[发明专利]一种熔盐电解法原位利用月壤的方法

说明书

本发明属于冶金技术领域，涉及一种熔盐电解法原位利用月壤的方法，其包括如下步骤：S1、将氟化物熔盐放入密闭电解槽，在惰性气氛下升温至电解温度；S2、待氟化物熔盐呈熔融态，将月壤加入并完全溶解于氟化物熔盐；S3、控制恒定的电压，对上述氟化物熔盐进行电解，电解后在阴极制得铝硅铁合金，并在阳极收集氧气；S4、以金属铝为阴极，以步骤S2获得铝硅铁合金为阳极，在氯化物熔盐中进行电解精炼，电解后，在阴极制得金属铝，在阳极获得硅铁合金。本发明方法工艺流程简单，可连续化生产，氧气的产率较高；电解温度低，能耗低，电极材料的寿命长。

技术领域

本发明涉及一种熔盐电解法原位利用月壤的方法，属于冶金技术领域。

背景技术

随着航空航天科学技术的发展，人类探测月球活动增加，欧美日印度等国相继开展月球探测活动，中国也正在实施“嫦娥工程”探月计划。月球探测活动的近期目标是在月球表面建立人类活动基地，最终目的是开发和利用月球资源。然而月球活动所需要的一些重要原材料如Al、Si、Fe和O₂等如果从地球上输送，运输成本高达20万美元/公斤。因此利用月球上资源进行原位制备金属和氧气，将具有重要的科研和开发价值。

月壤的主要矿物组成为钙长石CaAl₂Si₂O₈和钛铁矿FeTiO₃等。“阿波罗16号”月球探测器带回地球的真实月壤主要化学成分为45.0％SiO₂、0.5％TiO₂、27.3％Al₂O₃、5.1％FeO、5.7％MgO和15.7％CaO等。目前，从月壤原位制备金属和氧气的方法有氢气还原法、碳热还原法、电解法和真空热分解法等。氢气还原法和碳热还原法需要从地球运输还原剂H₂和C/CO/CH₄，且制备氧气的效率较低；真空热分解法反应不彻底，制备氧气的效率也较低，且能耗较高。电解法是电流通过熔融态月壤电解质，在阴极和阳极上发生氧化还原反应的过程。月球上拥有丰富的太阳能和核能可供发电，使得电解法具有较好的应用前景。不足的是，由于熔融氧化物电解法的电解温度过高(接近1600℃)，目前研究采用的阳极材料为Ir、Pt和Rh等贵金属，电解槽和阳极材料的寿命和成本问题还未有效解决。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种熔盐电解法原位利用月壤的方法，该方法工艺流程简单，可连续化生产，制备氧气的效率高；电解温度低，能耗低，阴极和阳极材料的寿命长。

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种熔盐电解法原位利用月壤的方法，其包括如下步骤：

S1、将氟化物熔盐放入密闭反应器，在惰性气氛下升温至电解温度；

S2、待氟化物熔盐呈熔融态，将月壤加入并完全溶解于氟化物熔盐；

S3、将惰性电极插入氟化物熔盐中进行电解，电解后在阴极制得铝硅铁合金，并在阳极收集另一产物氧气；

S4、以金属铝为阴极，步骤S3获得的铝硅铁合金为阳极，在氯化物熔盐中进行电解精炼，电解精炼后，在阴极制得金属铝，在阳极获得硅铁合金。

在一个优选的实施方案中，在步骤S1中，所述氟化物熔盐包括以下成分：按摩尔分数，40～60％KF、40～60％AlF₃、0～5％CaF₂和0～5％LiF，该成分为钾冰晶石熔盐。由于步骤S3中的电解过程是高温熔盐电解，惰性阳极在高温熔盐中容易被腐蚀，所以氟化物熔盐采用钾冰晶石熔盐，可以降低电解温度，减少惰性阳极的腐蚀。

在一个优选的实施方案中，在步骤S1中，所述惰性气氛为氩气，所述电解温度为750～850℃。

在一个优选的实施方案中，在步骤S2中，所述月壤的质量占月壤和氟化物熔盐总质量的2～4％。