《熔融盐研究进展》由会员分享，可在线阅读，更多相关《熔融盐研究进展（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 5 期 化工进 展 熔融盐 研 究 进 展 吴耀明 苏明忠杜森林 专 (中国科学院 长春应用化学研究所 , 长 春 , 1 30 022 ) 提要本文简要的描述了至今已确立的几个熔盐体系 。 在研究这些熔盐性质时发现 了许多特 点 , 正在把这些具有离子特性 的溶液的利用扩大到新 的领域 。 关健词熔盐 , 水合熔体 , 常温熔盐 , 低温电解 质 1 前言 1 807 年英国科学家戴维首先利用熔盐电 解出金属钠 , 1 8 3 3 年法拉第开展熔盐基本性质 的研究 , 第一次世界大 战前后主要研究提取金 属铝 、 镁等轻金属 , 第二次世界大战后开展军 事上所需高熔点金属的提取研究 ,
2、特别是开展 制备核燃料和熔盐结构 、 热力学性质 、 输运性 质以及光学性质的研究 。 近几十年来熔盐的研 究和应用发展很快 , 由高温熔盐进展到常温熔 盐 , 甚至 到低温电解质 , 由无机化合物熔盐发 展到有机和无机混合盐 , 由无水熔盐扩展 到含 水熔盐 ; 利用熔盐也在不断的扩展 , 由制备金 属 和合金发展到合成先进的无机材料 、 表面涂 层 、 二类熔盐电池 、 然料电池等 , 渗透到许多 学科领域 , 熔盐正在广阔的范围得到应用和发 展 。 本文主要介绍有关几种熔盐目前发展状况 。 2 无机化合物熔盐 一般人们称熔融的无机化合物为熔融盐或 简称为熔盐 。 人们对熔盐或许不像对水溶
3、液那 样清楚 , 其实像 自然界火山喷发的炽热的岩浆 就是熔盐 , 只不过它是 自然界的天然化合物的 熔体 。 同水溶液一样 , 熔盐也是一种溶剂 , 是 一种不含水的高温熔剂 , 其主要特点是熔化时 解离为离子 , 正负离子靠库仑力互相作用 , 所 以可用作高温下的反应介子 l j 。 熔盐具有很高 的热熔和热传导值以及高的热稳定性和质量传 递速度 , 在电化学 上具有宽 的电位稳定 “ 窗 口 ” , 比水溶液的 “能量窗 口 ” 要宽 (水1 . ZV ; C s CI 一Mg CI : 2 . 6V , 700) 。 熔盐可分为以下几类圈 。 (1) 简单离子型盐 (KC I 、 N
4、a CI 、 N a F) (2) 简 单氧离子型盐 (KNO 3、 N aZC O3 、 K ZSO4 ) (3) 聚合氧离子型盐 (Li ZPZO, 、 N a4PZO: 、 N aZSIO3) (4)聚合性盐(Zn , CI ,、 B e , CI 二) (5 ) 含有机阳离子或阴离子盐 在实际应用时 , 很少利用单一盐 , 经常使 用的是复合盐 。 这种复合盐不受组分和比例限 制 , 可以是不 同的阴离子 (N a F 一Na C I) , 也可以 用相同阴离子盐(N a C I 一K C I) , 在研究熔质的物 化性质时 , 共晶的熔盐是优先被选用的 , 几种 典型的共 同阴离子熔
5、盐体系列于表 1 。 图 1 表示出熔盐作为一种特殊的溶剂所涉 及的各学科领域以及与现代工艺的联系 。 下面 列举一些文献报道的实例 。 (1 ) 熔盐电解制备非金属和金属 , 采用熔 盐电解氟气闭 、 轻金属 , 特别开展从月球矿石熔 盐电解提取铝以及太阳能级别的硅的研究 , 高 熔点金属错 、 钮 、 铅 、 钦川以及稀土金属和合金 令 通 讯联 系人 。 19 9 5 年 9 月 ;。 金学 】 金属C u 、 Fe 冶炼 ! 熔遭 离子液体构造和性能 玻璃工业 电化学 I 熔盐电解制备金属和合金 , 有机化 合物 、无机化合物 合成 . 电化镀层 高,科学 高沮技术 高沮材料腐蚀腐蚀科
