一种用于电解金属氯化物制备其氧化物的系统的制作方法

本发明属于电解技术领域，具体涉及一种用于电解金属氯化物制备其氧化物的系统。

背景技术：

大多数金属元素的氯化物都可溶于水形成浓度较高的水溶液，而很多金属碳酸盐则不溶或难溶于水，例如碱土金属元素、稀土元素、铁、钴、镍、铝及镓等，这类元素其氧化物及已广泛应用于电子、电器、光学、仪表、冶金、国防与航空航天等领域，其制备方法分为火法和湿法两大类。

以氧化镁为例，大规模生产氧化镁的方法有白云石碳化法、菱镁矿碳化法等，装备主要是直燃式立窑、回转炉、鼓泡碳化设备等；以海水、卤水为原料生产氧化镁，国内使用的主要方法有石灰（或白云石灰）法、氨法（或碳铵法）和烧碱（或纯碱）法，整体过程操作环境差，能耗较高，生产成本高。

以氧化铝为例，拜耳法成为生产氧化铝的主流工艺，但是拜耳法对铝土矿的品质要求比较高，国内很多高铁铝土矿、高硫铝土矿等中低品位铝土矿并不适用拜耳法的生产工艺。且拜耳法流程中母液蒸发耗能很大，并不利于能源节约。拜耳法生产氧化铝的工艺复杂、设备众多、操作也不简单，生产的氧化铝产品也并不总是很理想。

技术实现要素：

针对现有技术及设备中存在的流程长、能耗高以及成本高等难题，本发明提供了一种用于电解金属氯化物制备其氧化物的系统，通过该电解系统对金属氯化物溶液进行电解，可以直接获得相应金属的碳酸盐，并能得到纯度很高的副产品氢气和氯气，所得金属碳酸盐经过煅烧即可得到高品质金属氧化物。

本发明的系统由电解系统、过滤系统、溶解循环系统和煅烧系统构成，其中电解系统由电源装置和电解槽构成，电解槽包括电解槽外壳及其内部交替设置的n个阳极电极板和n个阴极电极板，n个阳极电极板和n个阴极电极板设置在一个横板上方，阳极电极板底端与横板连接；每个阴极电极板两侧分别设有一个阴极工作面，同一个阴极电极板上的两个阴极工作面之间的区域为阴极室，阴极室底部通过横板上的通孔与电解槽内部联通，阴极工作面固定在横板上；每个阳极电极板两侧分别设有一个阳极工作面，同一个阳极电极板上的两个阳极工作面之间的区域为阳极室，每个阳极室外设有阳离子交换膜，阳极室底部连接横板，阳极工作面固定在横板上，阳极室内设有进液管与外部连通；相邻的阳极室和阴极室之间设有搅拌器；电解槽外壳的侧面设有出液管，底部或侧面设有二氧化碳进气管；阳极室上方设有氯气导管与阳极室内部连通；阴极室上方设有氢气导管与阴极室内部连通。

上述装置中，阳极电极板上端连接阳极导电母线板，阳极导电母线板连接直流电源正极；阴极电极板上端连接阴极导电母线板，阴极导电母线板连接直流电源负极。

上述装置中，阴极室内均匀分布有阴极导电柱，阴极导电柱两端分别连接阴极电极板和阴极工作面；阳极室内均匀分布有阳极导电柱，阳极导电柱两端分别连接阳极电极板和阳极工作面。

上述的阴极电极板、阴极工作面、阴极导电柱、阴极导电母线板、二氧化碳进气管和氢气导管的材质为钛基钌材料；阳极电极板、阳极工作面、阳极导电柱、阳极导电母线板、氯气导管、进液管和出液管的材质为钛基钌材料。

上述横板的材质为pvc塑料、橡胶或聚四氟材料。

上述电解槽外壳的材质为pvc塑料、玻璃或有机玻璃。

上述装置中，横板上的阳极电极板和阴极电极板为任意对数，即n≥1；装置体系具有通气、搅拌、快速过滤及干燥的功能，搅拌方式为机械搅拌，或者为机械和气体耦合搅拌，搅拌的作用在于抑制槽底沉淀以及气泡分散，阴极区电解液通过过滤设备，滤液调整浓度后返回阴极区，阳极区电解液通过溶解槽调整溶液浓度后返回阳极区，分别实现阴阳极电解液的连续循环。

