一种电解制取金属钠的方法：电解池的阳极区是含钠离子的水溶液，阴极区是具有钠离子导电性的非水溶剂；电解池的阳极区和阴极区用钠离子选择性通透膜分隔；于常温常压下，阴极和阳极间施加一个直流电压，以阴极为负电位，阳极为正电位，驱动钠离子从阳极区选择性地穿过钠离子选择性通透隔膜进入阴极区，在惰性气体氛围下进行反应，在阴极上被电解还原为金属钠。本发明专利技术在温和条件下电解还原制备钠的方法，避免了传统的高温熔融电解工艺制备金属钠所需要的苛刻条件，可以大幅减少能量消耗，并降低对环境的不良影响。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属钠的电解制备领域，具体涉及一种钠离子富集及金属钠电解制备的方法，采用钠离子选择性通透膜来分隔电解池的阴极区和阳极区，该隔膜具有钠离子特异选择性和快速通过性能，同时隔离阴极区的非水溶剂和阳极区的水性电解液，在阴极和阳极施加一定电位后，钠离子快速穿过钠离子选择性通透膜进入阴极区富集，其它离子被隔膜所阻挡；钠离子在阴极上被电解还原为金属钠，在阳极上发生相应的氧化反应。该制备方法用于选择性分离复杂水相中的钠离子并制备成高纯度金属钠，该过程无需在熔融状态完成，可在常温常压下进行，节能环保，具有极大优势。
技术介绍
金属钠(Na)是一种碱金属元素，被广泛应用于新型能源、冶金、化工、农药、染料、制药等各个领域，具有极大的工业价值。钠具有很高的反应活性，在自然界中不存在游离态的金属钠。1807年，人们首次利用电解氢氧化钠的方法制得了金属钠，该原理于1891年成功应用于工业生产。1921年，人们应用电解氯化钠的方法实现了金属钠的工业生产。目前，世界上金属钠的生产绝大多数是采用熔盐电解法。电解制备金属钠是在电解槽中进行的，通常阳极为石墨，阴极为镍电极。对于电解熔融氯化钠途径来说，因电解熔融纯氯化钠所需的温度太高(氯化钠的熔点为801°C )，用于实际生产有困难，目前生产金属钠一般是在600°C左右电解熔融二元电解质(氯化钠和氯化钙的混合物)或三元电解质(氯化钠、氯化钙和氯化钡的混合物)，虽经过降温分离，但所得的金属钠中仍含有大量的杂质。具体地，电解过程中，当电流通过熔盐时金属钠被还原出来(反应式I)，浮在阴极上方的熔盐上面，从管道溢出。与此同时，在阳极生成了氯气(反应式2)。阴极Na++e-—Na(I)阳极Cr-e-—1/2C12 (2)为了避免常规熔融电解法制备金属钠所需要的高温，人们尝试了在有机溶剂碳酸丙烯酯中来电解还原钠离子的方法。美国和日本的研究人员分别发现在碳酸丙烯酯中加入一定浓度的NaC104、NaPF6或NaAlCl4等后，具有良好的钠离子导电性，在直流电压下，钠离子于阴极上被电解为金属钠(美国专利:3791945 ；J. Appl. Electrochem. ,1975,5,279-290 ；J. Japan Inst. Metals，2009，73，691-694.)。上述研究表明了在室温下于有机相溶剂中电解制备金属钠的可行性。 快离子导体(又称固体电解质)是钠离子选择性通透膜中的一种，具有较高的离子导电率(通常要求O > 10_3S/cm)和低的电子导电率、低的活化能(E<0.5eV)。在电化学贮能、电化器件、高能高密度电池等许多领域有诱人的应用前景，引起人们极大的关注和兴趣。钠的快离子导体包括Na-P-A1203、P ”-Al2O3和NASIC0N型固体电解质等。以Na-P-Al2O3为例，它是一种非化学计量的化合物，其内包含了一定量的Na2O，钠离子在晶格中交换、传递、进行着离子迁移，具有较高的Na离子导电率。自美国福特汽车公司于1966年将Na-P -Al2O3用作钠硫蓄电池的隔膜后，围绕它的研究日益增多。利用Na-^ -Al2O3对钠离子的选择性传导，可以把它作为隔膜，用于制备高纯金属钠和烧碱，自上世纪70年代以来，各国对该项技术开展了诸多研究1971年日本曾报导以P-Al2O3陶瓷材料为隔膜在5300C _850°C下电解熔融碱金属氯化物制取了碱金属；1971年联邦德国也报导以P-Al2O3为隔膜电解熔融氢氧化钠制取了钠；1975年以来，我国陈宗璋等人利用Na-P-Al2O3为隔膜在320°C条件下电解熔融氯化钠或粗钠，制取了高纯金属钠和烧碱(湖南大学学报，1979，6，96-102 ;化学通报，1981，9，513-518)。利用快离子导体为隔膜，也可以通过电解水溶性钠盐的工艺来制备烧碱(美国专利5290405，5580430)，进一步可用于处理废水或非水废弃溶剂中的碱金属离子以回收制备碱金属化合物(美国专利公开号US 20080245671A1 ；US20100185036A1)。此外，人们也将碱金属离子选择性通透膜(固体电解质陶瓷膜或聚合物膜)用于从碱金属的盐溶液来电解制备碱金属醇盐(美国专利公开号US 20080142373A1 ；US 20080173540A1)。由于钠与其他杂质原子在离子半径上的差别，及其在钠快离子导体晶格中迁移特性的不同，若控制一定的槽电压和电流密度，则可以达到只允许钠离子选择性地通过钠快离子导体隔膜的目的，实现钠离子在阴极区的富集和电解还原，相比传统方法，用此法制取金属钠具有设备简单、操作方便和能耗小的优点。