一種用於電解金屬氯化物製備其氧化物的系統的製作方法

2023-06-01 11:48:22 2

本發明屬於電解技術領域，具體涉及一種用於電解金屬氯化物製備其氧化物的系統。

背景技術：

大多數金屬元素的氯化物都可溶於水形成濃度較高的水溶液，而很多金屬碳酸鹽則不溶或難溶於水，例如鹼土金屬元素、稀土元素、鐵、鈷、鎳、鋁及鎵等，這類元素其氧化物及已廣泛應用於電子、電器、光學、儀表、冶金、國防與航空航天等領域，其製備方法分為火法和溼法兩大類。

以氧化鎂為例，大規模生產氧化鎂的方法有白雲石碳化法、菱鎂礦碳化法等，裝備主要是直燃式立窯、迴轉爐、鼓泡碳化設備等；以海水、滷水為原料生產氧化鎂，國內使用的主要方法有石灰（或白雲石灰）法、氨法（或碳銨法）和燒鹼（或純鹼）法，整體過程操作環境差，能耗較高，生產成本高。

以氧化鋁為例，拜耳法成為生產氧化鋁的主流工藝，但是拜耳法對鋁土礦的品質要求比較高，國內很多高鐵鋁土礦、高硫鋁土礦等中低品位鋁土礦並不適用拜耳法的生產工藝。且拜耳法流程中母液蒸發耗能很大，並不利於能源節約。拜耳法生產氧化鋁的工藝複雜、設備眾多、操作也不簡單，生產的氧化鋁產品也並不總是很理想。

技術實現要素：

針對現有技術及設備中存在的流程長、能耗高以及成本高等難題，本發明提供了一種用於電解金屬氯化物製備其氧化物的系統，通過該電解系統對金屬氯化物溶液進行電解，可以直接獲得相應金屬的碳酸鹽，並能得到純度很高的副產品氫氣和氯氣，所得金屬碳酸鹽經過煅燒即可得到高品質金屬氧化物。

本發明的系統由電解系統、過濾系統、溶解循環系統和煅燒系統構成，其中電解系統由電源裝置和電解槽構成，電解槽包括電解槽外殼及其內部交替設置的n個陽極電極板和n個陰極電極板，n個陽極電極板和n個陰極電極板設置在一個橫板上方，陽極電極板底端與橫板連接；每個陰極電極板兩側分別設有一個陰極工作面，同一個陰極電極板上的兩個陰極工作面之間的區域為陰極室，陰極室底部通過橫板上的通孔與電解槽內部聯通，陰極工作面固定在橫板上；每個陽極電極板兩側分別設有一個陽極工作面，同一個陽極電極板上的兩個陽極工作面之間的區域為陽極室，每個陽極室外設有陽離子交換膜，陽極室底部連接橫板，陽極工作面固定在橫板上，陽極室內設有進液管與外部連通；相鄰的陽極室和陰極室之間設有攪拌器；電解槽外殼的側面設有出液管，底部或側面設有二氧化碳進氣管；陽極室上方設有氯氣導管與陽極室內部連通；陰極室上方設有氫氣導管與陰極室內部連通。

上述裝置中，陽極電極板上端連接陽極導電母線板，陽極導電母線板連接直流電源正極；陰極電極板上端連接陰極導電母線板，陰極導電母線板連接直流電源負極。

上述裝置中，陰極室內均勻分布有陰極導電柱，陰極導電柱兩端分別連接陰極電極板和陰極工作面；陽極室內均勻分布有陽極導電柱，陽極導電柱兩端分別連接陽極電極板和陽極工作面。

上述的陰極電極板、陰極工作面、陰極導電柱、陰極導電母線板、二氧化碳進氣管和氫氣導管的材質為鈦基釕材料；陽極電極板、陽極工作面、陽極導電柱、陽極導電母線板、氯氣導管、進液管和出液管的材質為鈦基釕材料。

上述橫板的材質為pvc塑料、橡膠或聚四氟材料。

上述電解槽外殼的材質為pvc塑料、玻璃或有機玻璃。

上述裝置中，橫板上的陽極電極板和陰極電極板為任意對數，即n≥1；裝置體系具有通氣、攪拌、快速過濾及乾燥的功能，攪拌方式為機械攪拌，或者為機械和氣體耦合攪拌，攪拌的作用在於抑制槽底沉澱以及氣泡分散，陰極區電解液通過過濾設備，濾液調整濃度後返回陰極區，陽極區電解液通過溶解槽調整溶液濃度後返回陽極區，分別實現陰陽極電解液的連續循環。

