本發(fā)明是關(guān)于一種濕式冶金法，特別是關(guān)于一種制備金屬鎂的方法。

背景技術(shù)：

呈銀白色的金屬鎂為一種輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用時(shí)經(jīng)常與鋁、錳、鋅、稀土金屬等制成合金，基于其具備重量輕、比強(qiáng)度(specific strength)高，易回收的特性，鎂合金可被廣泛應(yīng)用于汽車零組件及攜帶式電子產(chǎn)品的外殼等方面。

現(xiàn)有技術(shù)制備金屬鎂的方法有熔鹽電解法及硅鐵熱還原法。熔鹽電解法是在約700℃的還原溫度下，將融熔的無(wú)水氯化鎂電解制得金屬鎂與氯氣。硅鐵熱還原法是在真空還原罐內(nèi)以白云石為原料，并以硅鐵為還原劑，以約1200℃的還原溫度，將白云石中的氧化鎂還原為鎂蒸汽，再通過(guò)冷凝器將鎂蒸汽冷凝而制得金屬鎂。

然而，熔鹽電解法每制備1千克的金屬鎂需要消耗約等效于20千瓦(kilowatt，kW)的能量，硅鐵熱還原法每制備1千克的金屬鎂需要消耗約等效于24千瓦的能量，且熔鹽電解法及硅鐵熱還原法硅需通過(guò)相當(dāng)高的還原溫度才能制得金屬鎂，故利用熔鹽電解法及硅鐵熱還原法生產(chǎn)金屬鎂需要消耗大量的能源及成本。

再者，以熔鹽電解法制得金屬鎂的同時(shí)還會(huì)伴隨大量氯氣的產(chǎn)生，而以硅鐵熱還原法生產(chǎn)金屬鎂則會(huì)大量排放屬于溫室氣體的二氧化碳，故現(xiàn)有技術(shù)以熔鹽電解法及硅鐵熱還原法生產(chǎn)金屬鎂都會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種制備金屬鎂的方法，其兼具有低能源與成本消耗及環(huán)境友善的優(yōu)點(diǎn)。

為了達(dá)到前述的發(fā)明目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)手段是令所述制備金屬鎂的方法包含以下步驟：

提供離子膜電解系統(tǒng)，該離子膜電解系統(tǒng)包含有原料室、陽(yáng)極室、陰極室、陽(yáng)離子交換膜、陰離子交換膜、鐵制陽(yáng)極及陰極，該陰離子交換膜位于該原料室與該陽(yáng)極室之間，該陽(yáng)離子交換膜位于該原料室與該陰極室之間，該鐵制陽(yáng)極與該陰極分別設(shè) 在該陽(yáng)極室及該陰極室中；

將無(wú)水有機(jī)電解液、六水氯化鎂水溶液及二氯化鐵水溶液分別注入該陰極室、該原料室及該陽(yáng)極室中；以及

施加電解電壓于該鐵制陽(yáng)極與該陰極之間，獲得金屬鎂及濃縮的二氯化鐵水溶液。

在所述制備金屬鎂的方法中，該濃縮的二氯化鐵水溶液中所含有的二氯化鐵的量多于該二氯化鐵水溶液所含有的二氯化鐵的量。

在所述制備金屬鎂的方法中，所述鐵制陽(yáng)極是指一種至少含有99.95重量百分比(wt％)的鐵的鐵制陽(yáng)極。優(yōu)選的，所述鐵制陽(yáng)極的鐵含量至少為99.98wt％。

在所述制備金屬鎂的方法中，優(yōu)選的，所述鐵制陽(yáng)極含有碳及鐵，以所述鐵制陽(yáng)極的總重量為基準(zhǔn)，所述鐵制陽(yáng)極的碳含量介于0.02wt％至0.05wt％之間。

在所述制備金屬鎂的方法中，優(yōu)選的，該離子膜電解系統(tǒng)的陰極由不銹鋼(stainless steel)、玻璃碳(glassy carbon)或碳?xì)饽z(carbon aerogel)制成。

