熔鹽的應用及發展前景

張士憲　趙曉萍　時彥林

【摘 要】論文綜述了熔鹽的概念、發展歷史、分類、特點和應用。系統歸納了典型的熔鹽，著重闡述了熔鹽在材料制備及加工、能源、生物質熱裂解等技術領域的主要應用，提出了熔鹽在使用過程中存在的挑戰并展望了其發展趨勢。

【Abstract】This paper reviews the concept，development history，classification ， characteristics and application of molten salt. The review mainly includes the summarization of typical molten salt， and the chief application of it in the technical fields of materials preparation and processing， energy， biomass pyrolysis and others. Finally， the challenges in the use of molten slat and the development trend are put forward.

【關鍵詞】熔鹽；電解；蓄熱介質；反應介質；生物質熱裂解

【Keywords】fused saltt ； electrolysis； heat storage medium； reaction？medium； biomass pyrolysis

【中圖分類號】TQ413.15 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）05-0126-02

1 簡介

熔鹽，是指無機鹽類高溫熔化形成的陽離子和陰離子組成的液態離子熔融體，是熔融鹽的簡稱。對于熔鹽的認識[1]最早可以追溯到我國明朝時代，史料記載當時人們已經會將硝石進行加熱融化。

國外，早在1807年英國化學家（Hdvay）就通過電解熔融的NaOH與KOH得到金屬鈉和鉀。現代，無機鹽、氧化物以及有機物高溫熔化形成的熔體都稱之為熔鹽，而且熔鹽體系仍在不斷豐富。

2 熔鹽的分類及特點

目前，能構成熔鹽的陽離子有80 余種，陰離子有30 余種，實際的熔鹽種類遠遠超過2400 種。選用熔鹽體系進行生產或實驗時，不同學者[1，2]根據具體的條件選擇不同的熔鹽體系和熔鹽配比。他們對于熔鹽的分類表述了不同的思想，但基本上都是按照熔鹽使用溫度來劃分的，總結起來可以將熔鹽分為高溫（>600℃）、中溫（350～600℃）、低溫（<100～350℃）和室溫（100℃）四大類體系，但各體系之間并沒有嚴格的溫度界限。

熔鹽不像水溶液那樣需要支持電解質，具有離子熔體、廣泛的使用溫度范圍、低的蒸汽壓、體積熱容量、相變潛熱大、較高的溶解能力、較低的粘度、穩定的物理化學性質、大分解電壓等特性。

3 熔鹽的應用

熔鹽憑借不可比擬的優勢，被廣泛應用于材料制備、能源、生物工程等領域。

3.1 金屬材料制備領域

金屬和合金材料在國民經濟中應用廣泛而且不可替代，具有很重要的地位。

3.1.1 提取金屬

自然界中，貴金屬、難熔金屬等金屬元素幾乎全部都以化合物形式存在，且經常是多種金屬元素混合在一起。這些金屬經過處理后得到較高純度的以氯化物和氧化物等形式存在的化合物。這類物質由于電極電位的緣故在水溶液中不能夠電沉積出來，因此主要靠熔鹽電解的方法制備。

3.1.2 金屬間化合物的制備

近些年，金屬間功能材料成為金屬材料研發和應用的最熱門領域，這些功能材料90%以上是金屬間化合物。通過熔鹽電沉積的方法在金屬表面沉積制備金屬間化合物是近些年發展極為活躍的研究領域。采用這種方法可以在材料表面沉積一層耐高溫金屬、耐腐蝕非晶金屬、超硬材料等。

3.2 熔鹽在能源技術上的應用

3.2.1 熔鹽在原子能體系中的應用

原子能，又稱“核能”，其作為一種新的能源，在發電、醫療、工業、農業等領域有廣泛的應用前景。不過，需要建立安全、環保、高效、多樣化的能量變換體系來促進原子能的應用。

原子能體系在應用過程中需要必要的傳熱和反應介質，以及對燃料進行再處理，最終實現能量質檢的轉化，在這些過程中，熔鹽占據著無法取代的地位。目前，常用的原子爐燃料有U-Zr合金和U-Pu-Zr合金等，這些鈾合金具有很高的安全性和經濟效益，而且燃料再處理及成型工藝也非常簡單。U、Pu、Th等可以電解熔融氯化物和氟化物-氧化物熔體制備得到。

3.2.2 電池電解質

熱電池、燃料電池和鋰電池等均可以用熔鹽做電解質，它們作為可靠的輸出電力裝置，被現代生產、生活所重視。

熱電池以熔鹽作為電解質，通過自動激活裝置將熱源點燃，促進熔鹽的熔化，提供能量，又稱為“熔鹽電池”。熱電池具有比功率大、比能量高、激活速度快、儲存時間長、可靠性好、使用溫度范圍寬等優點，被廣泛應用于高科技武器領域，如作戰武器的點火裝置、核武器、反導導彈以及各種先進炸彈等。

