一种钙还原法从月壤中提取金属的方法

1.本发明属于冶金技术领域，涉及一种钙还原法从月壤中提取金属的方法。


背景技术：

2.建设月球基地和开发月球资源是21世纪月球探测的主要趋势。在月球上创建人类生活和工作的永久基地，不仅可以开发月球蕴藏的矿物资源，建设空间发电站利用月球核聚变原料和太阳能供地球使用，而且能以月球为中转站，为人类向更远的宇宙探索提供建造材料和火箭推进剂。人类要在没有水和空气的月球上正常生活，必不可少的是对月球表面土壤进行开采和原位冶炼，实现金属、水和氧气的自给自足。
3.关于月壤资源原位利用制备金属的方法有氢气还原法、碳热还原法、真空热分解法、电解法和铝热还原-熔盐电解法等，采用的原料主要是钛铁矿和月壤仿真样。然而，氢气还原法和碳热还原法只能将矿物中的铁提取出来，难以利用月壤中含有的铝、硅等金属；真空热分解法只能将月壤含有的氧化物分解为低价氧化物、极少量金属和氧气，且能耗较高；电解法可提取月壤中的铝、硅、铁等金属，但是温度高达1600℃，能耗较高，且阳极材料问题难以解决；铝热还原-熔盐电解法可提取月壤中的铝、硅、铁等金属，但是月壤中含有10％～16％cao，导致电解质的成分发生变化，即钙盐在电解质中大量富集，造成初晶温度和电流效率下降。另外，氢气还原法、碳热还原法和铝热还原-熔盐电解法需要从地球输送还原剂，而还原剂在反应过程存在损失，无法实现循环利用，需要持续补充。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明提供一种钙还原法从月壤提取金属的方法，该方法可高效利用月壤中包含的混合氧化物制备金属，且还原剂可循环利用，无需额外补充。
5.为了达到以上目的，本发明的方法包括以下步骤：
6.s1、将月壤和金属钙混合均匀。
7.s2、将上述混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度并保温，反应得到钙基合金和氧化钙混合物。
8.s3、将上述钙基合金和氧化钙混合物放入装有氯化钙熔盐的反应器中，钙基合金逐渐富集在反应器底部，氧化钙溶解于氯化钙熔盐中。
9.s4、将钙基合金从步骤s3所述反应器底部取出，经真空蒸馏分离获得金属钙和铝硅铁合金，金属钙返回至步骤s1循环利用。
10.s5、采用惰性电极，对s3所述反应器内剩余的包含氧化钙和氯化钙的熔盐进行电解，在阴极获得金属钙，金属钙返回至步骤s1循环利用。
11.氯化钙熔盐会因挥发和电解产生损耗，可以对挥发的氯化钙进行收集，同时可以将阴极获得的一部分金属钙与阳极产生的氯气重新制成氯化钙熔盐，返回步骤s3循环使用。
12.步骤s1中所述月壤和金属钙的质量比优选1:(1～5)。
13.在步骤s2中，所述还原温度为800～1200℃，所述保温时间为1～5h。
14.在步骤s3中，所述氯化钙熔盐的温度为825～900℃。
15.在步骤s4中，所述真空蒸馏过程的真空度为1～100pa，温度为1000～1200℃，时间为30～50min。
16.在步骤s5中，所述电解采用恒槽压电解，将电解槽的电压控制为3.5～4.3v，电解温度为850～1200℃，电解时间为2～4h。
17.步骤s5的电解采用惰性电极，优选地，采用铜作为阴极，石墨作为阳极。这样在电解之后，铜阴极处的铜转变为铜钙合金，使电解产生的钙更容易与熔盐发生分离。具体来说，可以采用与步骤s4类似的真空蒸馏方式，将铜钙合金中的铜与钙分离，铜循环用于阴极，钙循环用于月壤的还原过程。
18.本发明的有益效果是：
19.本发明提供一种钙还原法从月壤提取金属的方法，可提取月壤中含有的铝、硅、铁等金属，还原温度较低，能耗较低。
20.本发明提供的方法可处理未经选矿的月壤，直接将月壤和金属钙混合均匀，然后采用钙还原法将月壤中包含的al2o3、sio2和feo等氧化物还原制备钙基合金和氧化钙，其中氧化钙可溶解于氯化钙熔盐，而钙基合金不能溶解于氯化钙熔盐，从而实现钙基合金和氧化钙的分离。
21.本发明方法通过熔盐电解含氧化钙的氯化钙熔盐，可制备金属钙。另外，钙还原得到的钙基合金和熔盐电解得到的铜钙合金经过真空蒸馏，可获得金属钙、铝硅铁合金和铜，从而实现还原剂钙的循环利用。月球上拥有丰富的太阳能和核能可供发电，而向月球补充输送物资却需要大量的成本，本发明的方法体系中，基本不需要额外补充新物质就能实现体系的长期循环运作，在建立月球基地、开发月球资源过程中具有广泛的应用前景。
附图说明
22.图1为本发明实施例1中的钙还原法从月壤提取金属的产物xrd图谱。
具体实施方式
23.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月壤仿真样模拟月壤，化学成分按质量分数为：42.5％～52.47％sio2，12.36％～25.48％al2o3，5.2％～15.7％feo，10.54％～16.9％cao，3.54％～8.35％mgo，0.54％～7.31％tio2，0.09％～0.41％k2o，余量为杂质。