在所述制備金屬鎂的方法中，優(yōu)選的，該無(wú)水有機(jī)電解液包含有溶劑、有機(jī)鎂電解質(zhì)及支持電解質(zhì)，該溶劑包含選自于由乙醚(ethyl ether)、四氫呋喃(tetrahydrofuran)、2-甲基四氫呋喃(2-methyl tetrahydrofuran)及環(huán)戊甲基醚(cyclopentyl methyl ether)所構(gòu)成的群組中的醚類化合物，該有機(jī)鎂電解質(zhì)包含選自于由甲基氯化鎂(methyl magnesium chloride)、乙基氯化鎂(ethyl magnesium chloride)、苯基氯化鎂(phenyl magnesium chloride)、溴化烷氧基鎂(alkoxy magnesium bromide)及氯化烷氧基鎂(alkoxy magnesium chloride)所構(gòu)成的群組中的鎂有機(jī)化合物，該支持電解質(zhì)包含氯化鋁(aluminum chloride)或高氯酸鋰(lithium perchlorate)。

更優(yōu)選的，以該無(wú)水有機(jī)電解液的總量為基準(zhǔn)，該有機(jī)鎂電解質(zhì)為0.8mol/L至2.0mol/L，且該支持電解質(zhì)為0.10mol/L至0.20mol/L。再優(yōu)選的，以該無(wú)水有機(jī)電解液的總量為基準(zhǔn)，該有機(jī)鎂電解質(zhì)為1.0mol/L至1.5mol/L，且該支持電解質(zhì)為0.12mol/L至0.15mol/L。

在所述制備金屬鎂的方法中，優(yōu)選的，以該二氯化鐵水溶液的總量為基準(zhǔn)，該二氯化鐵水溶液中所含有的二氯化鐵為0.3mol/L至0.5mol/L。更優(yōu)選的，以該二氯化鐵水溶液的總量為基準(zhǔn)，該二氯化鐵水溶液中所含有的二氯化鐵為0.4mol/L至0.5mol/L。

在所述制備金屬鎂的方法中，優(yōu)選的，以該六水氯化鎂水溶液的總量為基準(zhǔn)，該六水氯化鎂水溶液中所含有的六水氯化鎂為0.3mol/L至0.5mol/L。

在所述制備金屬鎂的方法中，優(yōu)選的，該陽(yáng)離子交換膜可為全氟磺酸(perfluorosulfonic acid)陽(yáng)離子交換膜，但并非僅限于此。

在所述制備金屬鎂的方法中，優(yōu)選的，該陽(yáng)離子交換膜上至少一面涂覆有鎂離子可傳導(dǎo)的固體聚合物電解質(zhì)。

在所述制備金屬鎂的方法中，優(yōu)選的，該陰離子交換膜為均相陰離子交換膜。

在所述制備金屬鎂的方法中，優(yōu)選的，前述施加該電解電壓于該鐵制陽(yáng)極與陰極之間，獲得該金屬鎂及該濃縮的二氯化鐵水溶液的步驟包含有：

在常壓、20℃至25℃的工作溫度下，施加10毫安/平方厘米至25毫安/平方厘米、2伏特至5伏特的電解電壓于該純鐵制陽(yáng)極與陰極之間，獲得該金屬鎂及該濃縮的二氯化鐵水溶液。

在所述制備金屬鎂的方法中，所述常壓為1大氣壓(atm)。

基于上述發(fā)明內(nèi)容，所述制備金屬鎂的方法僅需使用5.2千瓦以下的能量即能獲得1千克的金屬鎂，因而達(dá)到節(jié)省金屬鎂的生產(chǎn)能源及成本的優(yōu)點(diǎn)。且所述制備金屬鎂的方法在制得金屬鎂的同時(shí)是產(chǎn)出該濃縮的二氯化鐵水溶液，而非產(chǎn)出大量的氯氣或二氧化碳等不利環(huán)境的氣體，除了降低對(duì)環(huán)境的危害以外，該濃縮的二氯化鐵水溶液中的二氯化鐵還能進(jìn)一步被制為三氯化鐵以供污水處理的絮凝劑之用。因此，所述制備金屬鎂的方法兼具低能源與成本消耗及環(huán)境友善的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明制備金屬鎂的方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明制備金屬鎂的方法所使用的離子膜電解系統(tǒng)的示意圖。

