利用复合电解质回收钠渣制备金属钠的方法和装置

本发明涉及金属钠的制备，具体而言，涉及一种利用复合电解质回收钠渣制备金属钠的方法和装置。

背景技术：

1、钠属于碱金属元素，化学性质非常活泼。金属钠在国民经济中发挥着重要作用，在工业生产中有着广泛的应用价值，近些年来一直在国内外市场上供不应求。随着世界范围的能源短缺以及在民用核电的普及发展的背景下，发展核电成为世界各国一个保护环境和节约能源的重要选择。能够作为理想的核反应堆换热介质就是金属钠，其具有相当好的市场前景；在蓄电池行业，金属钠可以用于制造钠硫蓄电池，作为驱动车辆的动力和电站储能的装置，由于其优越的性能，成为该行业的一个发展趋势；在冶金行业中由于金属钠具有强还原性，常被用来冶炼难熔金属；在纺织印染行业，金属钠被用于生产人工靛蓝；在医药行业，金属钠被用于生产医药中间体；在石油化工行业，金属钠用于生产石油脱硫剂、三苯膦等；在汽车行业，金属钠用于生产叠氮化钠，用于生产安全气囊，为行车安全提供了保障。

2、工业生产钠主要是采用电解的方法，主要是碱法电解和盐法电解两种。第一种碱法电解，即采用电解naoh来制取金属钠。第二种是东斯熔盐电解的制钠工艺，是目前工业生产金属钠的主要方法。该工艺将氯化钠、氯化钙、氯化钡按比例混合形成三元电解质降低混合盐熔点后进行电解生成金属钠和氯气。经过上述步骤，电解槽分离出金属钠后会残留一定量的电解渣，也就是钠渣。随着精钠提纯工艺的改进，目前钠渣生成量为金属钠产量的1.5-3％，钠渣中含有高达60-85％的金属钠成分，并含有15-40％的金属钙组分。

3、由于钠渣中高金属钠组分含量，具有安全隐患，如何安全处置回收钠渣成为制钠工厂亟待解决的问题。

4、目前现有的钠渣处理方法主要包括公开号为cn112159307a的专利申请提供的醇解法、公开号为cn111363922a的专利申请提供的真空蒸馏法、公开号为cn115852168a的专利申请提供的熔融压滤法等。但这些方法由于需要大批使用有机溶剂或使用较高热压，存在很大的安全隐患并极大地增加了企业的处理成本，不符合原子经济法的理念。

5、因此开发一种危险性小，经济成本低，实现钠渣资源利用尤其是高钙钠渣的综合回收的方法是金属钠行业迫切解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种利用复合电解质回收钠渣制备金属钠的方法和装置，以解决现有技术中的钠渣回收成本高、危险性高的问题。

2、为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种利用复合电解质回收钠渣制备金属钠的方法，该方法包括：步骤s1，将液态钠渣进行离心分离，得到金属钠和高钙钠渣；步骤s2，将高钙钠渣作为阳极，在电解液中进行电解，得到金属钠和氯化钙；电解液为包括氯化钠的复合电解质。

3、进一步地，离心在保护气中进行，保护气包括氮气、氩气和氦气中的任意一种或者多种；

4、优选的，离心的转速为1000-5000rpm，更优选为2000-4000rpm；

5、优选的，离心的时间为1-30min，更优选为1-20min。

6、进一步地，高钙钠渣中，钙的含量为20％-60％。

7、进一步地，复合电解质包括氯化钠和熔点干扰剂a，熔点干扰剂a包括氯化钙、氯化钡和氯化锶中的任意一种或者多种；

8、优选的，复合电解质中，氯化钠、氯化钙、氯化钡、氯化锶的重量比为：(20-70)：(0-80)：(0-80)：(0-80)；

9、进一步优选的，熔点干扰剂a包括氯化钙、氯化钡和氯化锶；更优选的，复合电解质中，氯化钠、氯化钙、氯化钡、氯化锶的重量比为(30-66)：(12-42)：(25-55)：(11-36)。

10、进一步地，复合电解质包括熔点干扰剂a和熔点干扰剂b中的任意一种或者多种，熔点干扰剂b包括氯化镁、氯化钾、氯化锆中的任意一种或多种；

11、优选的，熔点干扰剂b的含量为复合电解质的0wt％-40wt％，更优选为12wt％-36wt％。

12、进一步地，复合电解质通过以下方法制备得到：步骤a1，将复合电解质的原料盐溶解于溶剂中，得到混合溶液；步骤a2，将混合溶液进行重结晶，得到复合电解质；

13、优选的，溶剂选自水、乙醇、甲醇、丙酮和异丙醇中的任意一种或者多种；

14、优选的，原料盐与溶剂的质量比为1：(1.5-4)，更优选为1：(2-3)；

15、优选的，步骤a1中，溶解的温度为40-120℃，更优选为50-90℃；

16、优选的，步骤a2包括将混合溶液进行降温，至降温终点，保温一段时间，分离溶剂，得到复合电解质；

17、优选的，降温的速率为10℃/h-25℃/h；

18、优选的，降温终点为0-30℃，优选为5-25℃；

19、优选的，保温的时间为0.5-3h。

20、进一步地，电解的电位差为2.5v～5.5v；

21、优选的，电解的温度为400-810℃，优选为450-600℃；

22、优选的，电解的阴极为金属钠。

23、根据本技术的另一个方面，提供了一种采用上述方法的回收钠渣制备金属钠的装置，该装置包括：离心单元，经设置将钠渣离心，分离得到金属钠和高钙钠渣；电化学反应单元，经设置将高钙钠渣作为阳极，在含有氯化钠的电解液中进行电解，得到金属钠和氯化钙。

24、进一步地，电化学反应单元包括阳极、阴极、隔膜、氯气收集器和金属钠收集器；其中，氯气收集器经设置收集阳极产生的氯气，金属钠收集器经设置收集阴极生成的金属钠；

25、优选的，阳极设置有阳极管道，高钙钠渣经阳极管道输入至电解液中；

26、优选的，阳极管道位于电解液内部的部分为网状；

27、优选的，阴极的材质为金属钠。

28、进一步地，该装置还包括电解质制备单元，经设置采用上述的方法制备复合电解质。

29、应用本发明的技术方案，由于金属钠的密度比金属钙的密度小，钠渣在熔融态下进行离心，能够发生超重力效应，有效分离出一部分的金属钠和钙组分含量较高的高钙钠渣。将钠渣离心分离得到的高钙钠渣，不仅能够高效分离出一部分金属钠，而且不同于钠渣中的钙组分被钠包裹，高钙钠渣中的钙组分增加，并且充分释放出来，便于后续步骤的高钙钠渣电解以及在电驱动下的置换反应的进行。

30、将高钙钠渣作为阳极进行电解，在电解过程中，电解质中的氯化钠转化为钠阳离子和氯阴离子变成自由运动状态，在该熔融状态的液体中通入直流电，在电场的作用下，带正电的钠阳离子向阴极移动，在阴极上放电，生成金属钠；带负电的氯阴离子向阳极移动，与钙离子发生反应生成氯化钙。在电场的驱动作用下，金属钙与氯化钠发生置换反应，得到金属钠和氯化钙，提高了该置换反应的速率，降低了反应温度，有利于节约能耗，降低反应进行的难度，很大程度的改善了钠渣回收过程中的工作环境。进一步地，生成的氯化钙可作为电解质关键组分进行回收，用于金属钠生产，构建了电解质再生循环利用技术，符合原子经济学原理，实现了钠渣中钠钙资源的高值化再利用。