上述裝置的使用方法按以下步驟進行：

1、向裝置內加入金屬氯化物溶液，使陰極室充滿該金屬氯化物溶液；通過陽極室頂部的進液管將該金屬氯化物溶液注滿陽極室內；

2、通過連接直流電源的陰極導電母線板和陽極導電母線板，分別向各陰極和各陽極通電對該金屬氯化物溶液進行電解，同時通過電解槽底部或側面的二氧化碳的進氣管向電解槽內通入二氧化碳氣體；

3、將陰極室和陽極室內電解產生的氫氣和氯氣分別通過氫氣導管和氯氣導管收集；

4、陰極室及電解槽內的懸濁液被不斷抽出，經過濾後，添加金屬氯化物調整濃度重新加入電解槽內，實現溶液的循環使用；當電解進行至陽極室內溶液濃度降低時，通過進液管向陽極室內添加新的金屬氯化物溶液，並將陽極室內原有金屬氯化物溶液排出，使陽極室內溶液濃度維持穩定；

5、將過濾得到的金屬碳酸鹽沉澱洗滌、烘乾、高溫煅燒，所得二氧化碳氣體返回電解過程，最終得到相應金屬氧化物產品。

上述方法中，得到的氧化物產品純度≥97%。

上述方法中，電解的工藝條件為：溫度為10~90℃，電解為直流電，槽電壓≥2.2v，電流密度為0.01~0.60a/cm2。

上述方法中，二氧化碳與電解液中氫氧根（或金屬氫氧化物）反應，結合陽極室內經陽離子交換膜進入陰極液中的金屬陽離子，生成金屬碳酸鹽沉澱；金屬電解液流出後經過濾設備，濾液進入溶解槽以作為補充電解液循環使用，過濾得到的碳酸鹽經煅燒後得到金屬氧化物。

與現有技術相比，本發明具有的優勢在於：

(1)本發明採用循環的電解裝置系統製得純度較高的金屬碳酸鹽或氧化物，電解工藝步驟簡單，自動化程度高，產品純度高，生產成本低，易大規模生產；

(2)本發明的方法將產生的金屬碳酸鹽快速移出電解槽進入過濾系統，降低了金屬碳酸鹽二次溶解或反溶於電解液的量，最大限度的獲得碳酸鹽產品；

(3)本發明的裝置使用過程中，陰、陽極分別產生比較純的氫氣和氯氣，可進行乾燥、收集以作為副產品。

附圖說明

圖1為本發明的一種用於電解金屬氯化物製備其氧化物的系統中電解槽部分的主視剖面結構示意圖；

圖2為圖1所示系統的俯視圖；

圖3為本發明的一種用於電解金屬氯化物製備其氧化物的系統整體結構示意圖；

圖中，1.電解槽外殼，2.橫板，3.陽極電極板，4.陰極電極板，5.陽極工作面，6.陰極工作面，7.陽極導電柱，8.陰極導電柱，9.陽離子交換膜，10.氯氣導管，11.氫氣導管，12.陽極進液管，13.攪拌器，14.槽底二氧化碳進氣管，15.槽側二氧化碳進氣管，16.陰極出液管，17.co2儲氣罐，18.氣體流量計，19.陰極室，20.陽極室，21.第一溶解槽，22.第一泵，23.直流電源，24.過濾機，25.乾燥箱，26.第二溶解槽，27.第二泵。

具體實施方式

本發明實施例中以氯化鎂為例，在所述電解裝置中進行溶液電解。

本發明的系統體系具有通氣、攪拌、快速過濾及煅燒的功能，攪拌方式為機械攪拌，或者為機械和氣體耦合攪拌，攪拌的作用在於抑制槽底沉澱以及氣泡分散，陰極區電解液通過過濾設備，濾液調整濃度後返回陰極區，陽極區電解液通過溶解槽調整溶液濃度後返回陽極區，分別實現陰陽極電解液的連續循環。

