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Proceso de Cambridge FFC

El proceso FFC Cambridge es un método electroquímico para producir titanio (Ti) a partir de óxido de titanio mediante electrólisis en sales de calcio fundidas. [ 1 ] Historia Un...

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El proceso FFC Cambridge es un método electroquímico para producir titanio (Ti) a partir de óxido de titanio mediante electrólisis en sales de calcio fundidas. [ 1 ]

Historia

Un proceso para la producción electroquímica de titanio a través de la reducción de óxido de titanio en una solución de cloruro de calcio fue descrito por primera vez en una patente alemana de 1904, [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] y en 1954 se le otorgó la patente estadounidense 2845386A a Carl Marcus Olson para la producción de metales como el titanio mediante la reducción del óxido metálico con un agente reductor de sal fundida en un aparato de gravedad específica. [ 4 ]

El proceso FFC Cambridge fue desarrollado por George Chen , Derek Fray y Thomas Farthing entre 1996 y 1997 en la Universidad de Cambridge . (El nombre FFC deriva de las iniciales de los apellidos de los inventores). [ 5 ] La propiedad intelectual relacionada con la tecnología ha sido adquirida por Metalysis (Sheffield, Reino Unido).

Proceso

El proceso suele tener lugar entre 900 y 1100  °C, con un ánodo (generalmente de carbono) y un cátodo (el óxido que se reduce) en una solución de CaCl₂ fundido . Dependiendo de la naturaleza del óxido, este existirá a un potencial particular con respecto al ánodo, que a su vez depende de la cantidad de CaO presente en el CaCl₂ .

Mecanismo de reacción del cátodo

El mecanismo de reducción electrocalciotérmica puede representarse mediante la siguiente secuencia de reacciones, donde "M" representa un metal que se va a reducir (normalmente titanio).

(1) MOx +xCa → M +xCaO

Cuando esta reacción se produce de forma aislada, se denomina " reducción calciotérmica " (o, más generalmente, un ejemplo de reducción metalotérmica). Por ejemplo, si el cátodo estuviera compuesto principalmente de TiO₂, la reducción calciotérmica se representaría de la siguiente manera:

TiO + Ca → Ti + CaO

Si bien la reacción del cátodo se puede escribir como se indicó anteriormente, en realidad se trata de una eliminación gradual de oxígeno del óxido. Por ejemplo, se ha demostrado que el TiO₂ no se reduce simplemente a Ti. De hecho, se reduce a través de los óxidos inferiores (Ti₃O₅ , Ti₂O₃ , TiO , etc. ) hasta llegar a Ti.

El óxido de calcio producido se somete luego a electrólisis:

(2a) x CaO → x Ca 2+ + x O 2−
(2b) x Ca 2+ + 2 x e − → x Ca

y

(2c) x O 2− → x /2 O 2 + 2 x e −

La reacción (2b) describe la producción de metal Ca a partir de iones Ca 2+ dentro de la sal, en el cátodo. El Ca procedería entonces a reducir el cátodo.

El resultado neto de las reacciones (1) y (2) es simplemente la reducción del óxido a metal más oxígeno:

(3) MOx → M +x/2 O2

Mecanismo de reacción del ánodo

El uso de CaCl₂ fundido es importante porque esta sal fundida puede disolver y transportar los iones "O₂⁻ " al ánodo para su descarga. La reacción anódica depende del material del ánodo. Según el sistema, es posible producir CO, CO₂ o una mezcla en el ánodo de carbono.

C + 2O 2− → CO 2 +4 e −
C + O 2− → CO + 2 e −

Sin embargo, si se utiliza un ánodo inerte, como el de SnO₂ de alta densidad , la descarga de los iones O²⁻ produce la liberación de oxígeno gaseoso. No obstante, el uso de un ánodo inerte presenta desventajas. En primer lugar, cuando la concentración de CaO es baja, la liberación de Cl₂ en el ánodo se vuelve más favorable. Además, en comparación con un ánodo de carbono, se requiere más energía para alcanzar la misma fase reducida en el cátodo. Los ánodos inertes también presentan problemas de estabilidad.

2O 2− → O 2 + 4 e −

Referencias

  1. 1 2 Takeda, O.; Ouchi, T.; Okabe, TH (2020). "Avances recientes en la extracción y reciclaje de titanio" . Metall. Mater. Trans. B. 51 ( 4): 1315– 1328. Bibcode : 2020MMTB...51.1315T . doi : 10.1007/s11663-020-01898-6 .
  2. ↑ DE150557C , "Publicación de DE150557C" 
  3. ↑ Rideal, Eric Keightley (1919). Electrometalurgia industrial, incluyendo procesos electrolíticos y electrotérmicos . D. Van Nostrand co. pág. 137. 
  4. ↑ US2845386A , Marcus, Olson Carl, "Producción de metales", emitido el 29 de julio de 1958 
  5. ↑ Fray, DJ; Chen, GZ; Farthing, TW (2000). "Reducción electroquímica directa de dióxido de titanio a titanio en cloruro de calcio fundido". Nature . 407 (6802): 361– 4. Bibcode : 2000Natur.407..361C . doi : 10.1038/35030069 . PMID 11014188 . S2CID 205008890 .  

Lecturas adicionales

  • R. Bhagat; M. Jackson; D. Inman; R. Dashwood (2008). "Producción de aleaciones de Ti-Mo a partir de precursores de óxidos mixtos mediante el proceso FFC Cambridge". J. Electrochem. Soc. 155 (6): E63–69. Bibcode : 2008JElS..155E..63B . doi : 10.1149/1.2904454 .
  • R. Bhagat; M. Jackson; D. Inman; R. Dashwood (2009). "Producción de aleaciones de Ti-W a partir de precursores de óxidos mixtos mediante el proceso FFC Cambridge" . J. Electrochem. Soc. 156 (1): E1–7. Bibcode : 2009JElS..156E...1B . doi : 10.1149/1.2999340 .
  • Ryosuke O. Suzuki (febrero-abril de 2005). "Reducción calciotérmica de TiO 2 y electrólisis in situ de CaO en CaCl 2 fundido ". Journal of Physics and Chemistry of Solids . 66 ( 2– 4): 461– 465. Bibcode : 2005JPCS...66..461S . doi : 10.1016/j.jpcs.2004.06.041 .
  • Il Park; Takashi Abiko; Toru H. Okabe (febrero-abril de 2005). "Producción de polvo de titanio directamente a partir de TiO₂ en CaCl₂ mediante una reacción mediada electrónicamente (EMR)". Journal of Physics and Chemistry of Solids . 66 ( 2–4 ): 410–413 . Bibcode : 2005JPCS...66..410P . doi : 10.1016/j.jpcs.2004.06.052 .
  • X. Ge; X. Wang; S. Seetharaman (2009). "Extracción de cobre del mineral de cobre mediante electroreducción en CaCl 2 –NaCl fundido". Electrochimica Acta . 54 (18): 4397– 4402. doi : 10.1016/j.electacta.2009.03.015 .
  • Vídeo de YouTube: Proceso de metálisis FFC
  • Sitio web de Metalysis Ltd.