[发明专利]一种从月壤月岩中提取氧气和金属的方法

说明书

本发明提出了一种从月壤月岩中提取氧气和金属的方法，通过真空热分解‑惰性阳极熔盐电解从月壤月岩中提取金属和氧气，步骤如下：(1)在真空气氛下将月壤或月壤仿真样加热至2000～3000℃并保温2～6h，使月壤或月壤仿真样蒸气化并发生分解反应，生成氧气和低价金属氧化物(2)热分解结束后，收集副产物低价氧化物，将其添加在锂冰晶石熔盐中，采用惰性阳极在720～800℃及电流密度0.6～1.4A/cm²条件下，将低价氧化物电化学分离，在阴极获得合金，阳极获得氧气；(3)将收集的氧气进行净化和液化处理后保存备用；同时将电解所得金属产物分批次从电解槽中抽出并浇铸成型，备用。该方法有望为人类未来月球基地建设所必需的消耗性资源氧气和金属的制备提供理论支撑和技术保障。

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种原位利用月壤月岩提取金属和制备氧气的方法。该方法有望为人类未来月球基地建设所必需的消耗性资源氧气和金属的制备提供理论支撑和技术保障。

背景技术

建立月球基地或前哨基站、登陆火星和小行星资源利用一直是人类太空探索研究的热点，也是中长期科学创新与工程技术研究的前沿课题。月球是离地球最近的天体，被誉为永不坠落的天然空间站和太空实验室，是人类向深空进军的必经阶段和重要中转站。氧气是生命保障系统和火箭推进剂的必需物质，而一系列金属(合金)材料是基地建设和相关结构部件生产的关键原材料。由于地-月运输成本约为$50000～100000/kg，因此就地利用月表资源制备月球基地建设和相关科学研究所必需的金属和氧气等基础材料，是实现低成本的月表活动和系列太空探索任务可持续发展的关键所在。

对月遥感探测和载人登月探测结果表明，几乎整个月球表面覆盖着一层由岩石碎屑、粉末、角砾、撞击熔融玻璃等物质组成的结构松散的风化层——月壤。月壤在强还原性环境中形成，主要由硅酸盐矿物和氧化物矿组成，含有钙长石、辉石、橄榄石、钛铁矿和克里普岩等矿物组分。月壤的粒度集中在1cm以下，表现出松散和非固结的土壤特性，其被认为是未来人类进行月球基地建设和月球资源开发的首要对象。此外，月表丰富的太阳能资源和极具应用潜力的热核聚变原料氦-3，为原位利用月壤制备金属和氧气奠定了重要的能源保障基础。

目前，从月壤或月壤仿真样中提取金属和制备氧气的方法主要分为化学法和电化学法两大类。化学法主要有碳热还原法、氢还原法、氯气还原法和高温自蔓延法等；而电化学法主要包括酸浸-电解法、熔渣电解法、直接电脱氧法、熔盐电解法等。化学法需要消耗大量的还原剂，存在能耗较高和还原剂原位循环利用率低的问题，且还原剂的损耗需要从地球补给。电化学法以电子为还原剂，从月壤复合氧化物中直接提取金属和制备氧气，对原料适应性较强且流程较短，但存在高温和强腐蚀性熔盐严重腐蚀反应器内衬、长寿命低成本惰性析氧阳极材料开发的挑战和熔盐电解质挥发损失等不足。

由于月壤成分和结构较复杂，含有多种复合氧化物，采用单一的方法从中提取金属和氧气存在诸多不足，且不能实现真正意义上的原位利用资源提取金属和氧气。着眼未来，开发可实现规模化综合利用月壤提取金属和制备氧气的新方法无疑更具潜力。

发明内容

针对现有从月壤或月壤仿真样中制备金属和氧气的方法存在的不足，本发明提供一种通过真空热分解-惰性阳极熔盐电解两步相结合的新方法制备氧气和金属。首先通过真空热分解从含有长石[CaAl₂Si₂O₈，NaAlSi₃O₈]、辉石[FeSiO₃，CaSiO₃，MgSiO₃]、橄榄石[Fe₂SiO₄，Mg₂SiO₄]和钛铁矿[FeTiO₃]等组分的月壤或月壤仿真样中，提取氧气并得到副产物低价氧化物，然后采用惰性阳极熔盐电解的方法，将低价氧化物电化学分离为氧气和金属，实现原位利用月壤高效制备氧气和金属的目的。

本发明的技术方案为：