[发明专利]一种钙还原法从月壤中提取金属的方法

说明书

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CaCl₂‑CaO熔盐进行电解，在阴极获得金属钙。本发明方法采用钙还原法，可提取月壤中的铝、硅、铁等金属，并实现还原剂钙的循环利用。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

为了达到以上目的，本发明的方法包括以下步骤：

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。

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。

步骤S1中所述月壤和金属钙的质量比优选1:(1～5)。

在步骤S2中，所述还原温度为800～1200℃，所述保温时间为1～5h。

在步骤S3中，所述氯化钙熔盐的温度为825～900℃。

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。

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。