低温碱金属电解制造技术

一种低温碱金属电解法。包括在如下的共电解质：１）一种含氮化合物及任选的ⅠＢ、ⅢＡ、Ⅷ族卤化物；２）ⅢＡ和／或ⅤＢ族卤化物；或３）水，及一种碱金属卤化物存在下电解。一种低温电解法，包括采用包括１）一种液态碱金属，２）选自铋、铅、锡、锑、铟、镓、铊及镉的两种或多种金属的合金，或３）一种导电的液态溶剂化碱金属的阴极。一种电解质，包括一种碱金属卤化物及包括１）一种含氮化合物及任选的ⅠＢ、ⅢＡ、Ⅷ族卤化物或２）ⅢＡ和／或ⅤＢ族卤化物的共电解质。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种电解法及其用于生产碱金属的电解液。碱金属属于高反应活性的元素，实际上元素状态的碱金属并未被发现。典型的还原剂，诸如氢，并不足以将碱金属从化合物还原到其金属状态。电解还原的必要及其历史上传统实验的运用，使汉弗莱戴维(Humphry Davy)先生(在伦敦英国皇家科学研究院的康特朗福特/汤普森(Count Rumford/Thompson at the Royal Institute inLondon)的助手)在1897年发现了元素形态的碱金属。电解还原用于工业生产碱金属。目前世界范围采用的方法就是所谓的“唐斯(Downs)”方法，这种方法在20世纪早期就被推荐用于从钠及锂的氯化物生产钠及锂。为降低电解质熔解温度至略低于600℃，唐斯方法采用了由NaCl、CaCl2及BaCl2组成的熔盐电解质。这使得方法比采用熔点非常高的约800℃的纯NaCl的方法更为实际。然而，在这样的温度下，电解法操作仍然困难，而且有许多操作约束。因为唐斯法操作温度高，所以电解槽的设计采用了同心圆柱形阴极、金属丝网隔膜及阳极，而不是通常用于电化学工程实际的空间更有效的多叠层扁平电极和隔膜元件结构。此外，高操作温度会使扁平钢丝-筛目钢隔膜软到机械性能不稳定，在阳极及阴极之间来回拍打，引起部分短路/击穿，从而引起膈膜熔灼穿孔。膈膜穿孔可能使阴极产生的钠和阳极产生的氯返混，引起电解槽电流效率降低。另一方面，电极间钢隔膜的这种同心圆筒形结构避免了这种困难，因为丝网圆筒比同类扁平钢丝网筛机械上更有刚性和更稳定。唐斯方法的上述同心圆筒形槽的设计是高操作温度约600℃所必须的，这也意味唐斯电解槽空间效率很低。这就直接导致单位生产能力的投资和操作费用高。唐斯电解槽的操作温度高，加上熔融混盐电解质冻结温度仅比电解槽操作温度低约20℃，使电解槽平稳运转困难。电解槽“冻结”及其它“干扰”频繁发生，导致工业电解法对操作要求异常苛刻。反过来，这也是为什么唐斯方法不易自动化的原因。目前锂是采用一种改良的唐斯方法生产的。虽然有一种低温电解法，在NaCl/H2O溶液中从阴极沉淀金属钠，但金属钠不纯，而是一种含钠百分比低的液态汞/钠的汞齐，通常约0.5％的Na。其余99％以上的是汞金属。这种方法通过稀钠汞齐与水的反应用于生产氢氧化钠的水溶液。一般参见马歇尔塞廷(MarshallSitting)著“钠、其制造、性质和用途”(美国化学学会专论丛书，雷诺(Reinhold)出版公司，纽约(1956)以及曼特尔(C.L.Mantell)著“电化学工程学”(麦格罗-希尔(MeGraw-Hill)图书公司，纽约，伦敦(1960))。这种方法因为分离汞与钠的一些难题及成本问题生产金属钠不经济。例如，采用蒸馏分离就不切实际，因为汞沸点(357℃)，比钠(880℃)低得多，而获得如同残渣量的约1％的钠却要汽化99％的汞，这就太贵了。近年来，对于有关蓄电池中应用的无水有机溶剂基的碱金属氯化物电解质，已经进行了一些基本物理化学研究。参见电化学协会杂志143卷，No7，2262-2266，1996.7)。这种工作还没有得出能生产碱金属的方法。因此，对发展可更经济地生产碱金属的电解方法的需求，日趋增加。对发展可改善其操作性能诸如可使之自动化的方法，也有需求。按照本专利技术，提供了一种在共电解质及碱金属卤化物存在下进行电解的低温电解方法。该共电解质包括(1)一种氮或磷的化合物及任选一种IIIA族卤化物、一种IB族卤化物、一种VIII族卤化物，或其两种或多种的组合；(2)、一种IIIA族卤化物、一种VB族卤化物，或IIIA族卤化物与VB族卤化物一些组合；或(3)水。此外，按照本专利技术，还提供一种电解方法，包括实施该方法采用包括(1)一种液态碱金属、(2)选自铋、铅、锡、锑、铟、镓、铊与镉的两种或多种金属的一种液态低熔合金或(3)一种导电的液态溶剂化碱金属的一种阴极。按照本专利技术还提供一种电解质。该电解质包括一种碱金属和一种共电解质，该共电解质包括(1)一种氮或磷的化合物及任选一种IIIA族卤化物、一种lB族卤化物、一种VIII族卤化物、或其两种或多种的组合；(2)一种IIIA族卤化物、一种VB族卤化物，或IIIA族卤化物与VB族卤化物的一些组合；或(3)水。此种电解在低温下进行。术语“低温”指低于约300℃的温度，优选低于约250℃，最优选低于200℃。.<}0{>该温度可在约20-300℃的范围，优选约50-250℃，更优选约70-200℃及最优选90-200℃。本专利技术电解可生产基本纯的碱金属，诸如钠。术语“基本纯”指的是每一公斤的碱金属含杂质不到约400毫克，优选不到约300毫克，更优选不到约200毫克及最优选不到100毫克的杂质。本专利技术可采用任何碱金属卤化物。术语“碱金属”是指锂、钠、钾、铷、铯、钫，或其两种或多种的组合。目前优选碱金属卤化物是氯化钠，因为它广泛用于电解生产钠。按照本专利技术的一个实施方案，可以采用一种氮或磷的化合物作为共电解质，优选为有阳离子部分和阴离子部分的含氮离子化合物。它可以是固体或液体。目前优选是一种非水液体。优选地是，该阳离子部分是一种有机阳离子。该阳离子部分包括一种或多种咪唑盐类，N-烷基吡啶盐(alkylpyridinium)类、四烷基铵盐类和四烷基磷盐类。例如，可以采用任何咪唑盐类，因为它在与碱金属卤化物结合时能降低碱金属卤化物的熔点到以上披露的低温。该阴离子部分可以是任何可用于降低碱金属卤化物熔点的阴离子。适宜阴离子的实例包括一种或多种氯化物、溴化物、碘化物、四氟硼酸酯和六氟磷酸酯。目前优选阴离子是氯化物。该氮或磷的化合物可包含取代基类型不同的许多衍生物。目前，优选的是，采用部分烷基化或完全烷基化的咪唑盐卤化物诸如氯化物。一种完全烷基化的咪唑盐卤化物是其中咪唑盐环上所有的氢可被含1至约20个碳原子烃基，也可为烷基、链烯基或芳基，所取代的一种烷基化咪唑盐卤化物。一般，铵和磷(phosphonium)盐是全烷基化的，吡啶盐是N-取代的，和咪唑盐是N，N-二取代的。适宜的氮或磷化合物的实例包括，但不局限于，1-乙基-3-甲基-1H-咪唑盐、1-丙基-3-甲基-1H-咪唑盐、1-丁基-2，3-二甲基-1H-咪唑盐、1-丁基-2，3，4，5-四甲基咪唑盐、1，2，3.4，5-五甲基咪唑盐、1-甲基吡啶，一种环上非氮位置有烷基的吡啶衍生物、四甲基铵、四甲基磷和其两个或更多个的组合。目前优选咪唑盐卤化物是1-乙基-3-甲基-1H-咪唑盐氯化物、1-丁基-2，3，4，5-四甲基-1H-咪唑盐氯化物，或1，2，3，4，5-五甲基-1H-咪唑盐氯化物。咪唑盐卤化物也可以与1B族金属卤化物、IIIA族金属卤化物、VIII族金属卤化物、或其两种或多种金属卤化物的组合结合在一起。用于本专利技术的术语“IB族”、“IIIA族”、“VB族”或“VIII族”指的是元素周期表上的族序数(CAS版本，CRC化学及物理学手册，67th版本，1986-1987，CRC书局，波卡拉屯(Boca Raton)，佛罗里达)。1B族卤化物的适宜实例包括铜的卤化物诸如氯化铜和溴化铜；卤化银诸如氯化银；金卤化物诸如氯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于生产碱金属的方法，包括在一种共电解质存在下电解一种碱金属卤化物，该共电解质是（１）一种氮或磷的化合物及任选一种或多种ⅠＢ族卤化物、ⅢＡ族卤化物、Ⅷ族卤化物；（２）一种ⅢＡ族卤化物、一种ⅤＢ族卤化物、或一种ⅢＡ族卤化物与一种ⅤＢ族卤化物的组合；或（３）水。

