一种电解制备金属钠的阴极装置的制作方法

本实用新型涉及一种电解制备金属钠的阴极装置，尤其涉及一种以氢氧化钠熔融电解制备金属钠的阴极装置，属于金属钠的熔融电解制备或提纯技术领域。

背景技术：

钠是地球上分布最广的元素之一，其重量约占地壳总重量的2 .83％，居第6位。基于金属钠的化学性质活泼（如：还原性）、熔点低，以及具有良好的导热性、比热容、导电性等一系列特点，应用范围很广。其可用于制造二次能源钠硫电池，从稀有金属化合物中还原稀有金属，涡轮增压发动机中的冷却剂，钠冷快中子核反应堆冷却剂以及潜艇上用的供氧剂超氧化钠等等。尤其近年来福建霞浦钠冷快堆600MW示范电站的建设，高纯金属钠市场在不断拓展，随着霞浦钠冷快堆示范电站的成功运行，将会有大量的钠冷快堆应用于消减目前普通核电站所产生的核废料，据推测：一座钠冷快堆可以消耗五座相同规模的普通核电站的核废料，由此可见，高纯金属钠的市场前景将会非常广阔。

国家知识产权局于2015年07月29日公开了一种公告号为CN104805469A，名称为“一种电解制备金属钠装置的阴极电解槽”的发明专利文献，公开：包括电解槽主体、Na-β-Al2O3隔膜管、顶盖以及密封结构，Na-β-Al2O3隔膜管为顶部开口，底部封闭，并设置在电解槽主体的内部，顶盖设置在电解槽主体的上方，Na-β-Al2O3隔膜管的顶部伸入顶盖的内部，密封结构将顶盖与电解槽主体连接，密封结构将Na-β-Al2O3隔膜管固定，并使Na-β-Al2O3隔膜管的外壁与电解槽主体的内壁之间形成密闭空腔，该空腔为阴极室，Na-β-Al2O3隔膜管的内部与顶盖的内部之间的密闭空腔为阳极室。

国家知识产权局于2018年05月18日公开了一种公告号为CN108048871A，名称为“用于制备高纯金属钠的电解单元”的发明专利文献，公开：包括隔膜陶瓷管、绝缘陶瓷环和阴极部件，阴极部件包括电极棒和金属外罩，电极棒位于隔膜陶瓷管内，金属外罩通过法兰与绝缘陶瓷环连接；金属外罩上设有金属钠液导管，金属钠液导管的一端与电极棒连接，金属钠液导管与电极棒连接处设有精钠内出口，金属钠液导管的另一端为精钠外接口，所述金属外罩上设有电极接口。

上述技术方案存在如下不足之处：

一、由于陶瓷隔膜形状很难做到标准化，因而必须要在陶瓷隔膜的热封接处进行切割，这样会造成陶瓷隔膜很容易从这里破损；

二、由于要热封接，目前热封接成品率较低，造成成本高；

三、维护时，由于更换的部件为包括陶瓷隔膜和陶瓷环热封接件，因而更换的过程复杂和维护成本高；

四、陶瓷隔膜内没有惰性气体保护液态金属钠，高温液态金属钠容易暴露在空气中，形成氧化物甚至燃烧，因而对密封的质量提出了更高的要求。

国家知识产权局于2014年7月9日公开了一件公告号为CN203700555U，名称为“一种电解制备或者提纯金属钠装置的阴极部件”的发明专利，公开：包括Na-β-Al2O3隔膜管，顶部设置有α- Al2O3环，α- Al2O3环顶部设置有第二支架，第二支架上设置有铝环，铝环套接有填充体，填充体和Na-β- Al2O3隔膜管之间有环形空隙，填充体空腔内插有T 型螺丝，T型螺丝内开有出钠通道，出钠通道与环形空隙连通。该技术方案不足之处在于：1、采取金属和陶瓷间焊接的固化连接方式，不利非易损件的重复使用，更换成本高；2、对外接口单一，难以在电解槽上安装以及规模化集成，同时初始加入金属钠导电介质后也难实现及时密封；3、不可实现主动控制排钠，且在电解单元冷却检修后再次使用加热时，电解单元内的金属钠体积膨胀易撑破固体电解质隔膜陶瓷管。

