一种月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置及方法与流程

本发明涉及月球资源原位提取利用及熔融冶炼领域，具体涉及一种月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置及方法。

背景技术：

1、随着进入新世纪，深空探测迈入“利用星球”的全新阶段，国际月球科研站、阿尔忒弥斯、月球村等月球基地的任务规划或愿景目标，均把月面原位资源利用列为主要目标之一。由于地球和月球之间的运输成本极高，因此较为经济有效的方法是利用月球资源进行原位开发，以满足氧气和原材料的需求，从而实现自给自足。月球表面蕴藏着丰富的矿产资源，通过对月球的遥感探测以及采样返回分析，发现月壤包含的主要矿物有辉石、橄榄石、斜长石、钛铁矿和尖晶石等，其理化性质与地球上的火山灰和玄武岩类矿物类似，其中氧元素的含量高达44％。对月面的矿产资源进行原位冶炼与还原，可以得到氧气、金属、半导体、玻璃，以维持人类生命活动，并支撑月球科研站基地制造与建造。

2、在众多冶炼还原方法中，高温熔融直接电解法因其无需携带熔盐等辅料、阴极成份分离简单、无需考虑阴极压制成型工艺等优势而得到广泛研究。基于该方法，可从阳极提取氧气，然而受制于熔融氧化物电解难易程度，目前的工艺仅可从阴极还原出na、k、fe、si等元素，在炉内依旧有大量氧化物残留，如tio2、al2o3、cao等，这些氧化物通常以废渣的形式进行后续处理，造成了资源以及能源的损失。因此，需要一种月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置及方法，实现月面资源多级利用，节约能源消耗。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置及方法，一方面可实现月面月壤氧气以及合金的原位提取，另一方面利用熔渣进一步制备玻璃，为月球基地的建设提供建筑材料、也可用以生产月面太阳能电池板、光纤通信、光学设备等精密仪器。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置，包括容器；所述容器安装有加热机构；所述容器的底部固定安装有阴极，所述容器的顶部固定安装有阳极；所述阴极和阳极的一端均与所述容器内的电解液接触；所述阳极在所述容器的内部固定安装有集气罩；所述集气罩罩住所述阳极与电解液接触端；所述容器固定安装有收集管；所述收集管的一端延伸至集气罩的内部；所述容器的底部设置有排料口；所述容器在电解液的液面上端设置有进料口；所述排料口处设置有合金收集机构和玻璃成型模具机构。

4、在一些实施例中，所述玻璃成型模具机构包括底座、左模块和右模块；所述左模块和底座固定连接；所述右模块与所述底座滑动连接；所述左模块和右模块可拆式固定连接；所述左模块和右模块相靠近的一侧设置有半模腔；两个所述半模腔组成模腔。

5、在一些实施例中，所述排料口固定安装有排料管；所述排料管安装有阀门。

6、在一些实施例中，所述阴极和阳极与电解电源控制仪通过电线连接。

7、在一些实施例中，所述加热机构为电阻丝、加热板、电热管中的至少一种。

8、在一些实施例中，所述阳极的材质为纯度99％～99.9％的金属铱或铂；所述阴极的材质为金属钼；所述容器的材质为纯度99％～99.9％的氧化铝或碳化硅。

9、本申请还公开一种基于上述装置的月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的方法，包括以下步骤：

10、通过进料口向容器的内部加入月壤，加料完成后停止并密封进料口；

11、加热容器直至月壤完全融化，通过电源给正极和负极供电来进行电解；电解中，通过收集管收集在集气罩处由阳极处产生的氧气泡；

12、电解至阴极出硅元素还原率20％～40％时，关闭收集管并在排料口的下方放置合金收集机构，然后打开排料口排放下层液化的合金层至合金收集机构的容腔中，排放结束后，关闭排料口；

13、用玻璃成型模具机构替换合金收集机构置于排料口的下方，然后打开排料口排放下层液化的氧化物熔渣层至玻璃成型模具机构的模腔中；排放结束后，对玻璃成型模具机构进行冷却，冷却成型后，对玻璃进行脱模即可完成制备。

