Способ и электрохимическая ячейка для синтеза электролита для получения рения

Изобретение относится к синтезу электролитов для получения покрытий и изделий из рения методом высокотемпературной гальванопластики в расплавах солей. Электрохимическая ячейка для проведения синтеза расплава CsCl-KCl-NaCl-Cs2ReCl6 состоит из анодного и катодного узлов, которые разделены между собой неэлектропроводящей диафрагмой и помещены в герметизируемую кварцевую реторту, при этом электрохимическая ячейка выполнена в виде стакана с крышкой, в которой установлен первый токоподвод, а через отверстие в центре крышки подведен второй токоподвод, причем в стакан помещена кварцевая труба, полость внутри которой разделена диафрагмой, под диафрагмой размещается католит, а над ней - анолит и металлический рений, закрепляемый на токопроводящем стержне, который установлен в размещенной в отверстии крышки стакана кварцевой трубке и соединен со вторым токоподводом. Техническим результатом является упрощение аппаратурного оформления процесса. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электрометаллургии редких, цветных и рассеянных элементов, в частности к синтезу электролитов для получения покрытий и изделий из рения методом высокотемпературной гальванопластики в расплавах солей. Изделия из рения, полученные методом высокотемпературной гальванопластики, могут быть использованы в качестве заготовок сборочных единиц термокаталитических двигателей малой тяги.

Известен способ синтеза электролита для получения рения /1/ на основе расплавов галогенидов щелочных металлов (CsCl-KCl-NaCl), содержащего Cs2ReCl6 (5–11 мас. % Re в пересчете на металл). По способу /1/ синтез ренийсодержащего расплава производят хлорированием металлического рения в виде порошка в токе газообразного хлора. В результате полученные хлориды рения растворяются в расплаве CsCl-KCl-NaCl с образованием электролита заданной концентрации. Процесс протекает в установке хлорирования. Установка состоит из двух отсеков. В первом отсеке происходит выделение газообразного хлора, во втором – процесс хлорирования рения. Отсеки соединены между собой трубкой устойчивой к воздействию газообразного хлора. Температурный режим в обоих отсеках обеспечивается внешним подогревом. Температура в отсеке хлорирования составляет 700 oC. Температура в отсеке выделения хлора составляет 550 oC. Реакция выделения хлора инициируется и поддерживается при помощи постоянного электрического тока. Процесс состоит из электрохимической реакции и химической реакции, которые разнесены в пространстве.

Решение по способу /1/ является наиболее близким к заявляемому изобретению и обладает недостатками. Сложное аппаратурное оформление процесса, необходимость транспортировки и использование газообразного хлора повышают требования к финансовому и экологическому сопровождению процесса.

Технической задачей изобретения является снижение ресурсоемкости способа приготовления электролита и экологической нагрузки. Это приведёт к повышению технико-экономических показателей процесса.

Указанная задача решается за счет того, что формирование электролита проводится в единой электрохимической ячейке в рамках общей реакции, не допускающей выделения свободного газообразного хлора.

Заявляемая электрохимическая ячейка для проведения синтеза расплава CsCl-KCl-NaCl-Cs2ReCl6 состоит из анодного и катодного узлов, которые разделены между собой неэлектропроводящей диафрагмой и помещены в герметизируемую кварцевую реторту. Ячейка выполнена в виде стакана с крышкой, в которую установлен первый токоподвод, а через отверстие в центре крышки подведен второй токоподвод. Причем в стакан помещена кварцевая труба, полость внутри которой разделена диафрагмой. Под диафрагмой размещается католит, а над ней - анолит и металлический рений, закрепляемый на токопроводящем стержне, который установлен в размещенной в отверстии крышки стакана кварцевой трубке и соединен со вторым токоподводом.

