[发明专利]通过电解还原生产金属的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及通过电解还原包含第一金属的氧化物的原料来生产金属的方法和设备。

背景技术

本发明涉及通过还原包含金属氧化物的原料来生产金属的方法。如从现有技术中已知的，例如可以使用电解法以将金属化合物或半金属化合物还原成金属、半金属或部分还原的化合物，或还原金属化合物的混合物以形成合金。为了避免重复，除非另行指出，否则在本文中将使用术语金属来包括所有这样的产物，例如金属、半金属、合金、金属间化合物。技术人员应理解，术语金属在合适的情况下还可以包括部分还原的产物。

近年来，对于通过直接还原固体金属氧化物原料来直接生产金属存在极大关注。如WO 99/64638中所述，一种这样的直接还原法是剑桥电分解法(Cambridgeelectro-decomposition process)。在FFC法中，固体化合物，例如金属氧化物被布置为与包含熔盐的电解池中的阴极接触。电势施加在池的阴极与阳极之间使得化合物被还原。在FFC法中，生产固体化合物的电势低于来自熔盐的阳离子的沉积电势。

已提出用于还原呈与阴极连接的固体金属化合物形式的原料的其他还原法，例如WO 03/076690中所述的法和WO 03/048399中所述的方法。

直接还原法的典型实施方式通常使用碳基阳极材料。在还原过程期间，碳基阳极材料被消耗并且阳极产物是碳的氧化物，例如气态一氧化碳或二氧化碳。在该过程中碳的存在导致了很多问题，其降低了该方法的效率并且导致了在阴极通过还原产生的金属的污染。对于很多产物，可能期望从体系中完全消除碳。

已做出很多努力以确定在电解期间不被消耗并且释放氧气作为阳极产物的所谓惰性阳极。常规的、容易获得的材料中，锡氧化物已显示出一些有限的成功。更特殊的基于钌酸钙的放氧阳极材料已被提出，但该材料具有有限的机械强度，在处理期间受分解影响，并且昂贵。

对于铀氧化物和其他金属氧化物的还原，已使用铂在基于LiCl盐中作为阳极，但需要非常仔细地控制工艺条件以避免阳极分解，并且这也是昂贵的。对于工业规模的金属生产方法，铂阳极不是经济上可行的方案。

虽然在FFC法中使用放氧阳极可能是期望的，但商业上可行的材料的实际应用似乎难以实现。此外，在放氧阳极的使用中可以产生其他工程上的困难，原因是在直接电解还原法中涉及氧气在高温下的高度腐蚀性。

WO 02/083993中提出了另一阳极体系，其中电解池中的阳极由熔融银或熔融铜形成。在WO 02/083993所公开的方法中，在阴极从金属氧化物中移除的氧通过电解质传输并且溶解在金属阳极中。然后通过在一部分金属阳极上局部降低氧气分压来连续移除溶解的氧。该另一阳极体系具有有限的用途。氧的移除取决于氧可扩散入熔融的银或铜阳极材料的速率。此外，该速率还取决于通过在一部分阳极上局部降低分压来连续移除氧。因此，该方法似乎不是商业上可行的生产金属的方法。

发明内容

如所附的独立权利要求所限定，本发明提供了通过电解还原包含金属氧化物的原料来生产金属的方法和设备。在各种从属权利要求中列出了本发明的优选和/或有利的特征。

在第一方面，通过电解还原包含第一金属与氧的氧化物的原料来生产金属的方法可以包括以下步骤：将原料布置为在电解池内与阴极和熔盐接触，将阳极布置为在电解池内与熔盐接触，并且在阳极和阴极之间施加电势使得从原料中移除氧。阳极包含熔融金属，其为不同于包含在原料中的第一金属的金属。该熔融金属可以称为第二金属。虽然第二金属在室温下可以不是熔融的，但当在阳极和阴极之间施加电势时，其在池内的电解温度下熔融。从原料移除的氧通过盐传输至阳极，其在阳极与阳极的熔融金属反应以形成包含熔融阳极金属和氧的氧化物。

原料可以呈氧化物的颗粒或粉末的形式，或可以呈由粉末金属氧化物形成的颗粒或预成型形状的形式。原料可以包含多于一种氧化物，即多于一种金属种类的氧化物。原料可以包含具有多种金属种类的复合氧化物。原料可以仅包含一种金属氧化物例如二氧化钛或五氧化二钽。

在此方面所述的本发明与WO 02/083993的现有技术公开之间的关键差异是，本发明的熔融阳极金属在电解过程期间被消耗。换言之，熔融阳极金属必须是在与氧类物质接触时易于氧化的金属，以形成包含第二金属和氧的氧化物。