14、在一些实施例中，所述容器的加热温度为1600℃～1800℃。

15、在一些实施例中，所述月壤为粉末状，且粒径为60～100μm。

16、本发明的有益效果：

17、本申请在熔融电解过程中，理论上阴极处会依次还原出na、k、fe、si、ti、mg等元素，形成合金，但随着电解过程的进行，碱度的上升会造成腐蚀度的上升。如果将熔融物中的si全部还原，熔融温度会由1600℃提升至2200℃，这对坩埚、电极耐高温耐腐蚀性提出的极大的要求。因此，通过控制月壤熔融还原程度，例如si元素还原率30％时，氧气提取率也高达15％，可大幅提升坩埚、电极等材料的服役周期，剩余的sio2可作为玻璃制备的主体材料，进一步利用。

18、在电解过程中还原出的fe是玻璃制备的杂质，可随着合金收集排出，而未被提取保留在熔渣中的tio2，mgo，al2o3，cao等氧化物是玻璃制备中良好的添加剂。其中，mgo和tio2可提高玻璃的硬度和耐磨性，使其更适用于特殊环境；al2o3可提高玻璃的透明性，使其成为良好的光学材料；cao可提高玻璃的抗化学侵蚀性，使其更耐腐蚀，上述提升可使所制备的玻璃更好地适用于月面的极端环境。

19、地面条件下，玻璃制备过程中石英原料熔融温度高、黏度大，气泡难以排除。而在月壤熔融电解后，熔渣本身就处于熔融状态，可直接进行浇筑，不用二次熔融，节约能源消耗。月面接近真空的环境易于熔融物中气泡脱出，可保证制备玻璃的纯度。

技术特征：

1.一种月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置，其特征在于，包括容器(10)；所述容器(10)安装有加热机构；所述容器(10)的底部固定安装有阴极(9)，所述容器(10)的顶部固定安装有阳极(8)；所述阴极(9)和阳极(8)的一端均与所述容器(10)内的电解液接触；所述阳极(8)在所述容器(10)的内部固定安装有集气罩(14)；所述集气罩(14)罩住所述阳极(8)与电解液接触端；所述容器(10)固定安装有收集管(15)；所述收集管(15)的一端延伸至集气罩(14)的内部；所述容器(10)的底部设置有排料口；所述容器(10)在电解液的液面上端设置有进料口；所述排料口处设置有合金收集机构(5)和玻璃成型模具机构(6)。

2.根据权利要求1所述的月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置，其特征在于，所述玻璃成型模具机构(6)包括底座(20)、左模块(18)和右模块(19)；所述左模块(18)和底座(20)固定连接；所述右模块(19)与所述底座(20)滑动连接；所述左模块(18)和右模块(19)可拆式固定连接；所述左模块(18)和右模块(19)相靠近的一侧设置有半模腔；两个所述半模腔组成模腔(21)。

3.根据权利要求1所述的月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置，其特征在于，所述排料口固定安装有排料管；所述排料管安装有阀门(17)。

4.根据权利要求1所述的月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置，其特征在于，所述阴极(9)和阳极(8)与电解电源控制仪(7)通过电线连接。

5.根据权利要求1所述的月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置，其特征在于，所述加热机构为电阻丝、加热板、电热管中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置，其特征在于，所述阳极(8)的材质为纯度99％～99.9％的金属铱或铂；所述阴极(9)的材质为金属钼；所述容器(10)的材质为纯度99％～99.9％的氧化铝或碳化硅。

7.一种基于如权利要求1-6任意一项所述装置的月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的方法，其特征在于，所述容器(10)的加热温度为1600℃～1800℃。

9.根据权利要求7所述的月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的方法，其特征在于，所述月壤为粉末状，且粒径为60～100μm。

技术总结本发明公开了一种月面原位综合提取氧气、合金和玻璃的装置及方法，属于月球资源原位提取利用及熔融冶炼领域，包括容器；所述容器安装有加热机构；所述容器的底部固定安装有阴极，所述容器的顶部固定安装有阳极；所述阴极和阳极的一端均与所述容器内的电解液接触；所述阳极在所述容器的内部固定安装有集气罩；所述集气罩罩住所述阳极与电解液接触端；所述容器固定安装有收集管；所述收集管的一端延伸至集气罩的内部；与现有技术相比，本申请的一方面可实现月面月壤氧气以及合金的原位提取，另一方面利用熔渣进一步制备玻璃，为月球基地的建设提供建筑材料、也可用以生产月面太阳能电池板、光纤通信、光学设备等精密仪器。技术研发人员：尚文旭,敖显泽,张天柱,吴枫,赵媛,张子豪受保护的技术使用者：深空探测实验室（天都实验室）技术研发日：技术公布日：2024/5/12