[发明专利]一种生产碱金属的电解电池

说明书

本项发明涉及电解电池，这种电池可以用来电化学地用碱金属汞齐生产碱金属，本发明这里所述的“碱金属”一词指的是钠和钾。

本项发明还涉及用上述电解电池从用碱金属汞齐中制备碱金属的过程。

钠是用来制备如氨基钠、乙醇钠和硼氢化钠等物质的一种重要的碱性无机产品。它是由熔融氯化钠电解的Downs过程制造的。此过程中每公斤钠(参见Büchner et al．，工业无机化学，第二版，化学出版社，P228以及下列页)消耗大于等于10 kwh的较高能量。而且，此过程具有一个严重的缺点：电解电池关闭时，熔融盐的固化会破坏电池。此外，由于此过程固有的缺陷，通过这种Downs过程获得的碱金属已经被钙污染，虽然随后的净化步骤可以降低钙的残留水平，但是不可能把钙全部去除掉。

同样的，钾也是用来制备如乙醇钾、氨基钾和钾合金等物质的一种重要的碱性无机产品。近年来，具有一定工业规模的钾的制备是利用钠对氯化钾的还原作用进行的。在第一种情况下，产生NaK，然后将其进行蒸馏。通过将钾蒸汽从反应区连续分离出来，可以使平衡向着钾生成的一侧移动(参见Ullmann′sencyclopedia of Industrial Chemistry，1998年第6版，电子出版社)，从而获得较高的产量。此过程的缺点是工作温度太高(870℃)，而且，生成的钾含有1％的杂质钠，需要进一步的蒸馏来进行附加净化。此过程最大的缺点是使用的钠价格昂贵。原因之一为钠是通过熔融氯化钠电解的Downs过程进行工业生产的，而此过程中每公斤钠需要输入大于等于10 kwh的较高的能量。就对应着每公斤钾(假定产量为100％)消耗的能量约为5．3kwh。

钠汞齐和钾汞齐是使用汞齐过程的氯碱电解作用大量生成的中介产物，一般在制备后，会立即用水转换成碱金属氢氧化物的溶液。这种碱金属耗尽物或不含金属的碱金属汞齐一般会随即回收入氯碱电解作用中。为了维持钠汞齐的液体状态，溶液中的钠浓度值必须保持在1 wt％以下，最好在0．2到0．5 wt％之间。为了维持钾汞齐的液体状态，溶液中的钾浓度值必须保持在1．5 wt％以下，最好在0．3到0．6 wt％之间。工业规模生产的汞齐基本上都含有金属杂质，如铜、铁、钾(在钠汞齐中)、钠(在钾汞齐中)、铅和浓度在1到30ppm之间的锌。

GB 1，155，927描述了采用固体钠离子导体如β-Al₂O₃、以汞齐为阳极、以钠为阴极的进行电化学作用的过程，在此过程中可以用钠汞齐生产出金属钠。但是，考虑到钠的通过量、产品纯度和电流密度等因素，对GB 1，155，927中所述过程的实现不会得到其中所述结果。而且，如果再加上其要求的温度范围，则其中所述的系统在数天内就会呈现出不稳定的情况。

电化学过程中从碱金属汞齐中制备碱金属使用的电解电池和包括固体离子导体的电解电池一般都不适于长期连续的工作。原因一是固体离子导体在工作一定时间后，会变得机械不稳定。

因此本发明的目的一就是要提供没有这些缺点的电解电池。

本发明的另一个目的就是要提供一个使用上述电解电池用碱金属的汞齐制造碱金属的电化学产品的过程，这种过程在能量上可以比Downs过程得到更加有利的钠产品，或在能量上可以比开始时提到的工业制钾过程得到更加有利的钾产品。而且，此过程可以与汞齐过程对应的氯碱电解作用中现存的协调装置结合起来，并避免掉那些在GB 1，155，927的实现过程中出现的缺陷。要实现这一目的，必须遵循一些要求：

阳极侧的碱金属反应必须能够满足氯碱电解作用中集成产品的平衡要求。这就意味着在本发明中，从参与氯碱电解作用的汞齐中流出的碱金属的浓度与流入浓度是相对应的。而且，本发明中在氯碱电解作用和碱金属的电解作用中循环的汞齐的总量必须保持在技术、经济许可的量级内。一般来讲，如果入口汞齐中有50％的碱金属在碱金属电解作用中发生转变，就能实现上述要求。第一种情况中钠金属的生产纯度必须足够高，以便省去了下面除汞的过程，而且避免了Downs过程中钙污染的缺点。第一种情况中钾金属的生产纯度必须足够高，以便省去下面的除汞过程，而且钠含量也比用钠还原时要低，第一种情况下钾中的钠含量为1％。此过程能够进行工业规模的实现，而且必须允许足够高的电流密度和时空产率。站在产品分析、安全、环境保护和附加资本等角度上，要求装备设计时能够应付相对较少的汞含量。此过程要能够连续稳定地工作，并能毫无问题地承受工业碱金属汞齐中常见的金属杂质。“碱金属汞齐”一词表示的是碱金属在汞中的溶液，它在反应温度时为液态。