上述装置的使用方法按以下步骤进行：

1、向装置内加入金属氯化物溶液，使阴极室充满该金属氯化物溶液；通过阳极室顶部的进液管将该金属氯化物溶液注满阳极室内；

2、通过连接直流电源的阴极导电母线板和阳极导电母线板，分别向各阴极和各阳极通电对该金属氯化物溶液进行电解，同时通过电解槽底部或侧面的二氧化碳的进气管向电解槽内通入二氧化碳气体；

3、将阴极室和阳极室内电解产生的氢气和氯气分别通过氢气导管和氯气导管收集；

4、阴极室及电解槽内的悬浊液被不断抽出，经过滤后，添加金属氯化物调整浓度重新加入电解槽内，实现溶液的循环使用；当电解进行至阳极室内溶液浓度降低时，通过进液管向阳极室内添加新的金属氯化物溶液，并将阳极室内原有金属氯化物溶液排出，使阳极室内溶液浓度维持稳定；

5、将过滤得到的金属碳酸盐沉淀洗涤、烘干、高温煅烧，所得二氧化碳气体返回电解过程，最终得到相应金属氧化物产品。

上述方法中，得到的氧化物产品纯度≥97%。

上述方法中，电解的工艺条件为：温度为10~90℃，电解为直流电，槽电压≥2.2v，电流密度为0.01~0.60a/cm²。

上述方法中，二氧化碳与电解液中氢氧根（或金属氢氧化物）反应，结合阳极室内经阳离子交换膜进入阴极液中的金属阳离子，生成金属碳酸盐沉淀；金属电解液流出后经过滤设备，滤液进入溶解槽以作为补充电解液循环使用，过滤得到的碳酸盐经煅烧后得到金属氧化物。

与现有技术相比，本发明具有的优势在于：

(1)本发明采用循环的电解装置系统制得纯度较高的金属碳酸盐或氧化物，电解工艺步骤简单，自动化程度高，产品纯度高，生产成本低，易大规模生产；

(2)本发明的方法将产生的金属碳酸盐快速移出电解槽进入过滤系统，降低了金属碳酸盐二次溶解或反溶于电解液的量，最大限度的获得碳酸盐产品；

(3)本发明的装置使用过程中，阴、阳极分别产生比较纯的氢气和氯气，可进行干燥、收集以作为副产品。

附图说明

图1为本发明的一种用于电解金属氯化物制备其氧化物的系统中电解槽部分的主视剖面结构示意图；

图2为图1所示系统的俯视图；

图3为本发明的一种用于电解金属氯化物制备其氧化物的系统整体结构示意图；

图中，1.电解槽外壳，2.横板，3.阳极电极板，4.阴极电极板，5.阳极工作面，6.阴极工作面，7.阳极导电柱，8.阴极导电柱，9.阳离子交换膜，10.氯气导管，11.氢气导管，12.阳极进液管，13.搅拌器，14.槽底二氧化碳进气管，15.槽侧二氧化碳进气管，16.阴极出液管，17.co2储气罐，18.气体流量计，19.阴极室，20.阳极室，21.第一溶解槽，22.第一泵，23.直流电源，24.过滤机，25.干燥箱，26.第二溶解槽，27.第二泵。

具体实施方式

本发明实施例中以氯化镁为例，在所述电解装置中进行溶液电解。

本发明的系统体系具有通气、搅拌、快速过滤及煅烧的功能，搅拌方式为机械搅拌，或者为机械和气体耦合搅拌，搅拌的作用在于抑制槽底沉淀以及气泡分散，阴极区电解液通过过滤设备，滤液调整浓度后返回阴极区，阳极区电解液通过溶解槽调整溶液浓度后返回阳极区，分别实现阴阳极电解液的连续循环。

本发明实施例中的采用的钛基钌材料为市购产品。

本发明实施例i中采用的阳离子交换膜为市购产品。

实施例1

用于电解金属氯化物溶液制取氧化镁的系统整体结构如图3所示，由电解系统、过滤系统、溶解循环系统和煅烧系统构成，包括co2气瓶17，气体流量计18，第一溶解槽21，第一泵22，直流电源23，过滤机24，干燥箱25，第二溶解槽26和第二泵27；其中电解系统由电源装置和电解槽构成；co2气瓶17通过气体流量计18与阴极室19连通，阴极室19与第一泵22、第一溶解槽21和过滤机24构成循环回路，干燥箱25用于接收过滤机24产生的固体物料；阳极室20与第二溶解槽26和第二泵27构成循环回路；