Заявляемый способ синтеза электролита состава CsCl-KCl-NaCl-Cs2ReCl6 (5–11 мас. % Cs2ReCl6 в пересчете на металл Re) характеризуется проведением процесса электрохимического растворения рения и катодного восстановления ионов свинца под действием постоянного тока величиной 1,5–5 А при температуре процесса 600 или 700℃. Способ отличается тем, что для его реализации используется заявляемая электрохимическая ячейка, что позволяет упростить аппаратурное оформление и обеспечивает отсутствие в процессе газообразного хлора.

Таким образом, использование заявляемой ячейки позволяет производить электролит идентичного химического состава, что и по способу /1/, однако без использования газообразного хлора. В отличие от /1/ процесс может протекать в рамках единой электрохимической системы, в которой отсутствует необходимость транспортировки газообразного хлора, и, соответственно, не требуется отдельного отсека хлорирования, что упрощает аппаратурное оформление процесса.

Сущность группы изобретений поясняется фигурами, на которых изображено:

Фиг.1 - схематическое изображение ячейки,

Фиг.2 - таблица режимов синтеза электролита.

Заявляемая единая электрохимическая ячейка для проведения процесса синтеза расплава CsCl-KCl-NaCl-Cs2ReCl6 (5–11 мас. % Re в пересчете на металл) представляет собой контейнер, в котором анодное и катодное пространство разделено асбестовой диафрагмой 12. Под действием электрического тока протекает образование ионов рения в анодном пространстве и выделение металлического свинца в катодном. При этом диафрагма 12 может быть выполнена также из других материалов, которые устойчивы к температурам процесса и инертны по отношению к среде электролита.

Катодный узел представляет собой стакан 8 с плоской крышкой 7 с отверстием в центре с помещенной в стакан 8 кварцевой трубой 11, на дне которого размещается католит 13. Стакан 8 должен быть выполнен из материалов, устойчивых к температуре и среде процесса, например, молибден, никель, графит, углекон. Кварцевая труба 11 служит изолятором, который исключает подведение электрического тока через стенки стакана 8, а также отделяет анодный и катодный узлы. В крышку 7 стакана 8 монтируется первый токоподвод 2, отверстие в центре служит для подведения второго токоподвода 1.

Анодный узел представляет собой расплавленный анолит 10 с погруженным в него металлическим рением 9, закрепленном на токопроводящем стержне 5, помещенным в кварцевую трубку 4, которая размещается в отверстии в крышке 7 стакана 8 и исключает электрический контакт с крышкой 7. Вся ячейка помещается в кварцевую реторту 6, которая герметизируется крышкой 3, которую изготавливают, например, из фторопласта.

Схему процесса получения электролита в единой электрохимической ячейке можно описать следующим образом:

Re|CsCl-KCl-NaCl||PbCl2|C (1)

В основе процесса лежит электрохимическое растворение рения (анодный процесс) и катодное выделение свинца (катодный процесс), протекающие под действием постоянного тока. При этом пространство в ячейке разделено диафрагмой 12. Диафрагма 12 является неэлектропроводящей, однако, обеспечивает перенос по ионам и исключает конвекцию. Диафрагма 12 не взаимодействует с расплавом солей химически. Таким образом, в прианодной области происходит наработка расплава CsCl-KCl-NaCl, содержащего Cs2ReCl6 (5–11 мас. % Re в пересчете на металл). В прикатодной области происходит выделение жидкого свинца, а не выделение хлора.

Синтез электролита состава CsCl-KCl-NaCl-Cs2ReCl6 (5–11 мас. % Cs2ReCl6 в пересчете на металл Re) проводят под действием постоянного тока величиной 1,5–5 А (при других величинах тока процесс не идет) и при температуре процесса 600 или 700℃. При температуре менее 600 анолит не плавится (процесс идет в расплаве), а при температуре свыше 700 анолит «улетает» из зоны реакции в виде солевых возгонов, что негативно влияет на процесс.

Заявляемая группа изобретений осуществляется следующим образом.

