[发明专利]一种金属钛的制备装置以及制备方法

说明书

本发明公开了一种金属钛的制备装置以及制备方法，属于电化学冶金技术领域，解决了现有技术中的电解法制备金属钛电解效率低、电解产物氧含量高以及制备过程复杂的问题。上述制备方法，阳极室内，阳极室NaCl熔盐发生氧化反应生成Cl₂和Na⁺，钛氧化物、碳质还原剂以及生成的Cl₂发生碳热氯化反应生成TiCl₄；生成TiCl₄通入阴极室NaCl熔盐，Na⁺通过钠离子传导坩埚定向迁移至阴极室；阴极室内，Na⁺还原形成金属钠，溶解在阴极室NaCl熔盐中，TiCl₄与金属钠发生还原反应，生成金属钛和NaCl熔盐。上述制备装置包括电源、阴极导电坩埚、阳极导电坩埚和钠离子传导坩埚。上述金属钛的制备装置以及制备方法可用于制备金属钛。

技术领域

本发明涉及一种电化学冶金技术，尤其涉及一种金属钛的制备装置以及制备方法。

背景技术

金属钛具有耐腐蚀、密度轻、无毒无磁、比强度高等优异性能，广泛应用于航空航天、船舶、化工、医疗器材等领域。

现有技术中，可以采用电解法制备金属钛，其电解方式可以包括熔池直接电解(如TiCl₄、K₂TiF₆的直接电解)、阴极脱氧电解(如剑桥工艺FCC法)、自溶阳极电解(北京科技大学USTB工艺)和阴极电解还原(如日本京都大学OS工艺)。

但是，采用熔池直接电解，TiCl₄、K₂TiF₆在电解质内的溶解度较低，导致熔池直接电解效率较低；阴极脱氧电解以及阴极电解还原中，电解产物氧含量较高，且阴极脱氧电解电流效率较低，通常不超过30％；自溶阳极电解需要对原料进行预处理形成低价钛氧化物或碳氧钛化合物，制备过程复杂、能耗较高。

发明内容

鉴于上述情况，本发明旨在提供一种，解决了现有技术中的电解法制备金属钛电解效率低、电解产物氧含量高以及制备过程复杂的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种金属钛的制备方法，包括如下步骤：阳极室内，阳极室NaCl熔盐发生氧化反应生成Cl₂和Na⁺，钛氧化物、碳质还原剂以及生成的Cl₂发生碳热氯化反应生成TiCl₄；生成TiCl₄通入阴极室NaCl熔盐，Na⁺通过钠离子传导坩埚定向迁移至阴极室；阴极室内，Na⁺还原形成金属钠，溶解在阴极室NaCl熔盐中，TiCl₄与金属钠发生还原反应，生成金属钛和NaCl熔盐。

进一步地，包括如下步骤：

步骤S1：阳极室内，以阳极室NaCl熔盐为阳极室电解质，阳极室导电坩埚为电解阳极，阳极室NaCl熔盐发生氧化反应生成Cl₂和Na⁺；

步骤2：阳极室内，钛氧化物、碳质还原剂以及生成的Cl₂发生碳热氯化反应生成TiCl₄和CO溢出；

步骤3：阳极室内，生成的TiCl₄和CO混合气体经冷凝分离得到TiCl₄；

步骤4：分离得到的TiCl₄加压注入阴极室NaCl熔盐，作为制备金属钛的原料步骤1生成的Na⁺通过钠离子传导膜定向迁移至阴极室，还原形成金属钠，溶解在阴极室NaCl熔盐中；

步骤5：阴极室内，TiCl₄与溶解在阴极室NaCl熔盐中的金属钠发生还原反应，生成金属钛和NaCl熔盐。