FFC剑桥法

✍ dations ◷ 2025-02-25 09:24:25 #化学过程,电化学,钛



FFC剑桥法(英语:FFC Cambridge Process)是一种将固体金属,尤其是氧化物,置于阴极,在熔融盐中还原成较纯金属或者合金的电化学方法。FFC剑桥法被视为一种具有潜力的精炼方式,未来可能可以取代某些现有的金属生产方式,例如长期用于精炼钛的克罗尔法。

FFC剑桥法在1996、1997年间由陈政(英语:George Chen)、德雷克·富雷(英语:Derek Fray)、汤姆·法辛(Tom Farthing)三人于剑桥大学开发出来。该法之命名也是取自上述三人的姓氏字首字母。三人成功以熔融盐电化学方法从钛箔上的氧化鳞皮、二氧化钛粉末烧结成的小球粒、钛渣等含钛物还原出纯金属钛。注意传统方法大多需要先将含钛物通氯气制成四氯化钛,才能进行后续的还原制程。1904年德国专利150557号也有类似的制程。

整个制程通常在900 °C至1100 °C的温度范围内进行,阳极实务上常以石墨碳棒制作,阴极是待还原的含钛氧化物、含钛物(有些研究会先以钼网包覆阴极,防止阴极碎裂散落),电解液则须以氯化钙熔汤担当,坩埚大多采用石墨材质。基于氧化物的性质,存在一相对于阳极的特定电位,影响氧化钙在熔汤中的含量。阴极被极化至一比阳极更低之电位。借由在两极间施加一电压达成两极间电位差。当极化至更低的负电位后,阴极的氧化物倾向于对电解液释出氧离子,氧离子进入电解液后以氧化钙的形式存在。为维持电解液的电中性,当一氧离子离开阴极进入电解液时,另一氧离子从电解液游向阳极,故阳极采石墨电极时,可在阳极附近观测到一氧化碳或二氧化碳生成。也因为氧离子游向阳极,惰性阳极可以用来产生氧气。

当达到负电压时,阴极可能开始产生钙。钙的还原性很高,会进一步将阴极的氧剥离,达到钙热还原的效果。不过,当越来越多钙溶入氯化钙熔汤时,熔汤电解液导电性会上升,致使电流效率(英语:Faraday efficiency)降低。

整个电-钙热还原反应机转可以下式表述。

该反应自发进行时,称之为钙热还原反应,或也可视为金属热还原(metallothermic reduction)反应的其中一例。例如,若阴极为TiO,则钙热还原反应的反应式可写为

虽然上式这么表示,但实际上这是一个逐渐将氧从氧化物上剥离的过程。例如,阴极的二氧化钛不会一步到位地产生钛,而会先产生一堆中间产物如Ti3O5、Ti2O3、TiO等等低价氧化物。

钙氧化物的电解反应化学式如下:

反应式(2b)显示在阴极旁熔汤中的钙离子Ca2+还原成钙。钙会继续使阴极的金属氧化物还原成金属。

综合反应式(1)与反应式(2),反应的净结果可看成是金属氧化物分解成金属与氧气:

以氯化钙熔汤作电解液非常重要,因为这种熔融盐可以溶解并输送O2−离子至阳极释放电子。阳极反应视阳极材质有不同产物,石墨材质的阳极会产生一氧化碳、二氧化碳或其他含碳混合物:

然而,阳极若是由反应性较低的材质,如高密度SnO2,则O2−离子倾向在阳极反应成氧气。采取惰性阳极至少有两项缺点,一来当熔汤中氧化钙渐渐减少,阳极处将倾向产生氯气,不利环保与人员安全,二来比起石墨阳极,会使制程更耗能,综上两点,惰性阳极会导致整个电解池不稳定。

相关

  • 鳞掌沙鼠鳞掌沙鼠(学名Ammodillus imbellis)是鼠科中的一个物种,也是鳞掌沙鼠属(Ammodillus)之下的唯一物种。发现于埃塞俄比亚及索马里。
  • 原猴原猴亚目(学名:Strepsirrhini)是哺乳纲灵长目的一个亚目,通称为原猴,是灵长目的基群,主要分布于非洲的马达加斯加以及东亚和南亚。新的分类方法中原猴已不包括跗猴科(Tarsiidae)。本
  • 风俗习俗是指在地区社会文化中长期形成之风尚、礼节、习惯以及禁忌等的总和,民间的风俗又称作民间习俗。风俗的涵括范围很广,可以包括食、衣、住、行、娱乐、社交、恋爱、性爱、生
  • 瓦尔特·克里斯塔勒瓦尔特·克里斯塔勒(德语:Walter Christaller,1893年4月21日-1969年3月9日)是一名德国地理学家,专门研究城市分布规律。他于1933年创立出“中心地理论”,被视为地理学界的一个重要
  • 尤吉·贝拉劳伦斯·彼得·贝拉(英语:Lawrence Peter Berra,1925年5月12日-2015年9月22日),昵称尤吉·贝拉(Yogi Berra),出身于圣路易市,是前美国职棒大联盟捕手、教练与球队经理,球员生涯主要效力
  • 数字地面模型数字地面模型(digital terrain model,DTM)就是以数字的形式来表示实际地形特征的空间分布。有时所指的地形特征点仅指地面点的高程,就将这种数字地形描述称为数字高程模型(digita
  • 钱塘龙王钱塘龙王,中国钱塘江之水神。洞庭神君──柳毅妻子的叔父。洞庭龙王之弟。其性格爆烈、激烈,如同钱塘江之江水般澎湃,气势万千。
  • 刁云刁云,十六国西燕慕容永时尚书令。刁云初任武卫将军。386年,西燕自长安西迁,途中屡有叛乱。段随杀害皇帝慕容冲。西燕仆射慕容恒、尚书慕容永杀掉段随,立宜都王慕容桓的儿子慕容�
  • 钱镠铁券钱镠铁券或称钱王铁券是中国现存四个丹书铁券实物中,年代最早的一个,现藏于中国国家博物馆,为一级文物。因平定董昌有功,唐昭宗于乾宁四年(897年)八月赐钱镠丹书铁券。其后一千年,
  • 马默·比莱姆·迪乌夫马默·比莱姆·迪乌夫(法语:Mame Biram Diouf,1987年12月16日-)是塞内加尔足球运动员,司职前锋,曾效力于曼联,并被外借到莫尔德及布莱克本流浪者。迪乌夫由于在挪威联赛的出色表现,于