24.实施例1
25.s1、将化学成分按质量分数为42.5％sio2，23.81％al2o3，7.61％feo，13.59％cao，4.82％mgo，7.31％tio2，0.35％k2o的月壤仿真样和金属钙按质量比1：1混合均匀；
26.s2、将上述混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度800℃并保温3h，反应得到钙基合金和氧化钙混合物；
27.s3、将上述钙基合金和氧化钙混合物放入装有840℃氯化钙熔盐的反应器中，其中钙基合金逐渐富集在反应器底部，而氧化钙溶解于氯化钙熔盐当中；
28.s4、将钙基合金从s3所述反应器底部取出，在真空度60pa、温度1050℃下进行真空
蒸馏分离40min，获得金属钙和铝硅铁合金，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
29.s5、以铜为阴极，石墨为阳极，控制槽电压为3.6v，对s3所述反应器剩余的cacl
2-cao熔盐在1200℃下电解2.5h，在阴极获得金属钙，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
30.在步骤s3中，如图1所示，得到的钙基合金的物相组成为al
86
fe
14
，ca2si，月壤仿真样中铝、硅、铁等金属元素的提取率分别为75.41％、81.26％、84.34％。
31.实施例2
32.s1、将化学成分按质量分数为45.66％sio2，23.21％al2o3，5.2％feo，16.73％cao，5.26％mgo，3.52％tio2，0.41％k2o的月壤仿真样和金属钙按质量比1：2混合均匀；
33.s2、将上述混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度1200℃并保温1.5h，反应得到钙基合金和氧化钙混合物；
34.s3、将上述钙基合金和氧化钙混合物放入装有825℃氯化钙熔盐的反应器中，其中钙基合金逐渐富集在反应器底部，而氧化钙溶解于氯化钙熔盐当中；
35.s4、将钙基合金从s3所述反应器底部取出，在真空度15pa、温度1100℃下进行真空蒸馏分离35min，获得金属钙和铝硅铁合金，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
36.s5、以铜为阴极，石墨为阳极，控制槽电压为4.3v，对s3所述反应器剩余的cacl
2-cao熔盐在1125℃温度下电解3.5h，在阴极获得金属钙，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
37.在步骤s2中，得到的钙基合金的物相组成为al
86
fe
14
，ca2si，月壤仿真样中铝、硅、铁等金属元素的提取率分别为79.53％、84.46％、86.59％。
38.实施例3
39.s1、将化学成分按质量分数为50.24％sio2，15.86％al2o3，14.72％feo，10.54％cao，7.94％mgo，0.54％tio2，0.15％k2o的月壤仿真样和金属钙按质量比1：3混合均匀；
40.s2、将上述混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度950℃并保温4h，反应得到钙基合金和氧化钙混合物；
41.s3、将上述钙基合金和氧化钙混合物放入装有900℃氯化钙熔盐的反应器中，其中钙基合金逐渐富集在反应器底部，而氧化钙溶解于氯化钙熔盐当中；
42.s4、将钙基合金从s3所述反应器底部取出，在真空度25pa、温度1175℃下进行真空蒸馏分离30min，获得金属钙和铝硅铁合金，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
43.s5、以铜为阴极，石墨为阳极，控制槽电压为4v，对s3所述反应器剩余的cacl
2-cao熔盐在975℃温度下电解2h，在阴极获得金属钙，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
44.在步骤s2中，得到的钙基合金的物相组成为al
86
fe
14
，ca2si，月壤仿真样中铝、硅、铁等金属元素的提取率分别为82.96％、85.58％、90.24％。
45.实施例4
46.s1、将化学成分按质量分数为51.44％sio2，13.46％al2o3，12.48％feo，12.58％cao，8.35％mgo，1.41％tio2，0.26％k2o的月壤仿真样和金属钙按质量比1：2.5混合均匀；
47.s2、将上述混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度900℃并保温5h，反应得到钙基合金和氧化钙混合物；
