Published June 25, 2018 | Version v1
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Development of a rare earth electrolysis process in molten salt medium

Description

This work deals with the influence of the solvent composition in the elaboration of neodymium and dysprosium metals by molten salt electrolysis on inert electrode. Three different media have been studied: chloride, fluoride and mixed chloro-fluoride salts. In order to improve the understanding of the solvent composition's role, a comparative study of the electrochemical behaviour of these two elements in different media was carried out. The melt composition modifies the stability of the different oxidation states in solution. This study highlighted the electrochemical behaviour variations of these rare earths with respect to both the solvent anion (chloride and/or fluoride) and the solvent cation determining the chloro(fluoro)-acidity of the bath. The reduction mechanism of both neodymium and dysprosium, initially a two steps process in chloride media, is simplified as a single reduction step through addition of sufficient amount of fluoride ions. Electrochemical techniques have also demonstrated the formation of an intermetallic compound by co-deposition of the alkalis and alkaline earths with rare earths. The chemical composition was assessed during dysprosium electrolysis in the LiCl-KCl medium. A methodology based on reverse chrono-potentiometry was developed in order to optimize the electrolytic operating parameters along with the study of the kinetics of the comproportionation reaction between rare earth metal and its chloride salt. Results show that temperature and composition of the molten salt play an important role on the kinetics of the comproportionation reaction. The faradaic electrolysis yields increase from LiCl to LiCl-KCl to LiCl-LiF media and decrease with increasing temperature. Moreover, at a given bath composition, the faradaic yields for metal deposition are higher for dysprosium than for neodymium. This difference is attributed to the instability of Nd(II) species in solution, and also to a higher kinetics of the comproportionation reaction for neodymium. Neodymium and dysprosium electrolysis trials at a gram scale are in good agreement with the electro-analytical approach developed in this work. The combination of a set of electro-analytical techniques developed in this study allowed us to propose new processes regarding the preparation of neodymium and dysprosium metal in unalloyed form by electrolysis. Faradaic yields are close to 70% for neodymium and 95% for dysprosium in LiCl-LiF at 550 C. Unlike neodymium, dysprosium electrolysis can be carried out directly in low temperature chloride media with high yields, above 70%. (author)

Abstract (French)

Ce travail est consacre a l'etude de l'influence du solvant salin pour l'elaboration du neodyme et dysprosium metalliques par electrolyse sur electrode inerte en milieu sels fondus. Les differents milieux etudies sont: les milieux chlorures, fluorures et un milieu mixte chloro-fluorures. Afin d'ameliorer la comprehension des phenomenes en solution, une etude comparative du comportement electrochimique de ces deux elements dans les differents milieux a ete effectuee. La composition du milieu modifie la stabilite des differents degres d'oxydation des especes en solution. Cette etude a permis de mettre en avant la difference de comportement de ces terres rares en fonction de l'anion du solvant (chlorure et/ou fluorure) et egalement du cation du solvant determinant la chloro(fluoro)-acidite du milieu salin. De plus, le mecanisme de reduction du neodyme et du dysprosium, initialement en deux etapes en milieux chlorures, se simplifie en une seule etape de reduction par ajout suffisant d'ions fluorure. Les techniques electrochimiques ont egalement permis de mettre en evidence la formation d'un compose intermetallique par co-deposition des alcalins et alcalino-terreux avec les terres rares dont la composition chimique a ete evaluee lors de l'electrolyse du dysprosium dans le milieu LiCl-KCl. Une methodologie basee sur la chronopotentiometrie inverse a ete developpee afin d'optimiser les parametres operatoires de la preparation de depots metalliques par electrolyse et d'etudier la cinetique de la reaction de mediamutation entre le metal et son chlorure. Les resultats montrent une influence significative de la composition du milieu et de la temperature sur la cinetique de la reaction de mediamutation. Les rendements faradiques d'electrolyse augmentent en passant des milieux LiCl a LiCl-KCl puis a LiCl-LiF et diminuent en augmentant la temperature. De plus, pour un meme milieu salin, les rendements faradiques d'electrodeposition du metal sont plus importants pour le dysprosium que pour le neodyme. Cette difference est attribuee a l'instabilite de l'espece Nd(II) en solution et egalement a une cinetique de la reaction de mediamutation plus rapide pour le neodyme. Les essais d'electrolyses du neodyme et du dysprosium a l'echelle du gramme sont en bon accord avec l'approche electroanalytique developpee dans ce travail. La combinaison d'un ensemble de techniques electroanalytiques a permis de proposer de nouveaux procedes de preparation du neodyme et du dysprosium metal sous forme non allie par electrolyse. Les rendements faradiques sont proches de 70% pour le neodyme et de 95% pour le dysprosium dans le LiCl-LiF a 550 C. Contrairement au neodyme, les electrolyses du dysprosium peuvent etre realisees directement en milieux chlorures a basse temperature avec des rendements eleves et superieurs a 70%. (l'auteur)

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Original title (French)
Developpement d'un procede d'electrolyse des terres rares (neodyme et dysprosium) en milieux sels fondus

Publishing Information

Imprint Pagination
263 p.
Report number
FRCEA-TH--10288

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Notes
194 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses