述槽体补加盐酸溶液和铱粉，以连续的形成稳定含有该浓度的铱的产品物流。

根据本发明，电解池优选被分隔成4到6个槽体。可以将槽体沿盐酸溶液的进料方向命名为第一槽体、第二槽体…最后一个槽体。在第一槽体的侧壁上设置盐酸进料口，在最后一个槽体的侧壁上设置产品出料口。优选地，盐酸进料口的高度大于产品出料口的高度。

根据本发明，电解池由耐酸非金属不导电材料制造，耐酸非金属不导电材料包括石英玻璃、玻璃、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚丙烯等，优选石英玻璃。

根据本发明，两个电极室通过连通孔道彼此相通，所述连通孔道构成为具有三角形或半圆形的截面。可以将电极室沿盐酸溶液的进料方向命名为第一电极室和第二电极室。

优选地，上述连通孔道构成为具有三角形的截面时，三角形可以为具有80-100度的顶角的等腰三角形，从而形成中间略低的结构，该结构有利于保证铱粉在电解消耗过程中仍能均匀覆盖池底。

根据本发明，第二隔板顶部与电解池顶部的距离为10-30mm。

在本发明的一个优选的实施方式中，所述第一隔板和第二隔板相平行。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述第一隔板和第二隔板相垂直。优选地，相邻两个第一隔板上的溢流孔分别位于所述第二隔板的两侧。

根据本发明，如图1-2所示，盐酸原料储罐(未示出)中的盐酸经输送泵(未示出)由盐酸进料口1进入第一槽体的第一电极室，经连通孔道5进入第一槽体的第二电极室，随着盐酸的持续进料，第二电极室内的液位逐渐升高，到达溢流口4(a)时，流出第一槽体并流入与其相邻的第二槽体的第二电极室，由连通孔道5进入第二槽体的第一电极室，随着盐酸的持续进料，第一电极室内的液位逐渐升高，到达溢流口4(b)。以此类推，盐酸渐次流过电解池的若干槽体，并在此过程中与铱粉发生电解反应，生成含有氯铱酸的产品物流，经设置在最后一个槽体侧壁上的产品出料口2流出。

在本发明的一个优选的实施方式中，溢流口的高度设置为沿盐酸进料方向持平或依次降低。优选地，溢流孔设在距离电解池的顶部30-70mm位置处，溢流孔的孔径为10-15mm。

根据本发明，所述电解池的顶部设有顶盖，所述顶盖上设有供电极穿过的孔。具体的，每个电极穿过顶盖上的孔插入电极室中，优选地，将电极居中的(例如相对于电极室内各侧壁的距离为50-80mm)插入电极室中。

根据本发明，顶盖可以采用耐腐蚀的绝缘材料，例如聚四氟乙烯。电极可以采用直径为φ5-20mm，长度为100-500mm的圆柱体石墨，优选采用光谱级直径为φ6-10mm，长度为200-350mm的圆柱体石墨。另外，电极的长度、尺寸和位置可根据电解池的尺寸确定。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述槽体的上方连通有冷凝加料器，用于冷凝挥发盐酸和向槽体供应铱粉。

根据本发明，冷凝加料器可固定在顶盖上，并贯穿顶盖。优选地，冷凝加料器具有上宽下窄的漏斗形状，例如具有直径为φ30-50mm，长度为50-100mm的粗管和与其连接的直径为φ5-10mm，长度为50-100mm的细管。

在电解反应过程中，可通过冷凝加料器将铱粉均匀地加入电解池中，铱粉加入量可根据电解池的大小、槽体数量等确定，一般为500-1500克。铱粉在池底的堆积面和连通孔道上沿之间的距离应大于5mm。铱粉的质量分数大于95％，优选大于99.9％。另一方面，冷凝加料器还可以作为冷凝管使用，用于将挥发盐酸冷凝、回流至电解池，以避免或减少盐酸的损失。此外，冷凝加料器还可以作为电解池的放空口，用于排气。

在本发明的另一个优选的实施方式中，所述槽体的电极室的长为50-60mm，宽为35-40mm，高为230-320mm。通过将槽体的电极室的尺寸设定在上述特定范围内，能够适宜的兼顾产品的浓度和产量。

在本发明的另一个优选的实施方式中，在位于同一槽体的两个电极室内的电极间施加交流电压形成回路以进行所述电解反应；优选地，施加30-50伏的交流电压，并产生25-35安培的交流电流以进行所述电解反应。