符號(hào)說(shuō)明：

S1、S2、S3 步驟

10 離子膜電解系統(tǒng)

11 腔體

111 原料室

112 陽(yáng)極室

113 陰極室

12 陽(yáng)離子交換膜

13 陰離子交換膜

14 鐵制陽(yáng)極

15 陰極

具體實(shí)施方式

以下，將通過(guò)下列具體實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，所屬技術(shù)領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可經(jīng)由本說(shuō)明書的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明所能達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)與功效，并且在不背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾與變更，以實(shí)行或應(yīng)用本發(fā)明的內(nèi)容。

實(shí)施例

如圖1所示，本實(shí)施例的制備金屬鎂的方法是由如下所述的步驟完成。

首先，請(qǐng)參考圖2，如步驟S1所述，提供離子膜電解系統(tǒng)10。該離子膜電解系統(tǒng)10包含有腔體11、陽(yáng)離子交換膜12、陰離子交換膜13、鐵制陽(yáng)極14及陰極15，該陽(yáng)離子交換膜12為杜邦化學(xué)公司(DuPont Chemicals company)的全氟磺酸陽(yáng)離子交換膜12，且該陽(yáng)離子交換膜12上至少一面涂覆有鎂離子可傳導(dǎo)的固體聚合物電解質(zhì)。該陽(yáng)離子交換膜12及陰離子交換膜13將該腔體11的內(nèi)部分隔為原料室111、陽(yáng)極室112及陰極室113，該陰離子交換膜13位于原料室111與該陽(yáng)極室112之間，該陽(yáng)離子交換膜位12于原料室111與該陰極室113之間，且該陰離子交換膜13為杜邦化學(xué)公司(DuPont Chemicals company)的均相陰離子交換膜，該鐵制陽(yáng)極14與陰極15分別設(shè)在該陽(yáng)極室112及陰極室113中。其中，該鐵制陽(yáng)極14包含有鐵及碳，以該鐵制陽(yáng)極14的總重量為基準(zhǔn)，該鐵制陽(yáng)極14的碳含量為0.02wt％，且該陰極15由不銹鋼制成。

接著，如步驟S2所述，將無(wú)水有機(jī)電解液注入該陰極室113中，將六水氯化鎂水溶液注入該原料室111中，并將該二氯化鐵水溶液注入該陽(yáng)極室112中。該無(wú)水有機(jī)電解液是由溶劑、有機(jī)鎂電解質(zhì)和支持電解質(zhì)構(gòu)成，該溶劑為四氫呋喃，該有機(jī)鎂電解質(zhì)為乙基氯化鎂，該支持電解質(zhì)為氯化鋁，且該乙基氯化鎂的用量為1.5mol，該氯化鋁的用量為0.15mol，且該四氫呋喃的用量為1.0升(liter，L)。該二氯化鐵水溶液包含有二氯化鐵及水，且該二氯化鐵水溶液中的二氯化鐵的體積摩爾濃度為0.4mol/L。該六水氯化鎂水溶液包含有六水氯化鎂及水，該六水氯化鎂水溶液中的六水氯化鎂的體積摩爾濃度為0.5mol/L。

然后，如步驟S3所述，在常壓及25℃的工作溫度下，調(diào)節(jié)直流電供應(yīng)器的電解電壓，達(dá)到10毫安/平方厘米(mA/cm²)的電流密度，在該鐵制陽(yáng)極14與陰極15之間1小時(shí)，在該陰極室113內(nèi)獲得含有金屬鎂的無(wú)水有機(jī)電解液以及在該陽(yáng)極室112中獲得濃縮的二氯化鐵水溶液；之后，分離該含金屬鎂的無(wú)水有機(jī)電解液，得到金屬鎂與經(jīng)分離的無(wú)水有機(jī)電解液；其中，在1平方米膜面積的條件下，金屬鎂的產(chǎn)量為38.54克，且該濃縮的二氯化鐵水溶液中的二氯化鐵與該二氯化鐵水溶液中的二氯化鐵的含量差為200.06克，即，本實(shí)施例的制備金屬鎂的方法可產(chǎn)出200.06克的二氯化鐵。