本發明實施例中的採用的鈦基釕材料為市購產品。

本發明實施例i中採用的陽離子交換膜為市購產品。

實施例1

用於電解金屬氯化物溶液製取氧化鎂的系統整體結構如圖3所示，由電解系統、過濾系統、溶解循環系統和煅燒系統構成，包括co2氣瓶17，氣體流量計18，第一溶解槽21，第一泵22，直流電源23，過濾機24，乾燥箱25，第二溶解槽26和第二泵27；其中電解系統由電源裝置和電解槽構成；co2氣瓶17通過氣體流量計18與陰極室19連通，陰極室19與第一泵22、第一溶解槽21和過濾機24構成循環迴路，乾燥箱25用於接收過濾機24產生的固體物料；陽極室20與第二溶解槽26和第二泵27構成循環迴路；

電解槽部分的結構如圖1所示，俯視圖如圖2所示，包括電解槽外殼1及其內部交替設置的3個陽極電極板3和3個陰極電極板4，陽極電極板3和陰極電極板4設置在一個橫板2上方，陽極電極板3底端與橫板2連接；每個陰極電極板4兩側分別設有一個陰極工作面6，同一個陰極電極板4上的兩個陰極工作面6之間的區域為陰極室19，陰極室19底部通過橫板2上的通孔與電解槽內部聯通，陰極工作面6固定在橫板2上；

每個陽極電極板3兩側分別設有一個陽極工作面5，同一個陽極電極板3上的兩個陽極工作面5之間的區域為陽極室20，每個陽極室20外設有陽離子交換膜9，陽極室20底部連接橫板2，陽極工作面5固定在橫板2上，陽極室20內設有陽極進液管12與外部連通；相鄰的陽極室20和陰極室19之間設有攪拌器13；電解槽外殼1的側面設有陰極出液管16，底部和側面分別設有槽底二氧化碳進氣管14和槽側二氧化碳進氣管15；陽極室20上方設有氯氣導管10與陽極室20內部連通；陰極室19上方設有氫氣導管11與陰極室19內部連通；

陽極電極板3上端連接陽極導電母線板，陽極導電母線板連接直流電源23正極；陰極電極板4上端連接陰極導電母線板，陰極導電母線板連接直流電源23負極；

陰極室19內均勻分布有陰極導電柱8，陰極導電柱8兩端分別連接陰極電極板4和陰極工作面6；陽極室20內均勻分布有陽極導電柱7，陽極導電柱7兩端分別連接陽極電極板3和陽極工作面5；

陰極電極板、陰極工作面、陰極導電柱、陰極導電母線板、二氧化碳進氣管和氫氣導管的材質為鈦基釕材料；陽極電極板、陽極工作面、陽極導電柱、陽極導電母線板、氯氣導管、進液管和出液管的材質為鈦基釕材料；

橫板的材質為pvc塑料；

電解槽外殼的材質為pvc塑料；

採用上述系統電解10%的氯化鎂水溶液的方法包括以下步驟：

1.向電解槽內加入金屬氯化物溶液，使陰極室和電解槽內充滿金屬氯化物溶液；通過陽極室頂部的進液管將金屬氯化物溶液注滿陽極室內；

2.通過連接直流電源的陰極導電母線板和陽極導電母線板，分別向各陰極和各陽極通電對金屬氯化物溶液進行電解，控制電流密度在0.1a/cm2，同時通過電解槽底部或側面的二氧化碳的進氣管向電解槽內通入二氧化碳氣體；

3.將陰極室、陽極室內電解產生的氫氣、氯氣分別通過氫氣導管、氯氣導管收集；

4.陰極室及電解槽內的懸濁液被不斷抽出，經過濾後，添加氯化鎂調整濃度重新加入電解槽內，實現氯化鎂的循環使用；當電解進行至陽極室內溶液濃度降低時，通過進液管向陽極室內添加新的金屬氯化物溶液，並將陽極室內原有金屬氯化物溶液排出，使陽極室內溶液濃度維持穩定；

6.將過濾得到的碳酸鎂洗滌、烘乾、高溫煅燒，所得二氧化碳氣體返回電解過程，最終得到氧化鎂產品；

得到的氧化鎂產品白度≥97，純度≥99.5%。

實施例2

系統結構同實施例1，不同點在於：

（1）電解槽1及其內部的5個陽極和5個陰極；

（2）電解槽外殼的側面設有槽側二氧化碳進氣管；

（3）橫板的材質為橡膠；

（4）電解槽外殼的材質為玻璃。

實施例3

系統結構同實施例1，不同點在於：

（1）電解槽1及其內部的1個陽極和1個陰極；

（2）電解槽外殼的底部設有槽底二氧化碳進氣管；

（3）橫板的材質為聚四氟材料；

（4）電解槽外殼的材質為有機玻璃。