技术实现要素：

本实用新型旨在解决现有技术问题，而提出了一种电解制备金属钠的阴极装置，即提供一种结构简单、气密性好、运输和安装简便，以及排钠方便、完全的电解装置。

为了实现上述技术目的，提出如下的技术方案：

一种电解制备金属钠的阴极装置，包括隔膜陶瓷管及设置在隔膜陶瓷管内的阴极体，隔膜陶瓷管底部密封，顶部套设有第一连接件，隔膜陶瓷管与第一连接件之间设有密封件Ⅰ，第一连接件内套设有密封件Ⅱ，密封件Ⅱ设置在第一连接件下部；

所述隔膜陶瓷管内壁与密封件Ⅱ之间形成密闭的精钠暂存腔，阴极体设置在精钠暂存腔内，阴极体连有阴极管，阴极管依次穿过密封件Ⅱ和第一连接件，并向隔膜陶瓷管外延伸至精钠储存罐；

所述密封件Ⅱ上设有进气口，进气口连有进气管，进气管通过进气口与精钠暂存腔连通，且进气管穿过第一连接件，并向隔膜陶瓷管外延伸至惰性气体储存罐。

优选的，所述第一连接件内还套设有第二连接件，第二连接件设置在第一连接件上部，且第二连接件通过螺栓与第一连接件连接。

优选的，所述第二连接件与密封件Ⅱ之间设有绝缘件。

优选的，所述密封件Ⅰ为唇形密封圈，且唇形密封圈截面呈凹槽型。

优选的，所述密封件Ⅱ为板式密封件。

优选的，所述阴极管通过焊接方式固定在阴极体上。

优选的，所述阴极管通过焊接方式固定在密封件Ⅱ上。

优选的，所述隔膜陶瓷管呈桶状。

惰性气体储存罐内装有氦气、氙气或氩气。

采用本技术方案，带来的有益技术效果为：

1）本实用新型装置通入惰性气体对高纯钠进行保护，同时，调节惰性气体压力让精钠暂存腔内的高纯钠液体排出。本装置结构简单，气密性好，运输方便，排钠方便且完全，有效防止空气及管路零部件的污染，为经熔融电解提纯或制备高精钠提供了良好的保证。本阴极装置可应用于电解熔融制钠或电解提纯钠的技术领域，在这些领域中，通过本阴极装置作用，电解制备金属钠的纯度可达99.99%以上；

2）在本实用新型中，隔膜陶瓷管与第一连接件之间设有密封件Ⅰ，第一连接件内套设有密封件Ⅱ，保证了隔膜陶瓷管内壁与密封件Ⅱ之间的精钠暂存腔的密闭性。阴极管穿过密封件Ⅱ并延伸至精钠储存罐，同时，密封件Ⅱ连有进气管，进气管通有惰性气体，阴极管与进气管之间形成一个“U型槽”并相互连通，经电解提纯的精钠通过隔膜陶瓷管内的惰性气体压力而被快速地排到高纯精钠储存罐中；

3）在电解提纯前，预装金属钠种，通入惰性气体，以充满保护气体的密闭空间隔绝空气，从而方便安装在提纯装置中；

4）本实用新型通过采用唇形密封圈、板式密封件及绝缘件，保证精钠暂存腔的密封性，减少精钠受到污染的可能性，同时，将阴极体与第一连接件及第二连接件隔离，使得阴极体与隔膜陶瓷管之间形成绝缘，进而可以让隔膜陶瓷管既可并联也可串联，灵活多变，提高大规模生产的能源利用效率；

5）在本实用新型中，当电解制备工作进行到一定程度而需要排钠时，经进气口通入保护气体（如：氦气、氙气或氩气），使隔膜陶瓷管内的高纯精钠排出至精钠储存罐中，既能防止浪费又能减少安全隐患，进而确保连续生产的进行。

附图说明

图1 为本实用新型结构示意图（一）

图2为本实用新型结构示意图（二）

图3为本实用新型结构示意图（三）

图中，1、阴极体，2、阴极管，3、进气管，4、密封件Ⅱ，5、第二连接件，6、绝缘件，7、第一连接件，8、密封件Ⅰ，9、隔膜陶瓷管，10、螺栓，11、精钠暂存腔。

具体实施方式

下面通过对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

一种电解制备金属钠的阴极装置，包括隔膜陶瓷管9及设置在隔膜陶瓷管9内的阴极体1，隔膜陶瓷管9底部密封，顶部套设有第一连接件7，隔膜陶瓷管9与第一连接件7之间设有密封件Ⅰ8，第一连接件7内套设有密封件Ⅱ4，密封件Ⅱ4设置在第一连接件7下部；所述隔膜陶瓷管9内壁与密封件Ⅱ4之间形成密闭的精钠暂存腔11，阴极体1设置在精钠暂存腔11内，阴极体1连有阴极管2，阴极管2依次穿过密封件Ⅱ4和第一连接件7，并向隔膜陶瓷管9外延伸至精钠储存罐；所述密封件Ⅱ4上设有进气口，进气口连有进气管3，进气管3通过进气口与精钠暂存腔11连通，且进气管3穿过第一连接件7，并向隔膜陶瓷管9外延伸至氦气储存罐。

