本專利涉及一種一步法制備高純低金屬雜質五氯化鉭的方法和裝置，屬于稀有金屬粉體材料制備領域。
背景技術：
五氯化鉭，白色玻璃狀晶體或粉末。相對密度3.68(27℃)。熔點216℃。沸點242℃。溶于無水酒精、硫酸和氫氧化鉀。隨著現代科技的發展，五氯化鉭作為一種稀有金屬材料在材料化學領域正在扮演者很重要的角色。
采用五氯化鉭制取的超細納米鉭粉是制作微型化、高比容、高性能的電容器的重要原料。同時，以五氯化鉭為原料合成的鉭涂層可以大大增加鈦合金的耐腐蝕性和生物相容性，在鈦合金人工骨上具有重要的應用價值；五氯化鉭還可以制備超高溫復合涂層，它具有與基體材料結合度高，顯著提高炭炭復合材料的抗燒蝕性能，成為實現炭炭復合材料在新一代固體火箭發動機上使用的必要條件。此外，采用五氯化鉭制取的鉭酸鈉光催化劑具有很高的光催化活性，可以使有毒有害有機物在很短的時間內的光降解率達到90%以上，為解決有毒有害的有機廢水處理的環境問題創造了條件。
需要指出的是，由五氯化鉭制得的氣凝膠具有極高的比表面積和孔隙率，具有優異的絕熱性能、吸附特性和量子限域效應，在高效吸附材料、透明絕熱材料、粒子捕集材料等領域具有重要的應用前景，成為近幾年納米材料科學研究的熱點之一。
鑒于五氯化鉭作為新材料的原料，提高該材料的純度，降低金屬雜質元素的含量，合成更多更優異的新材料，對新材料行業的發展具有著重要的意義。
目前，五氯化鉭的制備方法也早有報道，胡華業等采用鉭的氧化物或碳化物制取鉭的氯化物，然而采用鉭的氧化物合成時容易形成CO等有毒有害氣體，且還會存在一定的碳還原劑殘留，采用碳化物或氧化物為原料生產時都必須進行最后的蒸餾工藝才可以得到產品，以降低產品中的金屬雜質或鉭的氧氯化物，該方法過程繁瑣，且對金屬雜質和鉭的氧氯化物含量降低程度有限，同時也提高了對工藝設備材質的要求。由于目前中國鉭業市場參差不齊，鉭原料中金屬雜質的含量往往超過用戶的期望標準，開發一種低金屬雜質的五氯化鉭生產工藝也是一條解決國內對高檔鉭材應用需求的重要途徑。
技術實現要素：
本發明針對現有的五氯化鉭生產工藝方法過程中產生有毒有害廢氣，工藝繁瑣，且金屬雜質和氧氯化物含量較高等問題開發出了一步法制備高純低金屬雜質五氯化鉭的方法和裝置。該方法是一條產量高、流程短、環境污染小、且使產品中金屬雜質和氧氯化物大大降低的優勢工藝。
本發明一種一步法制備高純低金屬雜質五氯化鉭的方法，主要包括以下步驟：
（1）原料的選取
本發明選用特種型材的鉭原料，該材料是鉭粉、鉭屑、鉭塊或鉭棒中的一種或幾種；選擇鉭源有助于強化下一步的鉭源預處理效果，對降低金屬雜質含量有重要意義；采用高純氫氣的純度控制99.9%~99.999%；高純氯氣的純度控制99.9%~99.999%以上。惰性氣體的純度控制在99.9%~99.999%。
（2）氯化體系的保護
將鉭源放入氯化爐內，為了保證氯化體系的氣密性、穩定性，并除去體系中的空氣，先將體系抽真空，真空度控制在0.01~0.1MPa，然后惰性氣體填充；
（3）鉭源的氫化處理
通入氫氣置換惰性氣體，置換時間為30~150min，溫度控制在200~500℃，對鉭源進行氫化處理；
（4）鉭源與氯氣的氯化反應
通入氯氣反應時間3~16小時，反應溫度為300~600℃。
（5）冷卻收集五氯化鉭。
采用風冷系統和水冷系統冷卻收集塔；在收集塔底部收集五氯化鉭。
（6）尾氣吸收
采用5~20%的氫氧化鈉溶液吸收多余的氯氣。
一種一步法制備高純低金屬雜質五氯化鉭的裝置，該裝置由立式氯化爐、收集塔、真空系統和尾氣吸收系統四部分組成。其中氯化爐的頂部設置為鉭源加料口，側底部設有氣源入口，底部是灰分出口；連接立式氯化爐和收集塔之間有一個緩沖電加熱帶，布設有足夠的電阻絲，保證緩沖帶溫度在300~600℃；收集塔由頂部1/3處的風冷系統和中部2/3處的水冷系統組成，收集塔底部設有成品出料口；此外，收集塔側部靠近頂端1/6處設置有真空系統，側部靠近底端1/6處設有尾氣吸收系統。
