Процесс FFC Cambridge представляет собой электрохимический метод получения титана (Ti) из оксида титана путем электролиза в расплавленных солях кальция. [1]
Процесс электрохимического производства титана путем восстановления оксида титана в растворе хлорида кальция был впервые описан в немецком патенте 1904 года [1] [2] [3] , а в 1954 году патент США 2845386A был выдан Карлу Маркусу Олсону за производство металлов, таких как титан, путем восстановления оксида металла расплавленным солевым восстановителем в аппарате с удельным весом. [4]
Процесс FFC Cambridge был разработан Джорджем Ченом , Дереком Фреем и Томасом Фартингом в Кембриджском университете в период с 1996 по 1997 год . (Название FFC происходит от первых букв фамилий изобретателей). [5] Интеллектуальная собственность, относящаяся к технологии, была приобретена компанией Metalysis (Шеффилд, Великобритания). [ необходима ссылка ]
Процесс обычно происходит при температуре от 900 до 1100 °C, с анодом (обычно углеродом) и катодом (восстанавливаемым оксидом) в растворе расплавленного CaCl 2 . В зависимости от природы оксида он будет существовать при определенном потенциале относительно анода, который зависит от количества CaO, присутствующего в CaCl 2 .
Механизм электрокальциотермического восстановления можно представить следующей последовательностью реакций, где «М» представляет собой восстанавливаемый металл (обычно титан).
Когда эта реакция происходит сама по себе, она называется « кальциотермическим восстановлением» (или, в более общем смысле, примером металлотермического восстановления). Например, если катод был в основном сделан из TiO, то кальциотермическое восстановление будет выглядеть как:
Хотя катодную реакцию можно записать так, как указано выше, на самом деле это постепенное удаление кислорода из оксида. Например, было показано, что TiO 2 не просто восстанавливается до Ti. Фактически, он восстанавливается через низшие оксиды (Ti 3 O 5 , Ti 2 O 3 , TiO и т. д.) до Ti.
Полученный оксид кальция затем подвергается электролизу:
и
Реакция (2b) описывает образование металлического Ca из ионов Ca 2+ в соли на катоде. Затем Ca будет продолжать восстанавливать катод.
Конечным результатом реакций (1) и (2) является просто восстановление оксида до металла и кислорода:
Использование расплавленного CaCl 2 важно, поскольку эта расплавленная соль может растворять и переносить ионы "O 2− " к аноду для разрядки. Анодная реакция зависит от материала анода. В зависимости от системы на углеродном аноде можно получить либо CO, либо CO 2 , либо смесь:
Однако, если используется инертный анод, например, анод высокой плотности SnO 2 , разряд ионов O 2− приводит к выделению газообразного кислорода. Однако использование инертного анода имеет недостатки. Во-первых, когда концентрация CaO низкая, выделение Cl 2 на аноде становится более благоприятным. Кроме того, по сравнению с углеродным анодом, требуется больше энергии для достижения той же восстановленной фазы на катоде. Инертные аноды страдают от проблем со стабильностью.