6、学 电池 、 储能 、 热传递 液体金属技术N翻 、 P d 、Bi、 Sn 化学工。学 核嫩料处理 1 原子能科学 熔体工程学 图 1 熔盐涉及的学科领域及与现代工艺的联 系 等 5 , 6。 表 1 常用的典型熔盐体系 体系组成 , m ol% 熔点 , K LICI 一K CI共晶 K CI 一NaC I等摩尔 MgC I 一K CI LiZS ()。 一KZS ()4 共晶 L I NO 3一K NO3 共晶 A IC13 一Na CI共晶 N a0 H一KO H 共晶 N aS C N 一K S C N 共 晶 CH 3CO OLi一CH3COONa- CH sCO O K LIF
7、一Na F 一KF 共晶 N a ZP0a一KZPO3 等摩尔 59 : 41 50 : 50 6 2 5 9 3 1 68 3 8 亡J 工了 8 1生 0 O C 乙亡n J C U 6月峥4 44 行 了 0 即了叮 O ,d几 69一勺,14,口 . . . . 亡JO烤月n舀 1 nJ .8 48 10 . : 30 : 50 435 : 1 1 . 5 侣 42 50 : 50 7 3 2 81 0 及UO亡 n 乙n 乙 . 一 b .上 (2) 高级无机材料C aB 、 H fB : 、 T IB : 、 W B 、 M oB 、 C r si 、 NB 等的合成 , ,8,
8、电子发射材料 L aB6 的合成 , 铁淦体材料 SrT IO 3、 Bi4TIO I: 的 合成 , 红外窗口材料 CaL a 多 4 图的合成 。 (3) 燃料 电池 , o、 (4) 二类熔盐电池川 。 (5) 表面镀层 2 。 性 , 限制了对熔盐的深入研究和在工业上的应 用 。 人们在寻找具有较低熔化温度的熔盐时 , 研 究发现具有大体积的有机阳离子的氯化物取代 碱金属氯化物 , 可以得到熔点很低的混合物 , 甚 至可以得到 室温液态离子溶剂 。 最广泛地研究 了 1 一J 基毗吮氯化物和 l 一 甲基 一3一 乙基 咪哇氯 化物 , 这些有机盐常温下为固体 , 但同A IC 1 3
9、 混 合后变为液体 , 其熔点随AIC I 。 含 量在4 0% 6 7% (摩尔比)之间 的变化在一 50一30 之间 。 上述常温熔盐无色 , 粘度低 , 光学透明 , 可透红外和可见光 , 因此可以利用Py re x玻璃 作为容器进行物理化学研究 。 有许多报导电化 学 、 红外光谱和核磁共振谱的研究结果仁 3一 5。 常温熔盐有着 广 阔的应用前景 , 在二 类 电池 、 金 属的提取和精炼 、 有机和 无机化合物合成等方 面都已经开始应用 。 其中尤以电沉积铝引人注 目 , 主要是两种体系 , A IC 1 3一BP C 体系和 A IC 1 3- EMI C 体系 。 在上述熔盐中
10、 , 在酸性组成范 围 、 确保在熔盐存在 A 1 2C I 于离子进行 电镀铝层 , 其 镀层光亮 、 平滑 、 铝纯度高 (9 9 . 9%) 、 性能好 , 应用广泛 16 ,1 72 。 3 常温熔盐 由于高温熔盐 具有强烈的腐蚀性和挥发 4 水合熔盐 人们称熔盐 为不含水的无机化合物熔体 , 第 5 期进 展 现在看来要对这一定义进行修正了 。 前面讲的 常温熔盐是因为引入了有机盐而使熔盐的熔点 有了很大降低 。 我们在此介绍的是含水的熔盐 , 即所谓的水合熔盐 。 有人冒着可能遭到传统熔 盐论的非议的风险 , 不顾熔盐 中不能有水存在 的禁律 , 有意 不完全脱掉熔盐中水份 , 甚
11、至有 意地加水到熔盐 中 , 形成了一组特殊熔体 。 他 们为此不仅没有遭到责难 , 反而得到了荣誉 , 这 样就形成了一组从水溶液过渡到含盐的含水的 离子熔盐体系 , 其含水分子比(R 一塑)在。和 m 盐 6一8 之间 。 水合熔盐是熔点低的 (常温) 离子 化液体 , 例如 I JIN ()。 3H ZO 为 29 . 9 、 e a e l Z 一 6H ZO 为 2 9 . SO C 、 Ca(N O 3 ) : 4H zO 为 42 .7 。 水合 熔 盐 包 括 水在熔盐 中的稀 溶 液 l s 、 具有不完全水化壳的水合熔盐和有完全 水化外壳的水合熔盐 。 然而水化外壳不 能精
