[发明专利]以氢氧化铝为原料一步反应制造金属铝的方法

说明书

本发明涉及一种以金属氢氧化物为原料通过一步化学反应制造金属单质的方法。其中包括以氢氧化铝为原料一步反应制造金属铝的方法；以氢氧化钙为原料一步反应制造金属钙的方法；以氢氧化钛为原料一步反应制造金属钛的方法；……。与传统的金属冶炼方法相比，省去了以金属氢氧化物制造金属氧化物的过程，也省去了把金属氧化物或金属卤化物进行电解或加入还原剂进行高温还原从而制造金属单质的过程，因此制造金属单质的成本可下降50％以上，并副产氢气和氧气；尤其是本方法的整个生产过程不产生废气、废渣、废水，更不会产生二氧化碳温室气体。

技术领域

本发明涉及一种以氢氧化物或其相应的氧化物为原料一步反应制造金属单质和非金属单质的方法。其中包括以氢氧化铝或氧化铝为原料一步反应制造金属铝的方法；以氢氧化钙或氧化钙为原料一步反应制造金属钙的方法；以氢氧化钛或氧化钛为原料一步反应制造金属钛的方法；以氢氧化镁或氧化镁为原料一步反应制造金属镁的方法；以氢氧化锌或氧化锌为原料一步反应制造金属锌的方法；以氢氧化钒或氧化钒为原料一步反应制造金属钒的方法；以氢氧化铬或氧化铬为原料一步反应制造金属铬的方法；以氢氧化铁或氧化铁为原料一步反应制造金属铁的方法；以氢氧化镍或氧化镍为原料一步反应制造金属镍的方法；以氢氧化铅或氧化铅为原料一步反应制造金属铅的方法；以氢氧化锡或氧化锡为原料一步反应制造金属锡的方法；以氢氧化硅或氧化硅为原料一步反应制造非金属硅单质的方法。与传统的冶炼方法相比，省去了以氢氧化物制造氧化物的过程，也省去了把氧化物或卤化物进行电解还原或加入还原剂进行火法还原从而制造金属单质和非金属单质的过程，因此制造单质的成本可下降50％以上，并副产氢气和氧气；尤其是本方法的整个生产过程不产生废气、废渣、废水，更不会产生二氧化碳温室气体。

