Электрохимические способы получения бора

Электролитический метод получения элементарного бора, основанный на патенте Купера, был использован в США для получения бора, обогащенного изотопом B-10. Электролиз проводится в герметизированной ванне в атмосфере водорода при температуре 750-800˚. Плотность тока на ванне равна 85-125 А/дм2, напряжение 5-6 В. В качестве электролита служит смесь KBF4 (обогащенного по B-10) с KCl. Анодом является футерованный графитом тигель ванны, изготовленный из сплава никонель (Ni, Cr, Fe). Катод сделан из монель-металла. Выделяющийся на катоде бор периодически с него удаляется. Электролит служит около двух недель, причем в течении этого периода в него, по мере израсходования, добавляется KBF4 и KCl (5:1). За этот период проводится около 450 операции получения бора, после чего электролит полностью заменяется. Производительность описанной ванны составляет 32 кг бора в месяц, выход бора -- 70-85 % от теоретического. Снятые с катода наросты бора после измельчения (до 100 меш) подвергаются очистке, которая заключается в промывке и кипячении в холодной и горячей воде, а также обработке кипящей HCl. Полученный продукт сушится в инертной атмосфере при температуре 110˚. По данным авторов, электролитический бор содержит 94 % общего бора. Содержание примеси железа не превышает 0,3 %, кроме того есть небольшие примеси C, Ni, Cr, Si, Mg, K и Cu.

2KBF4(тв) + 6KCl → 8KF + 2B + 3Cl2(4)

 

Дальнейшее исследование этого процесса проведено Самсоновым, Оболончиком и Куличкиной в работах. Ими показано, что в системе KBF4-KCl образуется две эвтектики при содержании KBF4 97,8 % и 87,6 % с температурами плавления соответственно 508˚ и 471˚. Однако электролиз из ванн эвтектических составов, хотя и может производиться при более низких температурах, с чем в работах тем не менее не дает возможности получать бор с чистотой выше 93 %. Наиболее чистый бор с содержанием В выше 99 %, но с очень малым выходом получается при электролизе чистого KBF4.

В то время как сам KBF4 получают в основном двумя способами, первый это так называемый «сухой» метод:

(газ) + KF(тв безв) KBF4(тв)(5)

 

Синтез целевого продукта проводится в одну стадию, при высоких температуре и давлении. Твердофазный синтез тетрафторбората калия сопряжен со значительными технологическими трудностями:

жесткие требования к подготовке оборудования и реагентов к синтезу,

работа с высоко агрессивными, высоко токсичными реагентами при высоких температуре и давлении,

большое время реакции,

образование трудно идентифицируемых побочных продуктов,

низкий выход целевого продукта KBF4,

трудность очистки тетрафторбората.

Второй метод можно назвать «мокрый»:

(газ) + HF HBF4 + 3H2O(6)

HBF4 + KOH KBF4 + H2O(7)

 

Синтез проходит в воде в две стадии. Кислота (HBF4), получается на первой стадии, на второй стадии нейтрализуется щелочью, образуя тетрафторборат калия. Следует отметить, что побочным продуктом реакции является вода.