电解槽部分的结构如图1所示，俯视图如图2所示，包括电解槽外壳1及其内部交替设置的3个阳极电极板3和3个阴极电极板4，阳极电极板3和阴极电极板4设置在一个横板2上方，阳极电极板3底端与横板2连接；每个阴极电极板4两侧分别设有一个阴极工作面6，同一个阴极电极板4上的两个阴极工作面6之间的区域为阴极室19，阴极室19底部通过横板2上的通孔与电解槽内部联通，阴极工作面6固定在横板2上；

每个阳极电极板3两侧分别设有一个阳极工作面5，同一个阳极电极板3上的两个阳极工作面5之间的区域为阳极室20，每个阳极室20外设有阳离子交换膜9，阳极室20底部连接横板2，阳极工作面5固定在横板2上，阳极室20内设有阳极进液管12与外部连通；相邻的阳极室20和阴极室19之间设有搅拌器13；电解槽外壳1的侧面设有阴极出液管16，底部和侧面分别设有槽底二氧化碳进气管14和槽侧二氧化碳进气管15；阳极室20上方设有氯气导管10与阳极室20内部连通；阴极室19上方设有氢气导管11与阴极室19内部连通；

阳极电极板3上端连接阳极导电母线板，阳极导电母线板连接直流电源23正极；阴极电极板4上端连接阴极导电母线板，阴极导电母线板连接直流电源23负极；

阴极室19内均匀分布有阴极导电柱8，阴极导电柱8两端分别连接阴极电极板4和阴极工作面6；阳极室20内均匀分布有阳极导电柱7，阳极导电柱7两端分别连接阳极电极板3和阳极工作面5；

阴极电极板、阴极工作面、阴极导电柱、阴极导电母线板、二氧化碳进气管和氢气导管的材质为钛基钌材料；阳极电极板、阳极工作面、阳极导电柱、阳极导电母线板、氯气导管、进液管和出液管的材质为钛基钌材料；

横板的材质为pvc塑料；

电解槽外壳的材质为pvc塑料；

采用上述系统电解10%的氯化镁水溶液的方法包括以下步骤：

1.向电解槽内加入金属氯化物溶液，使阴极室和电解槽内充满金属氯化物溶液；通过阳极室顶部的进液管将金属氯化物溶液注满阳极室内；

2.通过连接直流电源的阴极导电母线板和阳极导电母线板，分别向各阴极和各阳极通电对金属氯化物溶液进行电解，控制电流密度在0.1a/cm²，同时通过电解槽底部或侧面的二氧化碳的进气管向电解槽内通入二氧化碳气体；

3.将阴极室、阳极室内电解产生的氢气、氯气分别通过氢气导管、氯气导管收集；

4.阴极室及电解槽内的悬浊液被不断抽出，经过滤后，添加氯化镁调整浓度重新加入电解槽内，实现氯化镁的循环使用；当电解进行至阳极室内溶液浓度降低时，通过进液管向阳极室内添加新的金属氯化物溶液，并将阳极室内原有金属氯化物溶液排出，使阳极室内溶液浓度维持稳定；

6.将过滤得到的碳酸镁洗涤、烘干、高温煅烧，所得二氧化碳气体返回电解过程，最终得到氧化镁产品；

得到的氧化镁产品白度≥97，纯度≥99.5%。

实施例2

系统结构同实施例1，不同点在于：

（1）电解槽1及其内部的5个阳极和5个阴极；

（2）电解槽外壳的侧面设有槽侧二氧化碳进气管；

（3）横板的材质为橡胶；

（4）电解槽外壳的材质为玻璃。

实施例3

系统结构同实施例1，不同点在于：

（1）电解槽1及其内部的1个阳极和1个阴极；

（2）电解槽外壳的底部设有槽底二氧化碳进气管；

（3）横板的材质为聚四氟材料；

（4）电解槽外壳的材质为有机玻璃。