背景技术

金属单质的传统冶炼方法一般是把金属氢氧化物先转化为金属氧化物，然后通过电解还原或火法还原的方法再把金属氧化物或金属卤化物转化为金属单质。例如，传统金属铝的冶炼，就是先把氢氧化铝转化为氧化铝，然后再把氧化铝电解还原为金属铝，生产一吨金属铝耗电15000KWh/t，并排放15吨二氧化碳。由此其生产成本比氢氧化铝的生产成本提高了2倍以上，工业氢氧化铝的售价为2800元/t,金属铝的售价为14100元/t，而采用氢氧化铝为原料一步反应制造金属铝，不需要制造氧化铝，不需要电解还原，生产成本可下降50％以上，并且生产过程没有“三废”排放，没有二氧化碳排放；又例如，传统金属钙的冶炼，不论是加入镁粉火法还原氧化钙的方法还是通过电解把熔融氯化钙还原为金属钙的方法，金属钙的生产成本比氢氧化钙的生产成本提高了3倍以上，工业氯化钙售价800元/t,工业氢氧化钙售价1000元/t，金属钙售价21000元/t，而采用氢氧化钙为原料一步反应制造金属钙，生产成本可下降50％以上，并且生产过程没有“三废”排放，没有二氧化碳排放；等等。从化学反应原理上说，氢氧化铝制造金属铝是还原方向，氢氧化铝制造氧化铝是氧化方向，氧化铝电解为金属铝也是还原方向，而我们已知，氧化与还原两个反应方向是180角度的反差，是南与北的两头。既然以氢氧化铝为原料最终目的是制造金属铝，最理想的方案顺理成章应该是一直朝着还原的方向行进。然而传统技术路线或方法是把氢氧化铝先转化为氧化铝再转化为金属铝，这无疑是走了一圈180角度相反方向的超大弯路，由此必然超大幅度地增加能量消耗，超大幅度地增加生产成本，超大幅度增加“三废”排放。本发明以氢氧化铝为原料一步反应制造金属铝，只有一个反应方向，不走弯路，因此能够超大幅度地降低生产成本。但仔细搜索后，没发现有氢氧化铝一步反应被还原为金属铝的化学实例，也没发现有金属氢氧化物一步反应被还原为金属单质的化学实例。本发明人为化学制药专业，在研发制药新工艺的过程中，常用到金属锌或金属铝催化剂，由此无意间发现：运用有机反应的方法和规则，完全可以把氢氧化锌或氢氧化铝通过一步反应的过程直接还原为金属锌或金属铝，从而省去以氢氧化锌或氢氧化铝为原料制造氧化锌或氧化铝的工序，并省去电解还原的工序。我们也已知，大多数氢氧化物的热稳定性较差，加热后容易脱水转化为相应的氧化物，而有机物中的氢氧化物的热稳定性更差，例如氢氧化碳(HO-C-OH)官能团，即使在室温也会脱水转化为相应的氧化碳(C＝O)官能团(羰基)。然而在有机反应领域内有一个铁的规则：“羰基(C＝O)在超强碱水中必然会与水分子发生加成反应生成不稳定的同碳二醇或氢氧化碳官能团(HO-C-OH)，同碳二醇或氢氧化碳官能团极不稳定，必然进一步脱羟基并同时与水发生反应生成C-H键和氧气”。例如碳酸钾中的羰基(C＝O)在质量浓度为40％的KOH水溶液中并在锌粉催化下必然与水发生反应生成有机物和氧气(见下述实施例1)。这里所谓的超强碱水主要指的是质量浓度为40-80％的KOH水溶液中的水。具体的说就是：“碳氧双键或羰基(C＝O)在质量浓度为40-80％的KOH水溶液中并加热则不能够长期稳定存在，必然要自发地与水发生反应生成还原产物和氧气”。至今还没发现有与这一“规则”相违的有机反应实例，故称之为铁的规律。进一步研究后，发现硫氧双键(S＝O)或氮氧双键(N＝O)或磷氧双键(P＝O)甚至包括锌氧双键(Zn＝O)或铝氧双键(Al＝O)这一类氧双键官能团，在40-80％KOH水溶液中并加热也不能够长期稳定存在，都必然要与水发生象羰基(C＝O)一样的加成反应，也符合上述铁的规律。即氧双键(＝O)官能团在超强碱水中并加热必然要与水发生加成反应，形成HO-S-OH或HO-N-OH或HO-P-OH或HO-Zn-OH或HO-Al-OH这一类可热分解的氢氧化物官能团，然后热分解形成自由基并进一步与水发生自由基抽氢反应，形成S-H键和氧气或形成N-H键和氧气或形成P-H键和氧气或形成Zn-H键和氧气或形成Al-H键和氧气，等等。我们早已知，含Zn-H键的氢化锌或含Al-H键的氢化铝在水溶液中可被水解产生氢气和氢氧化锌或氢氧化铝。但是，在超强碱水溶液中以及在反应温度超过氢氧化物分解温度的工艺条件下，其水解产物不可能是氢氧化锌或氢氧化铝，因为在氢氧化物热分解温度以上的环境中，即使生成了氢氧化锌或氢氧化铝也很快被分解转化为新物质；这个新物质更不可能是氧化锌或氧化铝，因为业内人士共知，氧化锌或氧化铝即使在分解温度以下也会被强碱性水溶液分解转化，不能稳定存在。有可能副产锌酸钾或铝酸钾，但实验证明：氢氧化锌或氢氧化铝在浓度为40-80％的KOH超强碱水溶液中，并反应温度在其分解温度以上的工艺条件下，分解转化的产物主要是还原产物，即金属锌或金属铝，只有不超过5％的氢氧化锌或氢氧化铝溶入超强碱水溶液中转化为锌酸钾或铝酸钾。但是当溶液中锌酸钾或铝酸钾含量达到过饱和后，如果继续向该过饱和溶液中加入氢氧化锌或氢氧化铝，它们就已经不能继续转化为锌酸钾或铝酸钾了，就已经不能继续溶入该过饱和溶液中了，只能转化为金属锌或金属铝。这种过饱和溶液可以一直套用。例如氢氧化锌在40％的KOH水溶液中，加热至140℃以上，其热分解的产物不是氧化锌而是金属锌，并副产氧气和氢气(见下述实施例3)。因为氢氧化锌在125℃开始分解，在140℃时必然要被分解，而且过饱和溶液(滤液)中锌酸钾含量不超过3％。所以，生成金属锌的二个关键因素是：反应温度必须达到氢氧化锌热分解温度以上以及必须在浓KOH水溶液中。通过大量的实验，在实验基础上总结出一条化学反应规律：“可热分解的氢氧化物，在超强碱溶液(包括KOH亚熔盐、浓醇钾溶液、金属钠粉在四氢呋喃中的悬浮液、浓度为40-80％的KOH水溶液等等)中，其热分解产物必然是还原产物而不是氧化产物，一般金属氢氧化物在超强碱水中的还原产物为金属单质”。规则——“水溶液的碱性越超强，金属氢氧化物就越是被热分解为金属单质而不是金属氧化物，同时产生氧气和氢气”。