В стакан 8 помещают кварцевую трубу 11, внешний диаметр которой равен или несколько меньше внутреннего диаметра стакана 8. На дно стакана 8 помещают необходимое количество католита 13 – хлорида свинца, поверх которого размещают диафрагму 12. Для исключения электрического контакта диафрагма 12 должна плотно прилегать ко внутренним стенкам кварцевой трубы 11. Над диафрагмой 12 размещают необходимое количество анолита 10 – смесь солей CsCl, KCl, NaCl эвтектического состава, после чего устанавливают крышку 7 стакана 8. Собранную конструкцию помещают в кварцевую реторту 6.

Через герметичные отверстия крышки 3 устанавливают токоподводы 1 и 2. На первый токоподвод 1 накручивают токопроводящий стержень 5, на котором закрепляют кварцевую трубку 4 и металлический рений 9. После этого крышку 3 устанавливают на реторту 6 и герметизируют. Токоподвод 2 вкручивают в крышку 7 стакана 8, а токоподвод 1 опускают через отверстие в крышке 7 таким образом, чтобы металлический рений 9 находился над поверхностью анолита 10, а кварцевая трубка 4 касалась внутренних стенок отверстия крышки 7.

Собранную единую ячейку помещают в печь таким образом, чтобы в зоне нагрева оказался стакан 8 с крышкой 7, и нагревают. После нагрева до заданной температуры ячейку выдерживают в течение часа для полного расплавления анолита и погружают в него металлический рений. Ячейку подключают к источнику постоянного тока и подают электрический ток заданной величины. При этом в прикатодном пространстве происходит разложение католита 13 на положительно заряженные ионы свинца и отрицательно заряженные ионы хлора, а в прианодном пространстве металлический рений 9 переходит в анолит 10 в виде положительно заряженных ионов рения. Ионы хлора проходят через диафрагму 12 и взаимодействуют с ионами рения, образуя переходное соединение ReCl62-. Переходное соединение взаимодействует с хлоридом цезия, образуя соединение Cs2ReCl6.

Для подтверждения возможности реализации изобретения выполнены эксперименты по синтезу расплавов.

Пример 1. Синтез расплава проводили в электрохимической ячейке. В качестве электролитов использовали: анолит – CsCl-KCl-NaCl; католит – PbCl2. Процесс проводили при температуре 600℃, в течение 25 часов. Под действием электрического тока величиной 3 А проходило растворение рения, в результате которого был получен электролит состава CsCl-KCl-NaCl, содержащий Cs2ReCl6 (11 мас. % Re в пересчете на металл).

Пример 2. Синтез расплава проводили в электрохимической ячейке. В качестве электролитов использовали: анолит – CsCl-KCl-NaCl; католит – PbCl2. Процесс проводили при температуре 700℃, в течение 25 часов. Под действием электрического тока величиной 3 А проходило растворение рения, в результате, которого был получен электролит состава CsCl-KCl-NaCl, содержащий Cs2ReCl6 (11 мас. % Re в пересчете на металл).

Пример 3. Синтез расплава проводили в электрохимической ячейке. В качестве электролитов использовали: анолит – CsCl-KCl-NaCl; католит – PbCl2. Процесс проводили при температуре 600℃, в течение 25 часов. Под действием электрического тока величиной 1,5 А проходило растворение рения, в результате, которого был получен электролит состава CsCl-KCl-NaCl, содержащий Cs2ReCl6 (5 мас. % Re в пересчете на металл).

Пример 4. Синтез расплава проводили в электрохимической ячейке. В качестве электролитов использовали: анолит – CsCl-KCl-NaCl; католит – PbCl2. Процесс проводили при температуре 700℃, в течение 25 часов. Под действием электрического тока величиной 1,5 А проходило растворение рения, в результате, которого был получен электролит состава CsCl-KCl-NaCl, содержащий Cs2ReCl6 (5 мас. % Re в пересчете на металл).