根据本发明，将电解池加满后停止加盐酸，在每个槽体的电极之间施加30-50伏的交流电压，产生25-35安培的交流电流。优选地，每个槽体的电压和电流相同。同时，应保证接电时使用民用单相交流电，只在施加每个槽体的电极之间形成回路，而不在相邻槽体的电极之间形成回路。优选地，恒压进行的电解反应的时间为7-8小时；电解池中盐酸溶液的温度控制在50-100℃，其目的是防止盐酸挥发。此外，由于电解反应中大量放热，为了控制盐酸温度，可将电解池放入循环冷却水槽中，避免温度过高。

在本发明的另一个优选的实施方式中，产品物流中铱的浓度为20-30g/l；优选地所述产品物流的排出流量大于10ml/min，同时向电解池内以相同的流量通入盐酸。

根据本发明，为了保证电解反应的效率和稳定性，可以将产品物流中的铱浓度控制在一个稳定的浓度范围内。可以通过调控盐酸溶液的进料速度和铱粉的添加量和补充供应量来实现上述稳定的铱浓度。

在本发明的另一个优选的实施方式中，盐酸溶液的浓度大于6mol/l，优选为8-10mol/l。

根据本发明，过低的盐酸浓度会影响反应效率，过高的盐酸浓度则会加大盐酸的挥发损失。

本发明的有益效果是：铱粉溶解工艺简单，可以大量连续溶解铱粉，除铱粉和盐酸中的原始杂质外，无任何其他杂质金属离子和负离子引入，原始杂质可以通过控制原料纯度来减少，因此产品纯度高。无任何副产物生成，产品中的盐酸可以回收利用，具有绿色环保优点。尤其在连续工艺上，简化了操作，实现了连续进料连续出料，自动化程度高。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施方式中的电解池的结构示意图。

图2为根据本发明的另一个实施方式中的电解池的结构示意图。

附图标记说明：1为盐酸进料口，2为产品出料口，3为电极，a为第一电极，b为第二电极，4为溢流孔，5为连通孔道，6为冷凝加料器，7为顶盖，8为第一隔板，9为第二隔板。

具体实施方式

实施例1

按照图1所示的结构设置电解池，电解池由石英玻璃制造，由第一隔板8分隔成五个槽体(图1中仅示出三个槽体，本领域技术人员可以理解按照图1所示方式设置五个槽体)。电解池槽体的电极室长55mm，宽40mm，高300mm。第一隔板8和第二隔板9平行设置，第二隔板9距离顶部有20mm空隙，底部有截面为三角形的连通孔道5。通过第二隔板9每个槽体被分割成两个电极室。溢流孔4(a、b)开在第一隔板8的上部，距离顶部50mm的位置，孔径为10mm。在第一槽体的侧壁上设置有盐酸进料口1，在最后一个槽体的侧壁上设置有产品出料口2。槽体上方连通有冷凝加料器6，冷凝加料器6具有上宽下窄的漏斗形状。

电解池的顶部设有顶盖7，所述顶盖7上设有供电极穿过的孔。每个电极3(a、b)穿过顶盖7上的孔(未示出)插入电极室中。电极选用光谱级φ10mm，长度350mm的圆柱体石墨电极，共10根，a、b电极间距为80mm。电解反应时，在a、b电极两端施加40伏的民用交流电，产生25-35安培的交流电流。注意接电时只在电极a、b间形成回路，不可在a、a间或b、b间形成回路。

将800克纯度为99.95％的铱粉通过冷凝加料器6均匀加在电解池的底部，从盐酸加料口1加入8mol/l的优级纯盐酸，直至加满所有槽体。控制循环冷却水槽中冷却水的流量，保持电解池中盐酸温度在80℃左右。通电，开始电解反应，随着铱粉的电解，盐酸中的铱含量逐渐升高，持续电解8小时，当盐酸中的铱含量为25克/升时，继续加入盐酸和铱粉，盐酸的加入速度和铱粉的加入量控制在使盐酸中的铱含量维持在25克/升的浓度，既不升高也不降低，此时盐酸的加入速度为11.5毫升/分钟。

此时溶有25克/升浓度铱的产品物流从产品出料口2排出，形成连续进盐酸原料，连续出含铱盐酸溶液的产品物流。

实施例2

按照与实施例1相同的方式连续电化学溶解铱粉，不同之处在于，电解池槽体的电极室长60mm，宽35mm，高320mm；连通孔道5的截面为半圆形；在电解反应时，在a、b电极两端施加30伏的民用交流电；当盐酸中的铱含量为21克/升时，继续加入盐酸，控制盐酸的加入速度为11.5毫升/分钟，根据铱粉的消耗情况补加铱粉，此时溶有21克/升浓度铱的的产品物流从产品出料口2排出。

