[发明专利]用电化学法从碱金属汞齐中生产碱金属

说明书

本发明涉及用电化学法从碱金属汞齐中生产碱金属的改进方法。对本发明的目的来说，术语“碱金属”指的是钠和钾。

本发明还涉及适于实施该方法的电解槽以及生产厂的原理。

钠是例如用来制备氨基钠、醇钠和硼氢化钠的重要碱性无机产品。工业制钠是用电解熔融氯化钠的当斯法(Downs process)。该法耗能高，达每公斤钠≥10kWh.(Büchner等，工业无机化学，第二版，Verlag Chemie，p.228)。该法还有严重的缺点，即当电解槽停止工作时，电解槽会由于盐熔体的固化而损坏。另外，用当斯法制得的钠金属的缺点是，方法本身会造成钠被钙污染，借助于随后的净化步骤，也只能使钙的残留量减少，却永远不能全部消除。

类似地，钾是例如用来制备醇钾、氨基钾和钾合金的重要碱性无机产品。现今工业制钾主要是借助于用钠使氯化钾还原。该法第一步生产出NaK，然后使之分馏。借助于持续不断地从反应区抽走钾蒸气会取得好的产量，这样来使平衡移向钾一边(乌尔曼(Ullmann’s)工业化学百科全书，1998第六版，Electronic Release)。一个缺点是该法在高温(870℃)下操作。此外，所制得之钾含有约1％的钠，因而不得不进一步精馏以使之净化。最大的缺点是所用的钠很贵。除别的因素外，这是因为，钠本身是用当斯法电解熔融氯化钠工业制得的，该法制每公斤钠至少要耗能10kWh。这使相应的每公斤钾的耗能(在收率为100％时)约达5.3kWh。

钠汞齐和钾汞齐是在用汞齐法电解碱金属氯化物时大量产生的中间产物，它们在生产出来后通常会立即与水反应而生成碱金属氢氧化物的溶液。已经贫化了碱金属或者说现已不含有碱金属的碱金属汞齐，通常是直接再循环去作碱金属氯化物电解。为了使钠汞齐保持在液体状态，钠的浓度必须保持在小于1％重量的数值，优选保持0.2～0.5％(重量)。为保持钾汞齐的液体状态，钾的浓度必须保持小于1.5％重量，优选保持在0.3～0.6％重量的范围。在工业规模上制得的汞齐含有浓度基本上在1～30ppm的范围内的金属杂质，例如在钠汞齐中的铜、铁、钾，或者在钾汞齐中的钠、铅和锌。

英国专利GB 1,155,927描述了一种制造钠金属的方法，它能从钠汞齐中萃取出钠金属，它是循着使用固态的钠离子导体(如β-Al₂O₃)的电化学途径来萃取的，它使用汞齐作阳极，使用钠作阴极。但是，实施GB 1,155,927所描述的方法在钠转化、产品纯度和电流密度方面并不能达到象专利上所说的效果。另外，所述系统在数天的过程中，如果遵从权利要求的温度范围，就会表现出不稳定的性能。

本发明的目的是要提供出一种从碱金属汞齐中电化学生产碱金属的改进的方法，该方法可使生产钠所用的能源小于当斯法，或生产钾所用的能源小于开头所说的工业方法。为此目的，GB 1,155,927中所述的方法将被作决定性的改进，以使新方法能结合到用汞齐法进行碱金属氯化物电解的现有系统中去，同时使实施GB 1,155,927的方法中所发现的缺点得以避免。

新方法须满足下列基本要求：

阳极端上的碱金属转化满足与碱金属氯化物电解相联系的产物的平衡要求。这意味着从碱金属氯化物电解出来的汞齐中的碱金属流出浓度应相当于本发明的碱金属电解中的输入浓度。另外，在碱金属氯化物电解与本发明的碱金属电解之间循环的汞齐的量须保持在一个数量级之内，这在技术上和经济上就能说得过去。一般地说，如果在碱金属电解中，输入的汞齐中所含的碱金属有50％被转化，就可获得技术经济效益。制得的钠金属必须有这样的纯度，要使得能免去进一步除汞的步骤，并避免当斯法的钙污染缺点。制得的钾金属必须有这样的纯度，要使得能免去进一步除汞的步骤，并使钠含量小于用钠还原法制得的钾金属中的钠含量，后者的钠含量为1％。该方法应能在工业规模上实施，因此应能使足够高的电流密度和时空产率成为可能。从生产建筑物的实际结构、安全、环境保护以及流动资金等因素考虑，要求的设备概念是它能靠系统中较小量的汞来维持运作。该系统在长期运转中应该稳定、能耐受通常会在工业碱金属汞齐中出现的金属杂质而不损坏。就本发明的目的而言，“碱金属汞齐”是指碱金属溶在汞中的溶液，在室温下它是液体。

我们已经发现，依靠本发明的方法，这一目的已经达到。

于是，本发明提供出一种借助于电解法从碱金属汞齐中生产碱金属的方法，本方法使用盛有碱金属汞齐的阳极、使用能传导碱金属离子的固体电解质、使用液态碱金属作阴极，其中作为阳极的碱金属汞齐保持经常运动。