Пример 5. Синтез расплава проводили в электрохимической ячейке. В качестве электролитов использовали: анолит – CsCl-KCl-NaCl; католит – PbCl2. Процесс проводили при температуре 700℃, в течение 15 часов. Под действием электрического тока величиной 5 А проходило растворение рения, в результате, которого был получен электролит состава CsCl-KCl-NaCl, содержащий Cs2ReCl6 (11 мас. % Re в пересчете на металл).

Пример 6. Синтез расплава проводили в электрохимической ячейке. В качестве электролитов использовали: анолит – CsCl-KCl-NaCl; католит – PbCl2. Процесс проводили при температуре 700℃, в течение 11 часов. Под действием электрического тока величиной 5 А проходило растворение рения, в результате, которого был получен электролит состава CsCl-KCl-NaCl, содержащий Cs2ReCl6 (8 мас. % Re в пересчете на металл).

Пример 7. Синтез расплава проводили в электрохимической ячейке. В качестве электролитов использовали: анолит – CsCl-KCl-NaCl; католит – PbCl2. Процесс проводили при температуре 700℃, в течение 9 часов. Под действием электрического тока величиной 5 А проходило растворение рения, в результате, которого был получен электролит состава CsCl-KCl-NaCl, содержащий Cs2ReCl6 (6,5 мас. % Re в пересчете на металл).

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают возможность достижения технического результата совокупностью существенных признаков заявленной группы изобретений. Группа изобретений пригодна для синтеза электролитов для получения рения, при этом схема способа и использование единой ячейки позволяют избежать использования газообразного хлора. Для функционирования электрохимической системы необходимо и достаточно только одной печи против двух по способу /1/. Это существенно снижает экологическую и энергетическую нагрузку. Существенно упрощается аппаратурное оформление процесса, и появляется возможности улучшить экономические показатели процесса.

Источники: 1. Температура ликвидуса и электропроводность расплавленной эвтектики CsCl-KCl-NaCl, содержащей ReCl4 (Liquidus temperature and electrical conductivity of molten eutectic CsCl-NaCl-KCl containing ReCl4) // J. Chem. Eng. Data. – 2019. – № 64. – P. 567–573.

1. Электрохимическая ячейка для проведения синтеза расплава CsCl-KCl-NaCl-Cs2ReCl6, состоящая из анодного и катодного узлов, которые разделены между собой неэлектропроводящей диафрагмой и помещены в герметизируемую кварцевую реторту, характеризующаяся тем, что выполнена в виде стакана с крышкой, в которой установлен первый токоподвод, а через отверстие в центре крышки подведен второй токоподвод, причем в стакан помещена кварцевая труба, полость внутри которой разделена диафрагмой, под диафрагмой размещается католит, а над ней - анолит и металлический рений, закрепляемый на токопроводящем стержне, который установлен в размещенной в отверстии крышки стакана кварцевой трубке и соединен со вторым токоподводом.

2. Способ синтеза электролита состава CsCl-KCl-NaCl-Cs2ReCl6, 5–11 мас. % Cs2ReCl6 в пересчете на металл Re, характеризующийся проведением процесса электрохимического растворения рения и катодного восстановления ионов свинца под действием постоянного тока величиной 1,5–5 А при температуре процесса 600 или 700°С.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению висмута электролитическим способом. Способ включает электролитическое разделение металлов в расплаве галогенидов солей с использованием жидкометаллических катода и анода из висмутистого свинца.

Изобретение относится к электролизеру и электролиту для извлечения висмута из свинцовых сплавов в электролите гидроксида натрия. Электролизер содержит анодную обогреваемую ванну и помещенную в ней катодную ванну с мешалкой, выполненной сдвоенной из верхней и нижней мешалок, при этом верхняя мешалка размещена на уровне верхнего уровня катодной ванны и состоит из диска и конуса, установленных с зазором между диском и основанием конуса, при этом стенки конуса перфорированы для втягивания пены электролита через перфорацию конуса и выброса ее к стенке анода через зазор между диском и основанием конуса, нижняя мешалка выполнена в виде пропеллера с наклонными лопастями и размещена с обеспечением погружения на дно, а катодная ванна установлена на поддон для сбора шламов.

