一种氢还原-电解法利用月壤制备氧气的方法

1.本发明涉及一种氢还原-电解法利用月壤制备氧气的方法，属于冶金技术领域。


背景技术：

2.开发月球资源和建设月球基地是一项多学科领域交叉的前沿课题，具有重要的科学意义。地球与月球之间距离约38万千米，运输成本昂贵，因而长期和永久性的月球活动所需要的金属材料和氧气不能依赖于地球的补给输送，只能根据月表的环境条件，原位利用月壤中含有的复合氧化物，实现月球基地金属材料和氧气的自给自足。
3.月壤样品的矿物分析表明，位于高地的月壤主要为斜长岩，其中钙长石caal2si2o8的质量分数达90％以上，其余的为辉石(mg,ca,fe)sio3和橄榄石(mg,fe)2sio4。位于月海的月壤主要为玄武岩，包含斜长石、辉石、橄榄石和钛铁矿(fetio3)等矿物。具有代表性的美国“阿波罗14号”登月点月壤主要化学成分为48.1％sio2、1.7％tio2、17.4％al2o3、10.4％feo、9.4％mgo和10.7％cao等。若能将氧元素从月壤含有的复合氧化物矿中分离出来，就可以为月球基地建设和人类驻守月球提供源源不断的氧气。
4.月壤原位利用制备氧气的研究使用的原料一般为包含钙长石、钛铁矿的月壤仿真样。研究表明，平均1吨月壤可以提供369dm3的氢气，在深度为0.1μm的月表土壤中氢气质量分数最高为0.3％，而且在月球两极可能存在固态水冰(可以电解产生氢气)，使得氢还原法具有应用前景。不足的是，氢还原法只能还原月壤含有的钛铁矿得到铁、二氧化钛和水，不能提取月壤的主要物相钙长石中的氧元素。也就是说，氢还原法提取出来的氧气质量占月壤质量的4.85％，远远低于月壤中氧的总质量分数(大于40％)。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种氢还原-电解法利用月壤制备氧气的方法，该方法可充分利用月壤中含有的多种复合氧化物制备氧气，氧气的产率较高，同时还可获得金属铁和铝硅合金。
6.为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
7.一种氢还原-电解法利用月壤制备氧气的方法，流程如图1所示，其包括如下步骤：
8.s1、将月壤放入密闭反应器，在真空条件下升温至还原温度。
9.s2、向反应器中通入氢气并保温一段时间，制得金属铁和富含钙长石的月壤。同时可以通过冷凝获得另一产物水。
10.s3、将与金属铁分离后的富含钙长石的月壤放入密闭的电解槽，分离金属铁和含钙长石的月壤可以利用二者的密度差别，采用沉降分离、离心分离等方法。
11.升温至电解温度，使月壤熔化成液态的熔渣。
12.s4、将惰性电极插入所述熔渣中，控制电解槽电流，对富含钙长石的月壤进行电解获得氧气。
13.在步骤s1中，所述还原温度为900～1250℃。
14.在步骤s2中，所述氢气的通入速率为150～250ml/min，所述保温的时间为2～6h。
15.在步骤s2中，所述冷凝获得的水经电解制备氢气和氧气，氢气可循环用于步骤s2中。
16.在步骤s3中，所述电解温度为1550～1650℃。
17.在步骤s4中，所述电解槽电流密度为0.6～1.0a/cm2，所述电解时间为2～6h。
18.在步骤s4中，所述电解的过程中，在阴极获得铝硅合金，在阳极获得氧气。
19.在步骤s4的电解过程中，优选地，阴极采用石墨，阳极采用铱钨合金。
20.本发明提供一种氢还原-电解法利用月壤制备氧气的方法，所涉及的化学反应如下：
21.fetio3(s) h2(g)＝fe(s) tio2(s) h2o(g)(氢还原)
22.h2o(l)＝h2(g) 1/2o2(g)(电解水)
23.2caal2si2o8＝2cao 4al-si 7o2(熔渣电解)
24.本发明的方法首先采用氢气还原月壤中含有的钛铁矿获得金属铁和水，电解水可获得氢气和氧气；然后采用电解法将月壤中的钙长石进行电化学还原，获得铝硅合金和氧气。与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
25.1、本发明方法采用氢气还原和电解联合的方法，不需要对月壤进行选矿处理，不仅可还原月壤中含有的钛铁矿制备氧气，而且能将月壤的主要物相钙长石中的氧提取出来，从而提高氧气的产率。
26.2、本发明方法利用氢气还原的方法可将月壤中的金属铁提取出来，后续电解过程的熔渣中不含铁，可避免熔渣电解过程fe(ii)和fe(iii)离子在阴极和阳极之间的相互转化，提高电流效率，并在阴极电解获得不含杂质铁的铝硅合金；此外，电解过程阳极材料可采用铱钨合金，抗氧化性和抗腐蚀性强，并且成本相对较低。
附图说明
27.图1为氢还原-电解法利用月壤制备氧气的流程示意图。
具体实施方式