當(dāng)電解電壓施加于該鐵制陽(yáng)極14與陰極15之間時(shí)，鐵制陽(yáng)極14被氧化而在陽(yáng)極室內(nèi)的二氯化鐵水溶液中產(chǎn)生鐵離子(Fe²⁺)，且六水氯化鎂水溶液的氯離子(Cl^-)經(jīng)由陰離子交換膜13遷移至陽(yáng)極室112內(nèi)的二氯化鐵水溶液中；同時(shí)，原料室111內(nèi)的六水氯化鎂水溶液的鎂離子(Mg²⁺)經(jīng)由陽(yáng)離子交換膜12遷移至陰極室113內(nèi)，并在無(wú)水有機(jī)電解液中通過(guò)陰極15獲取2個(gè)電子被還原成鎂金屬，所述2個(gè)電子為鐵制陽(yáng)極14被氧化成鐵離子(Fe²⁺)時(shí)釋放的2個(gè)電子。陰極15與鐵制陽(yáng)極14的反應(yīng)式如下：

陰極：Mg^2﹢+2e^﹣→Mg_(s)

鐵制陽(yáng)極：Fe_(s)-2e^﹣→Fe^2﹢_(aq)

Fe^2﹢_(aq)+2Cl^﹣_(aq)→FeCl_2(aq)

所述制備金屬鎂的方法所制得的金屬鎂的實(shí)際量為38.54克，且所述制備金屬鎂的方法所產(chǎn)出的二氯化鐵為200.06克。而經(jīng)理論計(jì)算，上述方法在2伏特的電解電壓、10毫安/平方厘米的電流密度及1小時(shí)的工作時(shí)間及1平方米膜面積的條件下，所制得的金屬鎂的理論質(zhì)量為45.35克，產(chǎn)出的二氯化鐵為236克。由此可推知，所述制備金屬鎂的方法的電流效率為85％。

再者，由所述制備金屬鎂的方法所制得的金屬鎂的實(shí)際量為38.54克及電解電壓為2伏特計(jì)算，可得知所述制備金屬鎂的方法每產(chǎn)出1千克的鎂金屬的耗電量為5.19千瓦(kW)，同時(shí)產(chǎn)出5.2千克的二氯化鐵。

據(jù)此，所述制備金屬鎂的方法每制得1千克的金屬鎂時(shí)，所述制備金屬鎂的方法還可令該濃縮的二氯化鐵水溶液含有多于該二氯化鐵水溶液5.2千克的二氯化鐵含量。

由上述可知，通過(guò)該含有鐵制陽(yáng)極14的離子膜電解系統(tǒng)10的使用，配合該無(wú)水有機(jī)電解液、六水氯化鎂水溶液及二氯化鐵水溶液的使用，在施加電解電壓于該鐵制陽(yáng)極14與陰極15之間后，前述實(shí)施例制備金屬鎂的方法僅需使用5.19千瓦的能量即能獲得1千克的金屬鎂及該濃縮的二氯化鐵水溶液，因此能節(jié)省能源及成本。且所述制備金屬鎂的方法在產(chǎn)出金屬鎂的同時(shí)還產(chǎn)生該濃縮的二氯化鐵水溶液，并非大量產(chǎn)生如氯氣或二氧化碳等不利環(huán)境的氣體，除了能降低對(duì)環(huán)境的危害外，該濃縮的二氯化鐵水溶液中的二氯化鐵還能進(jìn)一步加工制為三氯化鐵，可作為污水處理的絮凝劑使用。

此外，所述制備金屬鎂的方法可適用于常壓的工作壓力、20℃至25℃的工作溫度、10毫安/平方厘米至25毫安/平方厘米的電流密度及2伏特至5伏特的電解電壓，無(wú)需另外調(diào)控工作壓力及工作溫度，因此，所述制備金屬鎂的方法具有節(jié)省能源的優(yōu)點(diǎn)。