本發明相對現有技術優勢所帶來的有益技術效果：本發明是一種一步法制備高純低金屬雜質五氯化鉭的方法，該方法可以高效地生產出純度高，金屬雜質在3ppm以下（除鈮為10ppm以下）的五氯化鉭粉末。相對于現有的工藝，該方法流程短，工藝簡單，操作簡單，產能高，能耗少，成本低，環境污染小等諸多優勢。由于該工藝包含鉭材的氫化處理以及收料塔的雙重冷卻系統，使得該工藝相對于傳統工藝具有很大的技術優勢，從而實現高純低金屬雜質五氯化鉭的連續高效生產。
附圖說明
圖1為本發明生產五氯化鉭的裝置圖。
圖1中：1 氯化爐；11 鉭源加料口；12 電加熱套；13 氣源入口；14 灰分出口；15 緩沖電加熱帶； 2 收集塔；21 風冷系統；22 水冷系統；23 出料口；3 真空系統；4 尾氣吸收系統。
具體實施方式
以下實例旨在對本發明的進一步說明，并不限制本發明權利要求的保護范圍。
實施例1
本發明采用的裝置如圖1所示，該裝置由立式氯化爐1、收集塔2、真空系統3和尾氣吸收系統4四部分組成。其中氯化爐1的頂部設置為鉭源加料口11，側底部設有氣源入口13，底部是灰分出口14；連接立式氯化爐1和收集塔2之間有一個緩沖電加熱帶15，設有足夠的電阻絲，保證緩沖帶溫度在300~600℃；收集塔2由頂部1/3處的風冷系統21和中部2/3處的水冷系統組成，收集塔2底部設有成品出料口23；此外，收集塔側部靠近頂端1/6處設置有真空系統3，側部靠近底端1/6處設有尾氣吸收系統4。收集塔是氯化爐體積的1~5倍。
采用質量比為1/2鉭棒和1/2的鉭粉為鉭源，放入氯化爐內，系統真空度控制為0.02Mpa，加入純度為99.99%的惰性氣體氬氣，反應前通入純度為99.9%的氫氣對鉭源進行氫化，再用惰性氣體氬氣置換氫氣60min，置換完畢，通入氯氣反應，氯化爐溫度控制在400℃。氯氣的純度為99.9%。鉭源和氯氣的摩爾比200:600；收料塔體積是氯化爐的1.5倍，反應經8小時，收集五氯化鉭成品，經分析結果如下表：
實施例2
采用質量比為1/2鉭屑和1/2的鉭粉為鉭源，將鉭源放入氯化爐內，系統真空度控制為0.03Mpa，加入純度為99.99%的惰性氣體氬氣，反應前通入純度為99.9%的氫氣對鉭源進行氫化，再用惰性氣體氬氣置換氫氣90min，置換完畢，通入氯氣反應，氯化爐溫度控制在400℃。氯氣的純度為99.9%。鉭源和氯氣的摩爾比200:650；鉭源：氫氣的摩爾比為200：200，收料塔體積是氯化爐的3倍，反應經10小時，收集五氯化鉭成品，收集五氯化鉭成品，經分析結果如下表：
實施例3
用質量比為1/2鉭棒和1/2的鉭塊為鉭源，將鉭源放入氯化爐內，系統真空度控制為0.01Mpa，加入純度為99.99%的惰性氣體氬氣，反應前通入純度為99.9%的氫氣對鉭源進行氫化，再用惰性氣體氬氣置換氫氣120min，置換完畢，通入氯氣反應，氯化爐溫度控制在400℃。氯氣的純度為99.9%。鉭源和氯氣的摩爾比200:700；鉭源：氫氣的摩爾比為200：300，收料塔體積是氯化爐的1.5倍，反應經12小時，收集五氯化鉭成品，經分析結果如下表：
實施例4
用鉭棒為鉭源，系統真空度控制為0.03Mpa，加入純度為99.99%的惰性氣體氬氣，反應前通入純度為99.9%的氫氣對鉭源進行氫化，再用惰性氣體氬氣置換氫氣120min，置換完畢，通入氯氣反應，氯化爐溫度控制在400℃。氯氣的純度為99.9%。鉭源和氯氣的摩爾比200:600；鉭源：氫氣的摩爾比為200：200，收料塔體積是氯化爐的3倍，反應經16小時，收集五氯化鉭成品，經分析結果如下表：