28.为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。本发明实施例中，采用的月壤仿真样的化学成分按质量分数，为43.56％～51.68％sio2，13.64％～24.52％al2o3，5.14％～15.63％feo，10.2％～16.31％cao，3.3％～8.15％mgo，0.86％～8.27％tio2，0.12％～0.53％k2o，余量为杂质。其中feo和tio2主要以钛铁矿形式存在。
29.实施例1
30.氢还原-电解法利用月壤制备氧气的方法的流程如图1所示，具体步骤如下：本实施例中所用月壤化学成分按质量分数为43.56％sio2，24.52％al2o3，8.36％feo，12.74％cao，4.13％mgo，6.46％tio2，0.22％k2o，余量为杂质。
31.s1、将50g月壤放入密闭反应器，在真空条件下升温至900℃；
32.s2、向反应器中通入氢气，氢气的通入速率为150ml/min，并保温6h，制得金属铁和富含钙长石的月壤，并冷凝获得另一产物水；并将冷凝获得的水经电解制备氢气和氧气；
33.s3、将与金属铁分离后的富含钙长石的月壤放入以石墨为阴极，以铱钨合金为阳极的电解槽中，升温至1550℃，使月壤熔化成液态的熔渣；
34.s4、控制电解槽电流密度恒定为0.7a/cm2，电解槽阳极与熔渣接触表面积为14.2cm2，对富含钙长石的月壤熔渣进行电解，电解时间为3h，在阴极获得铝硅合金，在阳极收集阳极气体，经液化净化获得纯度较高的氧气。
35.步骤s2和s4获得氧气总量为15.35g，氧气产率为69.12％；步骤s4电解过程的电流效率为75.6％。
36.对比例2
37.直接将月壤熔化后，采用实施例1的电解槽和电解参数进行电解。
38.最终获得氧气总量为12.53g，氧气产率为56.42％；步骤s4电解过程的电流效率为56.6％。可见月壤熔渣中铁元素的存在，会大幅度影响电解的效率。
39.实施例3
40.s1、将50g月壤放入密闭反应器，在真空条件下升温至1250℃；其中，月壤化学成分按质量分数为46.95％sio2，22.47％al2o3，5.14％feo，11.38％cao，5.34％mgo，8.27％tio2，0.43％k2o，余量为杂质。
41.s2、向反应器中通入速率为250ml/min的氢气，并保温2h，制得金属铁和富含钙长石的月壤，并冷凝获得另一产物水，将水经电解制备氢气和氧气；
42.s3、将与金属铁分离后的富含钙长石的月壤放入电解槽，升温至1650℃，使月壤熔化成液态的熔渣；
43.s4、以石墨为阴极，以铱钨合金为阳极，控制电解槽电流密度恒定为1.0a/cm2，电解槽阳极与熔渣接触表面积为14.2cm2，对富含钙长石的月壤熔渣进行电解，电解时间为2.5h，在阴极获得铝硅合金，在阳极收集阳极气体，经液化净化后获得纯度较高的氧气备用。
44.步骤s2和s4获得氧气总量为15.58g，氧气产率为68.54％；步骤s4电解过程的电流效率为82.9％。
45.实施例4
46.s1、将50g月壤放入密闭反应器，在真空条件下升温至950℃；其中，月壤化学成分按质量分数为49.25％sio2，18.61％al2o3，12.83％feo，10.2％cao，7.87％mgo，0.86％tio2，0.37％k2o，余量为杂质。
47.s2、向反应器中通入速率为200ml/min的氢气并保温3h，制得金属铁和富含钙长石的月壤，并冷凝获得另一产物水，将冷凝获得的水经电解制备氢气和氧气；
48.s3、将与金属铁分离后的富含钙长石的月壤放入电解槽，升温至1600℃，使月壤熔化成液态的熔渣；
49.s4、以石墨为阴极，以铱钨合金为阳极，控制电解槽电流密度恒定为0.8a/cm2，电解槽阳极与熔渣接触表面积为14.2cm2，对富含钙长石的月壤熔渣进行电解，电解时间为5h，在阴极获得铝硅合金，在阳极收集阳极气体，经液化净化获得纯度较高的氧气。
50.步骤s2和s4获得氧气总量为15.72g，氧气产率为70.98％；步骤s4电解过程的电流效率为78.8％。
51.实施例5
52.s1、将50g月壤放入密闭反应器，在真空条件下升温至1050℃；其中，月壤化学成分按质量分数为48.26％sio2，14.97％al2o3，12.49％feo，13.43％cao，8.15％mgo，2.57％tio2，0.12％k2o，余量为杂质。
53.s2、向反应器中通入速率为180ml/min的氢气并保温3.5h，制得金属铁和富含钙长石的月壤，并冷凝获得另一产物水，并将冷凝获得的水经电解制备氢气和氧气；
54.s3、将与金属铁分离后的富含钙长石的月壤放入电解槽，升温至1620℃，使月壤熔化成液态的熔渣；
55.s4、以石墨为阴极，以铱钨合金为阳极，控制电解槽电流密度恒定为0.9a/cm2，电解槽阳极与熔渣接触表面积为14.2cm2，对富含钙长石的月壤熔渣进行电解，电解时间为4h，在阴极获得铝硅合金，在阳极收集阳极气体，经液化净化后获得纯度较高的氧气备用。