12、确 地确定 , 它随不同盐而改变 , 以此同通常的盐 在水中的浓溶液相区别 。 这组熔盐具有高的离 子特性存在范围 , 离子特性范围一般随温度升 高而扩大 , 但由于水蒸发的原因 , 温度不能太 高 。 在某些情况下这类熔体具有过冷效应 ; 这 有利于进行较宽浓度范围的研究 。 这类熔盐同 水溶液相比它 是离子结构 , 同纯熔盐相比它又 含有水 , 然而又不是 像通常 水的特性 。 例如 C a (N() 3 ) , 4 H ZO 液态时解离为 C a (H ZO ) 4 + 和NO牙离子 , 水分子强烈地同C a 离子配位 。 可以采用准晶格概念和经典的配位化学理论来 解释这些熔盐中的络合物
13、 。 许多物化方法还被 用来研究水合熔盐的蒸汽压 、 密度 、 电导 、 粘 度以及红外和核磁性质 1 , 气 水合熔盐不仅提供给我 们许多新的知识 , 而且也提出了许多工艺应用前景 。 这些盐熔化 潜热大 , 可以用来储能 ; 由于熔点低 、 比热容 大 , 可作为热传递介子 ; 同时其高的离子特点 可用 到电化学 电池 ; 另外对回收 和精制金属 、 了 解地质流体特性以及矿物处理 、 海水处理都有 着重要意义 。 5 低温熔盐 ,。 低温熔盐是一组比常温要低的液化气体 , 可称为冷液体 , 它是无机电解质 , 不含水 , 而 且很稳定 。 在当代冶金工艺 中可以用这种液体 沉积在水溶液
14、中不能沉积的高熔点金属 。 由于 工作温度很低 , 沉积的底材没有热损伤 ; 电化 学的电极过程由高温熔盐质量传递优先而变为 电荷传递优先 , 因此镀层平滑 、 光洁均匀 , 沉 积物结构为微晶甚至非晶态 。 低温沉积过程需 要能量很少 , 扩散距离很短 , 而扩散时间很长 , 这些工艺条件都是为纳米级材料制备所必需 的 。 电解质是冷凝的无机化合物气体 , 因此得 到的低温电解质除掉了杂质 。 利用低温电解质 优于熔盐 , 还表现在它不像熔盐那样能溶解多 数耐火材料做的柑祸 , 所以制备高纯材料时 , 低 温电解质将是最佳的选择 。 熔盐的领域在不断扩展 , 并渗透到现代科 学的各个领域 ,
15、 像水一样 , 它是另外一个天地 。 科学家 们正在深入研究这类熔体的结构和性 质 , 增加知识 , 开拓新的应用 。 1 0 l1 参考文献 段淑贞 , 乔芝郁主编 . 熔盐化学一原理和应用 . 北 京 : 冶 金工业出版社 , 1 99 0 . 2 5 Haff BW , K e r ridge DH . C hemistryin B r itain , 1 9 7 9 , 1 5 (2) : 7 8 C hem alaM江k vil lier s D , G ro ult H . Latelm e F . EC A eta , 1 9 9 3 , 38(1 6) : 2 4 13 P H
16、 ”H AJ - l , Ka ay HH . A从f lp“KX“,19 83 , B7 : 1 6 7 2 杜森林 , 苏明忠 . 金属学报 , 1 9 9 1 , 2 7B( 3) : 1 71 苏明忠 , 杜森林 . 中国稀土学报 , 1 99 2 , 10 ( 2 ) : 1 7 3 Hiyon a o . Kojim a . M olten S a lt s, 1 9 8 9 , 3 2(l) :4 4 W endt H , R e vh l K , S c hw arz V . ECA eta , 1 99 2 , 3 7(2) : 23 7 Mor g an P ED , K o utsoutie M5 . MatR e s Bul , 1 98 7 , 2 2 , 617 杜森林 , 卢洪德 , 路连清 . 化工进展 , 1 99 4(1):2 9 SwinkelsDA . A d v ane ed inm oltensalt
