Кембриджский процесс FFC
— Кембриджский процесс FFC это электрохимический метод производства титана (Ti) из оксида титана электролизом в расплавленных солях кальция. [1]
История
[ редактировать ]Процесс электрохимического производства титана путем восстановления оксида титана в растворе хлорида кальция был впервые описан в немецком патенте 1904 года. [1] [2] [3] а в 1954 году патент США 2845386A был выдан Карлу Маркусу Олсону на производство металлов, таких как титан, путем восстановления оксида металла расплавленным солевым восстановителем в аппарате для измерения удельного веса. [4]
Кембриджский процесс FFC был разработан Джорджем Ченом , Дереком Фреем и Томасом Фартингом в период с 1996 по 1997 год в Кембриджском университете . (Название FFC происходит от первых букв фамилий изобретателей). [5] Интеллектуальная собственность, относящаяся к этой технологии, была приобретена компанией Metasis (Шеффилд, Великобритания). [ нужна ссылка ]
Процесс
[ редактировать ]Процесс обычно происходит при температуре от 900 до 1100°C, при этом анод (обычно углеродный) и катод (восстанавливаемый оксид) находятся в растворе расплавленного CaCl 2 . В зависимости от природы оксида он будет существовать при определенном потенциале относительно анода, который зависит от количества CaO, присутствующего в CaCl 2 .
Механизм катодной реакции
[ редактировать ]Механизм электрокальцийтермического восстановления может быть представлен следующей последовательностью реакций, где «М» представляет собой восстанавливаемый металл (обычно титан).
- (1) МО
х + х Са → М + х СаО
Когда эта реакция происходит сама по себе, ее называют « кальциетермическим восстановлением» (или, в более общем смысле, примером металлотермического восстановления). Например, если бы катод был в основном изготовлен из TiO, то кальцийотермическое восстановление выглядело бы как:
- TiO + Ca → Ti + CaO
Хотя катодную реакцию можно записать так, как указано выше, на самом деле она представляет собой постепенное удаление кислорода из оксида. Например, было показано, что TiO 2 не восстанавливается просто до Ti. Фактически он восстанавливается через низшие оксиды (Ti 3 O 5 , Ti 2 O 3 , TiO и др.) до Ti.
Полученный оксид кальция затем подвергают электролизу:
- (2а) х СаО → х Са 2+ + хО 2−
- (2б) х Са 2+ + 2 х е − → х Са
и
- (2в) х О 2− → х /2 О 2 + 2 х е −
Реакция (2б) описывает получение металлического Са из Са 2+ ионы внутри соли, на катоде. Затем Ca приступит к восстановлению катода.
Конечным результатом реакций (1) и (2) является просто восстановление оксида до металла плюс кислород:
- (3) ЗА
х → М + х /2 О 2
Механизм анодной реакции
[ редактировать ]Использование расплавленного CaCl 2 важно, поскольку эта расплавленная соль может растворять и транспортировать «O». 2− » ионы к аноду, который должен быть разряжен. Анодная реакция зависит от материала анода. В зависимости от системы на углеродном аноде можно получить либо CO, либо CO 2 , либо смесь:
- С+2О 2− → СО 2 +4
и − - С + О 2− → СО + 2
и −
Однако если используется инертный анод, например, из SnO 2 высокой плотности , разряд O 2− ионов приводит к выделению газообразного кислорода. Однако использование инертного анода имеет недостатки. Во-первых, при низкой концентрации CaO выделение Cl 2 на аноде становится более благоприятным. Кроме того, по сравнению с углеродным анодом, для достижения такой же восстановленной фазы на катоде требуется больше энергии. Инертные аноды страдают от проблем со стабильностью.
- 2О 2− → О 2 + 4
и −
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Такеда, О.; Оучи, Т.; Окабе, TH (2020). «Последние достижения в добыче и переработке титана» . Металл. Матер. Пер. Б. 51 (4): 1315–1328. дои : 10.1007/s11663-020-01898-6 .
- ^ DE150557C , «Публикация DE150557C»
- ^ Ридал, Эрик Кейтли (1919). Промышленная электрометаллургия, включая электролитические и электротермические процессы . Компания Д. Ван Ностранда. п. 137.
- ^ US2845386A , Маркус, Олсон Карл, «Производство металлов», выдано 29 июля 1958 г.
- ^ Фрэй, диджей; Чен, ГЗ; Фартинг, TW (2000). «Прямое электрохимическое восстановление диоксида титана до титана в расплавленном хлориде кальция». Природа . 407 (6802): 361–4. Бибкод : 2000Natur.407..361C . дои : 10.1038/35030069 . ПМИД 11014188 . S2CID 205008890 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Р. Бхагат; М. Джексон; Д. Инман; Р. Дэшвуд (2008). «Производство сплавов Ti-Mo из предшественников смешанных оксидов с помощью Кембриджского процесса FFC». Дж. Электрохим. Соц. 155 (6): E63–69. дои : 10.1149/1.2904454 .
- Р. Бхагат; М. Джексон; Д. Инман; Р. Дэшвуд (2009). «Производство сплавов Ti-W из предшественников смешанных оксидов с помощью Кембриджского процесса FFC» . Дж. Электрохим. Соц. 156 (1): E1–7. дои : 10.1149/1.2999340 .
- Рёсуке О. Судзуки (февраль – апрель 2005 г.). «Кальциотермическое восстановление TiO 2 и электролиз CaO в расплавленном CaCl 2 ». Журнал физики и химии твердого тела . 66 (2–4): 461–465. Бибкод : 2005JPCS...66..461S . дои : 10.1016/j.jpcs.2004.06.041 .
- Иль Парк; Такаси Абико; Тору Х. Окабе (февраль – апрель 2005 г.). «Производство титанового порошка непосредственно из TiO 2 в CaCl 2 посредством электронно-опосредованной реакции (ЭМИ)». Журнал физики и химии твердого тела . 66 (2–4): 410–413. Бибкод : 2005JPCS...66..410P . дои : 10.1016/j.jpcs.2004.06.052 .
- Х. Ге; X. Ван; С. Ситхараман (2009). «Извлечение меди из медной руды электровосстановлением в расплаве CaCl 2 –NaCl». Электрохимика Акта . 54 (18): 4397–4402. дои : 10.1016/j.electacta.2009.03.015 .