56.步骤s2和s4获得氧气总量为16.15g，氧气产率为72.47％；步骤s4电解过程的电流效率为80.5％。
57.实施例6
58.s1、将50g月壤放入密闭反应器，在真空条件下升温至1150℃；其中，月壤化学成分按质量分数为45.46％sio2，13.64％al2o3，15.63％feo，14.91％cao，5.54％mgo，4.51％tio2，0.29％k2o，余量为杂质。
59.s2、向反应器中通入速率为220ml/min的氢气并保温4h，制得金属铁和富含钙长石的月壤，并冷凝获得另一产物水；将冷凝获得的水经电解制备氢气和氧气；
60.s3、将与金属铁分离后的富含钙长石的月壤放入电解槽，升温至1610℃，使月壤熔化成液态的熔渣；
61.s4、以石墨为阴极，以铱钨合金为阳极，控制电解槽电流密度恒定为0.65a/cm2，电解槽阳极与熔渣接触表面积为14.2cm2，对富含钙长石的月壤熔渣进行电解，电解时间为4.5h，在阴极获得铝硅合金，在阳极收集阳极气体，经液化净化后获得纯度较高的氧气备用。
62.步骤s2和s4获得氧气总量为14.21g，氧气产率为67.54％；步骤s4电解过程的电流效率为81.4％。
63.实施例7
64.s1、将50g月壤放入密闭反应器，在真空条件下升温至1000℃；其中，月壤化学成分按质量分数为50.08％sio2，16.25％al2o3，14.18％feo，14.82％cao，3.3％mgo，1.16％tio2，0.19％k2o，余量为杂质。
65.s2、向反应器中通入速率为170ml/min的氢气并保温2.5h，制得金属铁和富含钙长石的月壤，并冷凝获得另一产物水；将冷凝获得的水经电解制备氢气和氧气；
66.s3、将与金属铁分离后的富含钙长石的月壤放入电解槽，升温至1570℃，使月壤熔化成液态的熔渣；
67.s4、以石墨为阴极，以铱钨合金为阳极，控制电解槽电流密度恒定为0.75a/cm2，电解槽阳极与熔渣接触表面积为14.2cm2，对富含钙长石的月壤熔渣进行电解，电解时间为2h，在阴极获得铝硅合金，在阳极收集阳极气体，经液化净化后获得纯度较高的氧气备用。
68.步骤s2和s4获得氧气总量为15.34g，氧气产率为70.5％；步骤s4电解过程的电流效率为79.6％。
69.实施例8
70.s1、将50g月壤放入密闭反应器，在真空条件下升温至1100℃；其中，月壤化学成分按质量分数为44.29％sio2，20.64％al2o3，7.96％feo，16.31％cao，6.65％mgo，3.72％tio2，0.42％k2o，余量为杂质。
71.s2、向反应器中通入速率为210ml/min的氢气并保温4.5h，制得金属铁和富含钙长石的月壤，并冷凝获得另一产物水；将冷凝获得的水经电解制备氢气和氧气；
72.s3、将与金属铁分离后的富含钙长石的月壤放入电解槽，升温至1630℃，使月壤熔化成液态的熔渣；
73.s4、以石墨为阴极，以铱钨合金为阳极，控制电解槽电流密度恒定为0.95a/cm2，电解槽阳极与熔渣接触表面积为14.2cm2，对富含钙长石的月壤熔渣进行电解，电解时间为6h，在阴极获得铝硅合金，在阳极收集阳极气体，经液化净化后获得纯度较高的氧气备用。
74.步骤s2和s4获得氧气总量为15.65g，氧气产率为71.24％；步骤s4电解过程的电流效率为80.9％。
75.实施例9
76.s1、将50g月壤放入密闭反应器，在真空条件下升温至1200℃；其中，月壤化学成分按质量分数为51.68％sio2，15.18％al2o3，10.21％feo，15.72％cao，4.73％mgo，1.94％tio2，0.53％k2o，余量为杂质。
77.s2、向反应器中通入速率为240ml/min的氢气并保温5h，制得金属铁和富含钙长石的月壤，并冷凝获得另一产物水；将冷凝获得的水经电解制备氢气和氧气；
78.s3、将与金属铁分离后的富含钙长石的月壤放入电解槽，升温至1590℃，使月壤熔化成液态的熔渣；
79.s4、以石墨为阴极，以铱钨合金为阳极，控制电解槽电流密度恒定为0.6a/cm2，电解槽阳极与熔渣接触表面积为14.2cm2，对富含钙长石的月壤熔渣进行电解，电解时间为5.5h，在阴极获得铝硅合金，在阳极收集阳极气体，经液化净化后获得纯度较高的氧气备用。
80.步骤s2和s4获得氧气总量为15.86g，氧气产率为69.41％；步骤s4电解过程的电流效率为82.3％。
81.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何本领域技术人员可以利用上述公开的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。