Группа изобретений относится к области металлургии, в частности к электролитическим методам получения неорганических соединений на основе редких и рассеянных металлов, и электролизеру для осуществления указанного способа. Способ получения сплава титан-железо, содержащего 63-78 мас.

Изобретение относится к устройству и способу рафинирования меди электролизом электролита. Устройство содержит емкость, заполненную электролитом, с размещенными в ней анодом из черновой меди и катодом из чистой меди, выполненными с возможностью подачи на них напряжения, магнитопровод с полюсными наконечниками, с расположенными между ними электродами, содержащий две первичные катушки с противоположными проволочными обмотками, вторичную катушку, нагрузкой которой являются электроды, и катушку обратной связи, упомянутые первичные катушки расположены коаксиально и подключены параллельно к источнику постоянного импульсного напряжения с обеспечением одностороннего направления их векторов магнитного поля по магнитопроводу.

Изобретение относится к электролизеру для разделения отходов легкоплавких сплавов электролизом в расплаве солей на селективные концентраты. Электролизер содержит обогреваемую ванну из термостойкого электроизоляционного материала, анод и катод, разделенный пакетом диафрагм, пропитанных электролитом, при этом пакет диафрагм состоит из секций диафрагм, каждая из них состоит из двух плоских кольцевых прокладок с овальным выступом, где на нижнюю кольцевую прокладку в цилиндрической части наклеена диафрагма из кварцевой ткани, а на выступе имеет отверстие, а на верхней кольцевой прокладке снизу на цилиндрической части наклеена диафрагма из графитовой ткани.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению электролитическим способом серебряных порошков для применения в электротехнической и радиоэлектронной промышленности. Мелкодисперсный порошок серебра получают в нитратном электролите с использованием серебра чистоты не ниже 90% в качестве растворимого анода.

Изобретение относится к электродной головке для электролизной установки, содержащей электродный стержень, к которому может быть прикреплен электрод; погрузочные средства головки, прикрепленные к стержню для перемещения головки, прикрепленной к электроду, с помощью крана установки; отличающаяся тем, что содержит покрытие на стержне с изменяющейся толщиной в продольном направлении стержня с целью обеспечения остановки или регулировки погрузочных средств и/или дополнительного элемента.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к устройствам для получения магния и хлора электролизом расплавленных солей. Электролизер для получения магния и хлора включает футерованную ванну, разделенную перегородкой с верхними и нижними переточными окнами на сборную ячейку и рабочее отделение, в котором размещены катоды, выполненные в виде двух пластин, и аноды.

Изобретение относится к устройству для определения направления движения электролита в алюминиевом электролизере. Устройство содержит лопасть, поворачивающуюся под воздействием сил движущего электролита, закрепленную на изогнутом стержне, на верхнем горизонтальном торце которого размещен конус с возможностью его погружения в коническое углубление пластины, расположенной на держателе устройства, при этом стержень выполнен с U-образным изгибом в верхней горизонтальной его части и со смещением центра тяжести в нижней его части строго в вертикальном положении.

Изобретение относится к способу получения металла электролизом расплавленной соли. Способ включает проведение электролиза в устройстве для электролиза расплавленной соли, содержащем электролизер и пару электродов, причем устройство для электролиза расплавленной соли имеет по меньшей мере два комплекта пар электродов, и по меньшей мере один комплект из этих пар электродов электрически разомкнут, а осуществляют одновременно электролиз расплавленной соли в электролитической ячейке и нагрев расплавленной соли за счет выделения джоулевой теплоты между парой электродов для электролиза.

Изобретение относится к электролитическому получению кремния, который может быть использован в чистых и относительно безопасных отраслях малой энергетики, например, в литий-ионных аккумуляторах с анодами на основе кремниевых нано-композитных структур и солнечных батарей, которые обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Наверх