48.s3、将上述钙基合金和氧化钙混合物放入装有870℃氯化钙熔盐的反应器中，其中钙基合金逐渐富集在反应器底部，而氧化钙溶解于氯化钙熔盐当中；
49.s4、将钙基合金从s3所述反应器底部取出，在真空度30pa、温度1150℃下进行真空蒸馏分离45min，获得金属钙和铝硅铁合金，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
50.s5、以铜为阴极，石墨为阳极，控制槽电压为3.5v，对s3所述反应器剩余的cacl
2-cao熔盐在850℃下电解4h，在阴极获得金属钙，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
51.在步骤s2中，得到的钙基合金的物相组成为al
86
fe
14
，ca2si，月壤仿真样中铝、硅、铁等金属元素的提取率分别为81.19％、91.72％、93.75％。
52.实施例5
53.s1、将化学成分按质量分数为48.59％sio2，12.36％al2o3，12.43％feo，16.9％cao，4.21％mgo，5.28％tio2，0.22％k2o的月壤仿真样和金属钙按质量比1：5混合均匀；
54.s2、将上述混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度1100℃并保温2h，反应得到钙基合金和氧化钙混合物；
55.s3、将上述钙基合金和氧化钙混合物放入装有850℃氯化钙熔盐的反应器中，其中钙基合金逐渐富集在反应器底部，而氧化钙溶解于氯化钙熔盐当中；
56.s4、将钙基合金从s3所述反应器底部取出，在真空度75pa、温度1000℃下进行真空蒸馏分离50min，获得金属钙和铝硅铁合金，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
57.s5、以铜为阴极，石墨为阳极，控制槽电压为3.9v，对s3所述反应器剩余的cacl
2-cao熔盐在1050℃下电解3h，在阴极获得金属钙，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
58.在步骤s2中，得到的钙基合金的物相组成为al
86
fe
14
，ca2si，月壤仿真样中铝、硅、铁等金属元素的提取率分别为84.13％、91.94％、92.45％。
59.实施例6
60.s1、将化学成分按质量分数为43.27％sio2，25.48％al2o3，9.05％feo，14.93％cao，3.54％mgo，3.56％tio2，0.16％k2o的月壤仿真样和金属钙按质量比1：3.5混合均匀；
61.s2、将上述混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度1000℃并保温4.5h，反应得到钙基合金和氧化钙混合物；
62.s3、将上述钙基合金和氧化钙混合物放入装有880℃氯化钙熔盐的反应器中，其中钙基合金逐渐富集在反应器底部，而氧化钙溶解于氯化钙熔盐当中；
63.s4、将钙基合金从s3所述反应器底部取出，在真空度1pa、温度1125℃下进行真空蒸馏分离33min，获得金属钙和铝硅铁合金，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
64.s5、以铜为阴极，石墨为阳极，控制槽电压为4.2v，对s3所述反应器剩余的cacl
2-cao熔盐在1100℃下电解2.25h，在阴极获得金属钙，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
65.在步骤s2中，得到的钙基合金的物相组成为al
86
fe
14
，ca2si，月壤仿真样中铝、硅、铁等金属元素的提取率分别为83.79％、90.28％、93.46％。
66.实施例7
67.s1、将化学成分按质量分数为46.82％sio2，17.05％al2o3，15.7％feo，12.43％cao，6.18％mgo，1.71％tio2，0.09％k2o的月壤仿真样和金属钙按质量比1：4混合均匀；
68.s2、将上述混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度850℃并保温1h，反应得到钙基合金和氧化钙混合物；
69.s3、将上述钙基合金和氧化钙混合物放入装有860℃氯化钙熔盐的反应器中，其中钙基合金逐渐富集在反应器底部，而氧化钙溶解于氯化钙熔盐当中；
70.s4、将钙基合金从s3所述反应器底部取出，在真空度45pa、温度1200℃下进行真空蒸馏分离47min，获得金属钙和铝硅铁合金，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
71.s5、以铜为阴极，石墨为阳极，控制槽电压为4.1v，对s3所述反应器剩余的cacl
2-cao熔盐在1175℃下电解3.25h，在阴极获得金属钙，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