【技术特征摘要】
US 2000-3-28 09/5364241.一种用于生产碱金属的方法，包括在一种共电解质存在下电解一种碱金属卤化物，该共电解质是一种氮或磷的化合物及任选一种或多种IB族卤化物、IIIA族卤化物、VIII族卤化物，其中所述氮或磷的化合物具有阳离子部分和阴离子部分，该阳离子部分为选自咪唑盐类、N-烷基吡啶盐类、四烷基铵盐类和四烷基磷盐类的一种或多种化合物。2.按照权利要求1的方法，其中所述氮或磷的化合物是选自1-乙基-3-甲基-1H-咪唑盐、1-丙基-3-甲基-1H-咪唑盐、1-丁基-2，3-二甲基-1H-咪唑盐、1-丁基-2，3，4，5-四甲基咪唑盐、1，2，3，4，5-五甲基咪唑盐、1-甲基吡啶盐，一种在环中非氮位置上有烷基的吡啶衍生物、四甲基铵、四甲基磷的一种或多种化合物；所述IB族卤化物是卤化铜、卤化银或卤化金；所述IIIA族卤化物是卤化铝、卤化硼、卤化镓...

【专利技术属性】
技术研发人员：JS汤普森，HM布兰克，WJ西蒙斯，OR博格曼，
申请(专利权)人：纳幕尔杜邦公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]