盐电解

金属生产

一旦分离出稀土元素,剩下的步骤就是电解提取高纯度稀土元素金属。Nd和Pr可以单独生产,也可以使用氟氧化物熔融盐电解工艺作为合金(didymium)生产。该技术类似于铝电解,但设置和尺寸不同。

稀土氧化物(REO)为氟化物基电解质提供原料,该电解质被送入在惰性氩气气氛下操作的封闭钢电池中。该系统包含一个中空碳环阳极和一个钨(或钼)阴极,并被加热到1050°C左右。氧化发生在阳极,氧气与碳反应产生CO和CO2气体。同时,还原反应发生在产生钕/钕金属的阴极上。工作温度略高于金属/合金的熔点,这使得液态金属能够落入位于阴极下方的钨坩埚中。在发生“阳极效应”的地方,当溶液中REO的浓度下降并导致阳极产生全氟化碳(PFC)时,会排放CF4和C2F6,其全球变暖潜力分别是二氧化碳的6500倍和9200倍(Green,2007)。当阳极效应发生时,PFC的生产迅速增加,电流密度中断,金属生产停滞。

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亚琛工业大学钕和钕熔盐电解装置;(电池、傅里叶变换红外光谱仪、控制器)并获得纯度>99%的钕。©IME/RWTH亚琛。

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钕和钕的工业电解槽示意图©IME/RWTH Aachen

稀土元素的用途

在欧洲环境标准下开发成功的稀土元素熔盐电解方法的挑战促使Aaachen RWTH的研究人员开发了一种自动化的新电池设计(封闭系统)。主要目标是通过减少能量损失、提高成本效益和减少杂质干扰来改进当前的熔盐技术。

使用多种电化学技术来确定工艺窗口并识别系统中正在进行的机制,以便有效地生产金属并防止PFC的产生。该项目的一个突破点是过程自动化,从而减少了温室气体的产生。这些气体的排放取决于氧化物浓度和其他工艺参数,如电势和电流密度,这些参数由安装的控制器调节,傅里叶变换红外光谱仪用于测量废气。一旦上述参数达到临界值,就会检测到由此产生的PFC排放,触发警报和REO剂量,防止完全阳极效应。通过EURARE项目,研究了钕和钕电解背后的基本原理,并确定了最佳工艺参数。此外,根据临界电位和电流值以及废气浓度安装了全自动过程控制,从而实现了金属生产的高效率和PFC温室气体的减少。

开发的电池实现了工艺参数优化、自动化、温室气体排放减少以及Nd和钕镨(Nd-Pr)金属的高纯度金属生产。对钕金属生产过程的阐明是EURARE项目领导的一项重大突破,因为以前文献中不存在这一信息。该工艺的自动化提高了金属生产效率,减少了PFC温室气体的产生。与间歇工艺的金属热还原相比,该工艺的最大优势是连续生产高纯度的金属,产品需要进一步的纯化步骤。

电沉积活性金属

在EURARE项目下,还探索了传统高温熔盐电解的替代方案。近年来,离子液体作为电沉积比氢气更正电的金属的电解质,受到了越来越多的关注。阳离子和阴离子的类型改变了离子液体的几个性质,如熔点、化学和热稳定性、离子电导率和宽电化学窗口。

来自雅典NTUA的研究人员使用在低温下熔化的离子液体或“室温离子液体”(RTIL)来电沉积镧和钕。

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用于还原稀土金属的循环伏安设备©NTUA。

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循环伏安法导致各种离子液体中稀土金属的还原。电沉积在25°C下进行,纯金属电沉积©NTUA。

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使用离子液体在室温下沉积钕,总能耗为3.3 kWh/kg,即熔盐工艺要求的三分之一©NTUA