但即使如此，目前已有报道的阴极区钠离子电解反应也都是在熔融状态下完成，仍是高耗能过程。用作隔膜的@-Al203、^ -Al2O3或NASIC0N型固体电解质，具有高的电导率、高密度、高强度以及均匀的显微结构，但研究发现在钠快离子导体为隔膜电解制取金属钠过程中，可能会发生钠沉积现象，即钠原子在钠快离子导体晶格内或多晶材料晶界内沉积积累，从而导致材料破裂或被腐蚀或产生电子传导，影响隔膜的使用寿命。目前，以钠快离子导体为隔膜，采用电解熔融法制取金属钠，未能实现规模化生产。 伴随着钠硫高能电池、难熔金属(如钛、错、铌)冶炼和靛蓝染料生成等领域对高纯金属钠需求的不断增长，以海水浓缩液、卤水、含钠的矿物盐溶液为钠源，发展不同于传统的熔融电解法的新型制备方法具有重大意义，以提高金属钠产品的品质、降低生产成本(特别是减小能耗)、提高生产效率、减小生产过程给环境造成的不良影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是提供一种制备条件温和、能耗低、产品纯度高的非熔融电解制取金属钠的方法。为实现上述目的，本专利技术提供的电解制取金属钠的方法，包括以下内容电解池的阳极区是含钠离子的水溶液，阴极区是具有钠离子导电性的非水溶剂；电解池的阳极区和阴极区用钠离子选择性通透膜分隔；于常温常压下，阴极和阳极间施加一个直流电压，以阴极为负电位，阳极为正电位，驱动钠离子从阳极区选择性地穿过钠离子选择性通透隔膜进入阴极区，在惰性气体氛围下进行反应，在阴极上被电解还原为金属钠。所述的方法，其中阴极区的非水溶液是具有钠离子导电性的有机溶剂或离子液体或二者混合溶液。所述的方法，其中有机溶剂为乙腈、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯的一种或几种混合液；离子液体为1-丁基-3-甲基-咪唑六氟磷酸、1-丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸、I，2- 二甲基-4-氟吡唑四氟硼酸盐的一种或几种混合液。所述的方法，其中阴极区所用支持电解质为NaC104、NaPF6, NaPF4或NaAlCl4中的一种或混合物，浓度大于0. lmol/L小于5mol/L ;阳极区所用的含钠离子的水溶液为含钠离子的阳离子混合溶液。所述的方法，其中阳极区所用的含钠离子的水溶液包括氯化钠溶液、氢氧化钠溶液、卤水、天然海水浓缩液、含钠的矿物溶液的一种或几种混合溶液。所述的方法，其中钠离子选择性通透膜包括Na- ^ -A1203、^ -Al2O3或NASIC0N型固体电解质。所述的方法，其中钠离子选择性通透膜采用聚合物进行修饰。所述的方法，其中聚合物修饰的钠离子选择性通透膜为三层夹心结构，中间层是以钠离子本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电解制取金属钠的方法，其特征在于：电解池的阳极区是含钠离子的水溶液，阴极区是具有钠离子导电性的非水溶剂；电解池的阳极区和阴极区用钠离子选择性通透膜分隔；于常温常压下，阴极和阳极间施加一个直流电压，以阴极为负电位，阳极为正电位，驱动钠离子从阳极区选择性地穿过钠离子选择性通透隔膜进入阴极区，在惰性气体氛围下进行反应，在阴极上被电解还原为金属钠。
【技术特征摘要】
1.一种电解制取金属钠的方法，其特征在于电解池的阳极区是含钠离子的水溶液，阴极区是具有钠离子导电性的非水溶剂；电解池的阳极区和阴极区用钠离子选择性通透膜分隔；于常温常压下，阴极和阳极间施加一个直流电压，以阴极为负电位，阳极为正电位，驱动钠离子从阳极区选择性地穿过钠离子选择性通透隔膜进入阴极区，在惰性气体氛围下进行反应，在阴极上被电解还原为金属钠。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于阴极区的非水溶液是具有钠离子导电性的有机溶剂或离子液体或二者混合溶液。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于有机溶剂为乙腈、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸乙烯酯的一种或几种混合液；离子液体为1-丁基-3-甲基-咪唑六氟磷酸、1- 丁基-3-甲基-咪唑四氟硼酸、1，2- 二甲基-4-氟吡唑四氟硼酸盐的一种或几种混合液。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于阴极区所用支持电解质为NaC104、NaPF6、 NaPF4或NaAlCl4中的一种或混合物，浓度大于O. lmol/L小于5mol/L ；阳极区所用的含...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔光磊，张立学，张传健，刘志宏，商超群，
申请(专利权)人：中国科学院青岛生物能源与过程研究所，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。