新型无排放熔盐电解固态硫化物冶金过程的基础研究

硫化物在我国矿产资源丰富，是许多有色金属冶炼的主要原料。传统金属硫化物冶金一般首先经过煅烧过程，产生大量的SO2酸雾气体，而且，其后续冶炼还可能大量排放CO2，因而，高污染性是现行硫化物冶金工业的一个显著特点。申请者在前期研究工作中发现固态硫化物可通过直接熔盐电解还原成相应的金属，而硫元素在阳极上氧化成单质硫，这一发现为实现硫化物的无排放冶金提供了一种新的可能途径。本项目中，申请者拟结合粉末微腔电极技术和压片电极电解进一步系统研究WS2，MoS2等金属硫化物在氯化钠、氯化钾熔盐中的还原机理，同时深入认识硫离子在石墨阳极、导电氧化物阳极上的电化学行为，探索零排放的惰性阳极技术。申请者希望通过对固态金属硫化物熔盐电解冶金过程的全面研究积累基础理论及实验认识，为发展一种无排放、低成本的硫化物冶金新技术奠定基础。

硫化物是许多过渡金属的重要矿藏资源，比如辉铜矿、方铅矿、铜镍矿、辉钼矿、辉钨矿、辉锑矿等等。另外，许多过渡金属硫化物可以很容易地有这些过渡金属的盐与硫离子反应进行制备。但是，传统金属硫化物冶金一般经过先煅烧再碳热还原等多重工序，造成SO2及CO2排放的双重污染。本项目首次论证可以在碱金属氯化物熔盐中以固态金属硫化物为阴极，以惰性石墨为阳极，将金属硫化物直接快速电分解为相应金属和高附加值的单质硫。其中，碱金属氯化物熔盐被证实有很强的硫离子传输能力，电解硫化钨、硫化钼均得到了纳米金属粉体材料。本课题研究从热力学计算与实验研究两个方面确定了固态金属硫化物、硫离子、碱金属离子以及氯离子在碱金属氯化物熔盐中的电化学活性次序；通过循环伏安与恒电位电解等对MoS2、WS2等固态阴极的电化学还原机理进行了深入研究，基本认识了固态金属硫化物电极过程特征；建立了固态金属硫化物电解过程中的离子扩散模型及相应的动力学方程并进行了实验验证，可为固态阴极的优化设计提供理论依据；确定石墨为硫离子氧化成单质硫的理想惰性阳极。这些研究成果为发展新型无排放硫化物冶金技术奠定了基础。