燃料電池是一種理想的能源，被譽為“未來世界十大科技之首”，具有能量轉換率高、環境污染少、噪音低、設備費便宜等優點。對這種理想能源一直在深入開發研制中，而且其能量轉換率在不斷地提高。電解質、催化劑和工作溫度決定了燃料電池的工作效率、功率密度，不同的電解質和催化劑以及工作溫度構成的燃料電池的類型也不同。

鋰離子電池以非水液態有機溶劑的熔鹽作為電解質，具有電壓高、比能量大、循環壽命長、安全性能好、自放電小、無污染、無記憶效應等優點，被廣泛應用于現代生產生活中，被譽為“綠色電池”。其電解質的制備是將鋰鹽等溶解于有機溶劑中，常用的電解質有以吡唑陽離子為基礎的1，2-二甲基-4-氟吡唑四氟化硼（DMFPBF4）等。

3.2.3 熔鹽在太陽能熱發電領域的應用

熔鹽具有很高的比熱容，在太陽能發電領域主要作為一種蓄熱介質和傳熱材料。熔鹽式太陽能熱動力發電采用聚焦的方法將太陽熱能聚集或儲存起來加熱熔鹽，再加熱水蒸氣進行發電，這是一種綠色、安全的能源轉化技術，具有能量轉移效率高、擴充容量方便、迎風面積和質量小等特點，被廣泛研究并用于太陽能發電領域。美國等先進國家已經研究并建設了部分地面熔鹽太陽能發電廠。據報道，熔鹽太陽能發電可以將操作溫度升高到450～500℃，儲熱效率提高2.5倍，發電效率提高40%。

3.3 熔鹽在生物質熱裂解技術領域的應用

生物質能是一種可再生能源，同時也是唯一一種可再生的碳源，具有可再生、分布廣泛、低污染和儲量豐富等特點。生物質能可以通過包括直接燃燒技術、微生物發酵方法、熱化學轉化方法三種途徑進行利用。上世紀八十年代末，科學家開始利用熔鹽進行生物質熱裂解的研究。

3.3.1 熔鹽裂解生物質生成生物油

生物質（秸稈、木材等）顆粒在高溫且隔絕氧氣的條件下迅速與熔鹽接觸，發生熱裂解，產生的氣體產物迅速冷凝形成生物油。

Sada等人利用熔鹽熱裂解木質素提取得到含酚類化合物的生物油。之后，不同學者開展了熔鹽裂解實際生物質制生物油的研究。Jiang等以纖維素和水稻秸稈為原料，在ZnCl2熔鹽體系中裂解生成生物油；王敏等討論了ZnCl2和KCl-CuCl2對生物油產量和品質的影響；姬登祥等[20]在ZnCl2熔鹽體系中添加不同的金屬氯化物，研究不同熔鹽組成對熱裂解生物質制生物油的影響。隨著研究的不斷深入，熔鹽熱裂解生物質的收油率和純度得到了很大的提高。

3.3.2 熔鹽熱裂解生物制富氫氣體

熔鹽熱裂解生物質制氫具有原料適應性強、氫產率較高、氣體產物組成簡單、能耗低的優點。沈琦等利用堿性熔鹽熱解生物質制備了富氫氣體。

4 展望

熔鹽具有很多優點，其在國民經濟各領域有著不可取代的地位，但是在使用熔鹽的過程中也存在很多挑戰：①部分熔鹽的作用機理不明確，如熔鹽電沉積的電化學反應機理、熔鹽熱裂解技術的催化機理、熔鹽組分的絡合反應等，需要進一步研究；②絕大多數無機熔鹽的熔點較高，要求特殊的反應裝置和材料；③熔鹽特別是鹵化物、硼酸鹽等熔鹽具有一定的揮發性，對材料，尤其是金屬材料具有強烈的腐蝕性；④很多熔鹽具有吸水性，要求在干燥條件下工作，這就提高了生產成本；⑤室溫熔鹽的制備方法復雜，成本較高。

因此，未來對于熔鹽的研究也應該主要針對以上問題進行。可以預見，未來熔鹽將具有更好的性能和更加廣泛的應用空間，更好地服務于各行各業。

【參考文獻】

【1】謝剛.熔融鹽理論與應用[M].北京：冶金工業出版社，1998.

【2】張明杰，王兆文.培鹽電化學原理與應用[M].北京：化學工業出版社，2006.