[发明专利]一种电解制取金属钠的方法

说明书

技术领域

本发明属于金属钠的电解制备领域，具体涉及一种钠离子富集及金属钠电解制备的方法，采用钠离子选择性通透膜来分隔电解池的阴极区和阳极区，该隔膜具有钠离子特异选择性和快速通过性能，同时隔离阴极区的非水溶剂和阳极区的水性电解液，在阴极和阳极施加一定电位后，钠离子快速穿过钠离子选择性通透膜进入阴极区富集，其它离子被隔膜所阻挡；钠离子在阴极上被电解还原为金属钠，在阳极上发生相应的氧化反应。该制备方法用于选择性分离复杂水相中的钠离子并制备成高纯度金属钠，该过程无需在熔融状态完成，可在常温常压下进行，节能环保，具有极大优势。

背景技术

金属钠(Na)是一种碱金属元素，被广泛应用于新型能源、冶金、化工、农药、染料、制药等各个领域，具有极大的工业价值。

钠具有很高的反应活性，在自然界中不存在游离态的金属钠。1807年，人们首次利用电解氢氧化钠的方法制得了金属钠，该原理于1891年成功应用于工业生产。1921年，人们应用电解氯化钠的方法实现了金属钠的工业生产。目前，世界上金属钠的生产绝大多数是采用熔盐电解法。电解制备金属钠是在电解槽中进行的，通常阳极为石墨，阴极为镍电极。对于电解熔融氯化钠途径来说，因电解熔融纯氯化钠所需的温度太高(氯化钠的熔点为801℃)，用于实际生产有困难，目前生产金属钠一般是在600℃左右电解熔融二元电解质(氯化钠和氯化钙的混合物)或三元电解质(氯化钠、氯化钙和氯化钡的混合物)，虽经过降温分离，但所得的金属钠中仍含有大量的杂质。具体地，电解过程中，当电流通过熔盐时金属钠被还原出来(反应式1)，浮在阴极上方的熔盐上面，从管道溢出。与此同时，在阳极生成了氯气(反应式2)。

阴极：Na⁺+e^-→Na       (1)

阳极：Cl^--e^-→1/2Cl₂   (2)

为了避免常规熔融电解法制备金属钠所需要的高温，人们尝试了在有机溶剂碳酸丙烯酯中来电解还原钠离子的方法。美国和日本的研究人员分别发现在碳酸丙烯酯中加入一定浓度的NaClO₄、NaPF₆或NaAlCl₄等后，具有良好的钠离子导电性，在直流电压下，钠离子于阴极上被电解为金属钠(美国专利：3791945；J.Appl.Electrochem.，1975，5，279-290；J.Japan Inst.Metals，2009，73，691-694.)。上述研究表明了在室温下于有机相溶剂中电解制备金属钠的可行性。