实施例2

一种电解制备金属钠的阴极装置，包括隔膜陶瓷管9及设置在隔膜陶瓷管9内的阴极体1，隔膜陶瓷管9底部密封，顶部套设有第一连接件7，隔膜陶瓷管9与第一连接件7之间设有密封件Ⅰ8，第一连接件7内套设有密封件Ⅱ4，密封件Ⅱ4设置在第一连接件7下部；所述隔膜陶瓷管9内壁与密封件Ⅱ4之间形成密闭的精钠暂存腔11，阴极体1设置在精钠暂存腔11内，阴极体1连有阴极管2，阴极管2依次穿过密封件Ⅱ4和第一连接件7，并向隔膜陶瓷管9外延伸至精钠储存罐；所述密封件Ⅱ4上设有进气口，进气口连有进气管3，进气管3通过进气口与精钠暂存腔11连通，且进气管3穿过第一连接件7，并向隔膜陶瓷管9外延伸至氙气储存罐。

所述第一连接件7内还套设有第二连接件5，第二连接件5设置在第一连接件7上部，且第二连接件5通过螺栓10与第一连接件7连接。

所述第二连接件5与密封件Ⅱ4之间设有绝缘件6。

实施例3

一种电解制备金属钠的阴极装置，包括隔膜陶瓷管9及设置在隔膜陶瓷管9内的阴极体1，隔膜陶瓷管9底部密封，顶部套设有第一连接件7，隔膜陶瓷管9与第一连接件7之间设有密封件Ⅰ8，第一连接件7内套设有密封件Ⅱ4，密封件Ⅱ4设置在第一连接件7下部；所述隔膜陶瓷管9内壁与密封件Ⅱ4之间形成密闭的精钠暂存腔11，阴极体1设置在精钠暂存腔11内，阴极体1连有阴极管2，阴极管2依次穿过密封件Ⅱ4和第一连接件7，并向隔膜陶瓷管9外延伸至精钠储存罐；所述密封件Ⅱ4上设有进气口，进气口连有进气管3，进气管3通过进气口与精钠暂存腔11连通，且进气管3穿过第一连接件7，并向隔膜陶瓷管9外延伸至惰性气体储存罐。

所述密封件Ⅰ8为唇形密封圈，且唇形密封圈截面呈凹槽型。

所述密封件Ⅱ4为板式密封件。

所述隔膜陶瓷管9呈桶状。

实施例4

如图1-3所示：一种电解制备金属钠的阴极装置，包括隔膜陶瓷管9及设置在隔膜陶瓷管9内的阴极体1，隔膜陶瓷管9底部密封，顶部套设有第一连接件7，隔膜陶瓷管9与第一连接件7之间设有密封件Ⅰ8，第一连接件7内套设有密封件Ⅱ4，密封件Ⅱ4设置在第一连接件7下部；所述隔膜陶瓷管9内壁与密封件Ⅱ4之间形成密闭的精钠暂存腔11，阴极体1设置在精钠暂存腔11内，阴极体1连有阴极管2，阴极管2依次穿过密封件Ⅱ4和第一连接件7，并向隔膜陶瓷管9外延伸至精钠储存罐；所述密封件Ⅱ4上设有进气口，进气口连有进气管3，进气管3通过进气口与精钠暂存腔11连通，且进气管3穿过第一连接件7，并向隔膜陶瓷管9外延伸至氩气储存罐。

所述第一连接件7内还套设有第二连接件5，第二连接件5设置在第一连接件7上部，且第二连接件5通过螺栓10与第一连接件7连接。

所述第二连接件5与密封件Ⅱ4之间设有绝缘件6。

所述密封件Ⅰ8为唇形密封圈，且唇形密封圈截面呈凹槽型。

所述密封件Ⅱ4为板式密封件。

所述阴极管2通过焊接方式固定在阴极体1上。

所述阴极管2通过焊接方式固定在密封件Ⅱ4上。

所述隔膜陶瓷管9呈桶状。