熔盐的应用及发展前景

张士宪　赵晓萍　时彦林

【摘 要】论文综述了熔盐的概念、发展历史、分类、特点和应用。系统归纳了典型的熔盐，着重阐述了熔盐在材料制备及加工、能源、生物质热裂解等技术领域的主要应用，提出了熔盐在使用过程中存在的挑战并展望了其发展趋势。

【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.

【关键词】熔盐；电解；蓄热介质；反应介质；生物质热裂解

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

【中图分类号】TQ413.15 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）05-0126-02

1 简介

熔盐，是指无机盐类高温熔化形成的阳离子和阴离子组成的液态离子熔融体，是熔融盐的简称。对于熔盐的认识[1]最早可以追溯到我国明朝时代，史料记载当时人们已经会将硝石进行加热融化。

国外，早在1807年英国化学家（Hdvay）就通过电解熔融的NaOH与KOH得到金属钠和钾。现代，无机盐、氧化物以及有机物高温熔化形成的熔体都称之为熔盐，而且熔盐体系仍在不断丰富。

2 熔盐的分类及特点

目前，能构成熔盐的阳离子有80 余种，阴离子有30 余种，实际的熔盐种类远远超过2400 种。选用熔盐体系进行生产或实验时，不同学者[1，2]根据具体的条件选择不同的熔盐体系和熔盐配比。他们对于熔盐的分类表述了不同的思想，但基本上都是按照熔盐使用温度来划分的，总结起来可以将熔盐分为高温（>600℃）、中温（350～600℃）、低温（<100～350℃）和室温（100℃）四大类体系，但各体系之间并没有严格的温度界限。

熔盐不像水溶液那样需要支持电解质，具有离子熔体、广泛的使用温度范围、低的蒸汽压、体积热容量、相变潜热大、较高的溶解能力、较低的粘度、稳定的物理化学性质、大分解电压等特性。

3 熔盐的应用

熔盐凭借不可比拟的优势，被广泛应用于材料制备、能源、生物工程等领域。

3.1 金属材料制备领域

金属和合金材料在国民经济中应用广泛而且不可替代，具有很重要的地位。

3.1.1 提取金属

自然界中，贵金属、难熔金属等金属元素几乎全部都以化合物形式存在，且经常是多种金属元素混合在一起。这些金属经过处理后得到较高纯度的以氯化物和氧化物等形式存在的化合物。这类物质由于电极电位的缘故在水溶液中不能够电沉积出来，因此主要靠熔盐电解的方法制备。

3.1.2 金属间化合物的制备

近些年，金属间功能材料成为金属材料研发和应用的最热门领域，这些功能材料90%以上是金属间化合物。通过熔盐电沉积的方法在金属表面沉积制备金属间化合物是近些年发展极为活跃的研究领域。采用这种方法可以在材料表面沉积一层耐高温金属、耐腐蚀非晶金属、超硬材料等。

3.2 熔盐在能源技术上的应用

3.2.1 熔盐在原子能体系中的应用

原子能，又称“核能”，其作为一种新的能源，在发电、医疗、工业、农业等领域有廣泛的应用前景。不过，需要建立安全、环保、高效、多样化的能量变换体系来促进原子能的应用。

原子能体系在应用过程中需要必要的传热和反应介质，以及对燃料进行再处理，最终实现能量质检的转化，在这些过程中，熔盐占据着无法取代的地位。目前，常用的原子炉燃料有U-Zr合金和U-Pu-Zr合金等，这些铀合金具有很高的安全性和经济效益，而且燃料再处理及成型工艺也非常简单。U、Pu、Th等可以电解熔融氯化物和氟化物-氧化物熔体制备得到。

3.2.2 电池电解质

热电池、燃料电池和锂电池等均可以用熔盐做电解质，它们作为可靠的输出电力装置，被现代生产、生活所重视。

热电池以熔盐作为电解质，通过自动激活装置将热源点燃，促进熔盐的熔化，提供能量，又称为“熔盐电池”。热电池具有比功率大、比能量高、激活速度快、储存时间长、可靠性好、使用温度范围宽等优点，被广泛应用于高科技武器领域，如作战武器的点火装置、核武器、反导导弹以及各种先进炸弹等。