72.在步骤s2中，得到的钙基合金的物相组成为al
86
fe
14
，ca2si，月壤仿真样中铝、硅、铁等金属元素的提取率分别为81.42％、91.02％、91.32％。
73.实施例8
74.s1、将化学成分按质量分数为52.47％sio2，14.53％al2o3，10.62％feo，11.97％cao，5.83％mgo，4.32％tio2，0.24％k2o的月壤仿真样和金属钙按质量比1：1.5混合均匀；
75.s2、将上述混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度1050℃并保温2.5h，反应得到钙基合金和氧化钙混合物；
76.s3、将上述钙基合金和氧化钙混合物放入装有890℃氯化钙熔盐的反应器中，其中钙基合金逐渐富集在反应器底部，而氧化钙溶解于氯化钙熔盐当中；
77.s4、将钙基合金从s3所述反应器底部取出，在真空度100pa、温度1075℃下进行真空蒸馏分离43min，获得金属钙和铝硅铁合金，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
78.s5、以铜为阴极，石墨为阳极，控制槽电压为3.8v，对s3所述反应器剩余的cacl
2-cao熔盐在900℃下电解3.75h，在阴极获得金属钙，其中金属钙返回至步骤s1循环利用；
79.在步骤s2中，得到的钙基合金的物相组成为al
86
fe
14
，ca2si，月壤仿真样中铝、硅、铁等金属元素的提取率分别为80.74％、88.52％、89.13％。
80.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。

技术特征：
1.一种钙还原法从月壤中提取金属的方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、将月壤和金属钙混合均匀；s2、将上述混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度并保温，反应得到钙基合金和氧化钙混合物；s3、将上述钙基合金和氧化钙混合物放入装有氯化钙熔盐的反应器中，钙基合金逐渐富集在反应器底部，氧化钙溶解于氯化钙熔盐中；s4、将钙基合金从步骤s3所述反应器底部取出，经真空蒸馏分离获得金属钙和铝硅铁合金，金属钙返回至步骤s1循环利用；s5、采用惰性电极，对s3所述反应器内剩余的包含氧化钙和氯化钙的熔盐进行电解，在阴极获得金属钙，金属钙返回至步骤s1循环利用。2.根据权利要求1所述的钙还原法从月壤中提取金属的方法，其特征在于，所述步骤s1中，月壤与金属钙的质量比为1:(1～5)。3.根据权利要求1所述的钙还原法从月壤中提取金属的方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述还原温度为800～1200℃，所述保温时间为1～5h。4.根据权利要求1所述的钙还原法从月壤中提取金属的方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述氯化钙熔盐的温度为825～900℃。5.根据权利要求1所述的钙还原法从月壤中提取金属的方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述真空蒸馏过程的真空度为1～100pa，温度为1000～1200℃，时间为30～50min。6.根据权利要求1所述的钙还原法从月壤中提取金属的方法，其特征在于，所述步骤s5中，所述电解过程的电解槽电压为3.5～4.3v，电解温度为850～1200℃，电解时间为2～4h。7.根据权利要求1所述的钙还原法从月壤中提取金属的方法，其特征在于，所述步骤s5中，电解所用的阴极为铜。8.根据权利要求7所述的钙还原法从月壤中提取金属的方法，其特征在于，所述电解在阴极得到铜钙合金，铜钙合金经真空蒸馏分离获得金属钙。9.根据权利要求1所述的钙还原法从月壤中提取金属的方法，其特征在于，所述步骤s5中，电解所用的阳极为石墨。

技术总结
本发明属于冶金技术领域，涉及一种钙还原法从月壤中提取金属的方法，该方法包括：S1、将月壤和金属钙混合均匀；S2、将混合物置于密闭反应器，在氩气气氛下升温至还原温度并保温，反应得到钙基合金和氧化钙混合物；S3、将钙基合金和氧化钙混合物放入装有氯化钙熔盐的反应器中，其中钙基合金逐渐富集在反应器底部，而氧化钙溶解于氯化钙熔盐当中；S4、将钙基合金从S3所述反应器底部取出，经真空蒸馏分离获得金属钙和铝硅铁合金；S5、以铜为阴极，石墨为阳极，对S3所述反应器剩余的CaCl


技术研发人员：刘爱民 张杰 石忠宁 张元坤 刘风国 胡宪伟 于江玉 王兆文
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2022/5/25