实施例3

按照图2所示的结构设置电解池，电解池由石英玻璃制造，由第一隔板8分隔成五个槽体(图2中仅示出四个槽体，本领域技术人员可以理解按照图2所示方式设置五个槽体)。电解池槽体的电极室长58mm，宽40mm，高300mm。第一隔板8和第二隔板9垂直设置，第二隔板9距离顶部有20mm空隙，底部有截面为半圆形连通孔道5。通过第二隔板9每个槽体被分割成两个电极室。溢流孔4(a、b、c、d)开在第一隔板8上侧，距离顶部50mm位置，直径10mm，相邻第一隔板8的溢流孔4开在第二隔板9的两侧。在第一槽体的侧壁上设置有盐酸进料口1，在最后一个槽体的侧壁上设置有产品出料口2。槽体上方连通有冷凝加料器6，冷凝加料器6具有上宽下窄的漏斗形状。

电解池的顶部设有顶盖7，所述顶盖7上设有供电极穿过的孔。每个电极3(a、b)穿过顶盖7上的孔(未示出)插入电极室中。电极选用光谱级φ10mm，长度350mm的圆柱体石墨电极，共10根，a、b电极间距为80mm。电解反应时，在a、b电极两端施加50伏的民用交流电，产生25-35安培的交流电流。注意接电时只在电极a、b间形成回路，不可在a、a间或b、b间形成回路。

将800克纯度为99.95％的铱粉通过冷凝加料器6均匀加在电解池的底部，从盐酸加料口1加入8mol/l的优级纯盐酸，直至加满所有槽体。控制循环冷却水槽中冷却水的流量，保持电解池中盐酸温度在80℃左右。通电，开始电解反应，随着铱粉的电解，盐酸中的铱含量逐渐升高，持续电解8小时，当盐酸中的铱含量为15克/升时，继续加入盐酸和铱粉，盐酸的加入速度和铱粉的加入量控制在使盐酸中的铱含量维持在15克/升的浓度，既不升高也不降低，此时盐酸的加入速度为12毫升/分钟。

此时溶有15克/升浓度铱的产品物流从产品出料口2排出，形成连续进盐酸原料，连续出含铱盐酸溶液的产品物流。

实施例4

按照与实施例3相同的方式连续电化学溶解铱粉，不同之处在于，电解池槽体的电极室长50mm，宽40mm，高320mm；连通孔道5具有三角形截面；盐酸浓度为10mol/l；当盐酸中的铱含量为22克/升时，继续加入盐酸，控制盐酸的加入速度为12毫升/分钟，根据铱粉的消耗情况补加铱粉，此时溶有22克/升浓度铱的的产品物流从产品出料口2排出。

对比例1

按照与实施例1相同的方式连续电化学溶解铱粉，不同之处在于，电解池槽体的电极室长70mm，宽50mm，高350mm；当盐酸中的铱含量为18克/升时，继续加入盐酸，控制盐酸的加入速度为15毫升/分钟，根据铱粉的消耗情况补加铱粉，此时溶有18克/升浓度铱的的产品物流从产品出料口2排出。

对比例2

按照与实施例1相同的方式连续电化学溶解铱粉，不同之处在于，电解池槽体的电极室长35mm，宽30mm，高280mm；当盐酸中的铱含量为26克/升时，继续加入盐酸，控制盐酸的加入速度为5.5毫升/分钟，根据铱粉的消耗情况补加铱粉，此时溶有26克/升浓度铱的的产品物流从产品出料口2排出。

对比例3

按照与实施例1相同的方式连续电化学溶解铱粉，不同之处在于，盐酸的浓度为2mol/l；当盐酸中的铱含量为8克/升时，继续加入盐酸，控制盐酸的加入速度为12毫升/分钟，根据铱粉的消耗情况补加铱粉，此时溶有8克/升浓度铱的的产品物流从产品出料口2排出。

对比例4

按照与实施例1相同的方式连续电化学溶解铱粉，不同之处在于，电解反应时，在a、b电极两端施加100伏的民用交流电，产生5-50安培的交流电流；当盐酸中的铱含量为9克/升时，继续加入盐酸，控制盐酸的加入速度为11.5毫升/分钟，根据铱粉的消耗情况补加铱粉，此时溶有9克/升浓度铱的的产品物流从产品出料口2排出。

对比例5

按照与实施例1相同的方式连续电化学溶解铱粉，不同之处在于，电解反应时，在a、b电极两端施加10伏的民用交流电，产生5-50安培的交流电流；当盐酸中的铱含量为7克/升时，继续加入盐酸，控制盐酸的加入速度为11.5毫升/分钟，根据铱粉的消耗情况补加铱粉，此时溶有7克/升浓度铱的的产品物流从产品出料口2排出。

由上述实验结果可知，电解池槽体的电极室尺寸过大会使产品物流中铱浓度降低，电解池槽体的电极室尺寸过小会使产品产量降低；电压的改变会使产品物流中铱浓度大幅降低；盐酸浓度的改变会使产品物流中铱浓度大幅降低。