燃料电池是一种理想的能源，被誉为“未来世界十大科技之首”，具有能量转换率高、环境污染少、噪音低、设备费便宜等优点。对这种理想能源一直在深入开发研制中，而且其能量转换率在不断地提高。电解质、催化剂和工作温度决定了燃料电池的工作效率、功率密度，不同的电解质和催化剂以及工作温度构成的燃料电池的类型也不同。

锂离子电池以非水液态有机溶剂的熔盐作为电解质，具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、无污染、无记忆效应等优点，被广泛应用于现代生产生活中，被誉为“绿色电池”。其电解质的制备是将锂盐等溶解于有机溶剂中，常用的电解质有以吡唑阳离子为基础的1，2-二甲基-4-氟吡唑四氟化硼（DMFPBF4）等。

3.2.3 熔盐在太阳能热发电领域的应用

熔盐具有很高的比热容，在太阳能发电领域主要作为一种蓄热介质和传热材料。熔盐式太阳能热动力发电采用聚焦的方法将太阳热能聚集或储存起来加热熔盐，再加热水蒸气进行发电，这是一种绿色、安全的能源转化技术，具有能量转移效率高、扩充容量方便、迎风面积和质量小等特点，被广泛研究并用于太阳能发电领域。美国等先进国家已经研究并建设了部分地面熔盐太阳能发电厂。据报道，熔盐太阳能发电可以将操作温度升高到450～500℃，储热效率提高2.5倍，发电效率提高40%。

3.3 熔盐在生物质热裂解技术领域的应用

生物质能是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源，具有可再生、分布广泛、低污染和储量丰富等特点。生物质能可以通过包括直接燃烧技术、微生物发酵方法、热化学转化方法三种途径进行利用。上世纪八十年代末，科学家开始利用熔盐进行生物质热裂解的研究。

3.3.1 熔盐裂解生物质生成生物油

生物質（秸秆、木材等）颗粒在高温且隔绝氧气的条件下迅速与熔盐接触，发生热裂解，产生的气体产物迅速冷凝形成生物油。

Sada等人利用熔盐热裂解木质素提取得到含酚类化合物的生物油。之后，不同学者开展了熔盐裂解实际生物质制生物油的研究。Jiang等以纤维素和水稻秸秆为原料，在ZnCl2熔盐体系中裂解生成生物油；王敏等讨论了ZnCl2和KCl-CuCl2对生物油产量和品质的影响；姬登祥等[20]在ZnCl2熔盐体系中添加不同的金属氯化物，研究不同熔盐组成对热裂解生物质制生物油的影响。随着研究的不断深入，熔盐热裂解生物质的收油率和纯度得到了很大的提高。

3.3.2 熔盐热裂解生物制富氢气体

熔盐热裂解生物质制氢具有原料适应性强、氢产率较高、气体产物组成简单、能耗低的优点。沈琦等利用碱性熔盐热解生物质制备了富氢气体。

4 展望

熔盐具有很多优点，其在国民经济各领域有着不可取代的地位，但是在使用熔盐的过程中也存在很多挑战：①部分熔盐的作用机理不明确，如熔盐电沉积的电化学反应机理、熔盐热裂解技术的催化机理、熔盐组分的络合反应等，需要进一步研究；②绝大多数无机熔盐的熔点较高，要求特殊的反应装置和材料；③熔盐特别是卤化物、硼酸盐等熔盐具有一定的挥发性，对材料，尤其是金属材料具有强烈的腐蚀性；④很多熔盐具有吸水性，要求在干燥条件下工作，这就提高了生产成本；⑤室温熔盐的制备方法复杂，成本较高。

因此，未来对于熔盐的研究也应该主要针对以上问题进行。可以预见，未来熔盐将具有更好的性能和更加广泛的应用空间，更好地服务于各行各业。

【参考文献】

【1】谢刚.熔融盐理论与应用[M].北京：冶金工业出版社，1998.

【2】张明杰，王兆文.培盐电化学原理与应用[M].北京：化学工业出版社，2006.