月球表面礦產(chǎn)資源原位利用研究進展

李琛，魏奎先，李陽，馬文會，趙斯哲

（1.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，云南昆明，650093；2.云南省高?？臻g冶金軍民融合重點實驗室，云南昆明，650093；3.中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所月球與行星科學(xué)研究中心，貴州貴陽，550081；4.昆明理工大學(xué)真空冶金國家工程實驗室，云南昆明，650093）

探索月球與建立月球航天基地會極大地促進世界科技的發(fā)展，推動人類文明進步。自人類首次登月以來，許多國家先后進行了月球探測器的研發(fā)以及登月計劃，如歐洲航天局的SMART 計劃、日本的Kaguya 計劃、中國的嫦娥工程、印度的Chandrayaan 計劃、美國的Apollo 計劃、月球偵察軌道器（LRO）、GRAIL 以及前蘇聯(lián)的Lunar 計劃等。美國在Apollo 計劃之后開展了一系列科學(xué)實驗，制定了許多月球表面礦產(chǎn)資源原位利用技術(shù)（ISRU）方案。PAUL[1]分析了載人月球和行星探測的經(jīng)濟性，回顧了月球的資源和利用方案，指出使用月球和行星資源可以將行星際飛行的成本降低75%~90%；HAWKE等[2]提出可以依托富含鈦鐵礦的火山洞建立一個永久性月球基地；CARPENTER 等[3]認為，擴大探月規(guī)模與降低成本可由科研機構(gòu)對原位資源提取與利用的研究來實現(xiàn)。由于地月運輸?shù)某杀具^高，月球基地的建造需要先進的ISRU技術(shù)提取人類建造月球基地所需的金屬（如Ti，Si，Al 和Fe 等）與維持生命所需的H2O 和O2等。月表存在低重力高真空度的極端環(huán)境，因此，實現(xiàn)資源的開發(fā)利用需要探索大量在地球上很難達到的工藝控制條件，這引起了全世界科研工作者的濃厚興趣，目前已取得很多突破性進展。

1 月球表面的資源與環(huán)境

人類對于月球的探索已有很多年，隨著光譜和遙感等技術(shù)的發(fā)展以及對采集月壤樣品的分析，月球表面的資源分布已經(jīng)被人們熟知。

1.1 月球表面的資源

由于月球表面直接暴露于嚴酷的太空環(huán)境之中，導(dǎo)致其絕大部分都被一層細粉狀的風(fēng)化物質(zhì)即月壤所覆蓋。在月海地區(qū)，月壤通常厚度為4~5 m，在高地地區(qū)則平均為10~15 m。月壤的粒徑為40~800 μm，平均為60~80 μm[4]。月壤顆粒主要是玻璃態(tài)的硅酸鹽以及各種巖石和礦物碎片，其成分范圍從玄武巖到斜長巖，并且包含少量（質(zhì)量分數(shù)<2%）隕石成分，具有極大的提取潛力[5]。月海區(qū)域Fe 質(zhì)量分數(shù)較高（14%~17%），其大部分賦存于硅酸鹽礦物（即輝石和橄欖石）和鈦鐵礦中。月壤中的天然Fe至少具有3種來源[6]：隕鐵、從分解的基巖來源釋放的Fe 以及通過太陽風(fēng)還原月壤中的FeO 而產(chǎn)生的Fe。Ti 是在航空航天應(yīng)用中的主要金屬，在月海附近的高鈦月海玄武巖中的質(zhì)量分數(shù)很高（5%~8%），它幾乎完全存在于鈦鐵礦中[7]。Al 是重要的基建以及功能材料金屬，其質(zhì)量分數(shù)在月球高地巖石中為10%~18%，通過分解月球高地的長石可以得到Al。Si 在所有巖石中質(zhì)量分數(shù)都很高（約為20%），實現(xiàn)Si的提取可以滿足未來工業(yè)化生產(chǎn)太陽能電池板以及電子材料的需求[5]。

Apollo11，Apollo12，Apollo14，Apollo15，Apollo16，Apollo17[8]；Lunar16，Lunar20，Lunar24[9]和ChangE-3[10]分別對月壤進行勘察或采集，采樣區(qū)月壤各組分的平均質(zhì)量分數(shù)見圖1。由圖1 可知：月壤主要由SiO2，Al2O3，F(xiàn)eO，TiO2，MgO 和CaO 這6 種主要氧化物構(gòu)成，由于月海與高地在地質(zhì)學(xué)存在差異，TiO2質(zhì)量分數(shù)波動較大。

一些月球高地巖石中稀土元素質(zhì)量分數(shù)相對較高，同時P和K質(zhì)量分數(shù)也比月壤的高，月球地質(zhì)學(xué)中將其稱為KREEP rich[11]。此外，重要的核能元素U和Th也集中在KREEP中[12]。

在月壤中，S存在于隕石成分以及月球原生的Fe-FeS相中[13]。Cl存在于FeO（OH，Cl）、磷酸鹽和氯化物中，但分布不均[14]。含C樣品中均存在于碳化物相（FeNi）3C、部分含C的隕石（鐵，碳質(zhì)球粒隕石）和太陽風(fēng)中[15]。3He是具有潛力的核能原料，其在地球大氣中質(zhì)量約4×106kg，在板塊邊界地區(qū)的天然氣中質(zhì)量約1×106kg，但通過阿波羅樣品計算出在月球表面的3He 質(zhì)量大約為2.47×109kg[16]。月球表面并非完全沒有水，通過對月球土壤進行分析發(fā)現(xiàn)，撞擊坑中含有大量來自于太陽風(fēng)的水[17]，RUBANENKO 等[18]也通過對隕石坑的深度與直徑之比推論了兩極的永久陰影區(qū)中存在著厚冰層。

1.2 月球表面的環(huán)境

圖1 采樣區(qū)月壤平均質(zhì)量分數(shù)Fig.1 Sampling area average mass composition of lunar soil

月球表面引力只有地球表面引力的1/6，晝夜最大溫差可達300 ℃以上，月球表面幾乎無大氣，表面氣壓僅為1×10-9Pa。真空環(huán)境導(dǎo)致提取各類氣體存在較大的難度，無空冷環(huán)境對凝固過程的低溫段影響較大；微重力環(huán)境對密度差分離的冶煉方式帶來了影響，也導(dǎo)致傳遞過程與凝固過程中需要更多地考慮表面張力。同時，宇宙射線與太陽風(fēng)可以輕易到達月球表面，從而形成一層結(jié)構(gòu)松散、成分復(fù)雜的風(fēng)化層[7]。BENAROYA 等[19]研究風(fēng)化層中月塵性質(zhì)后發(fā)現(xiàn)，月塵附著在所有物體表面上，造成月塵干擾。

月球表面有著充足的太陽能，合理利用太陽能光伏發(fā)電或者轉(zhuǎn)化為熱能對于人類月球活動至關(guān)重要[20]。CRISWELL 等[21-22]提出在月球表面建造太陽能電池陣列并將能量束流到地球上，或?qū)⒃虑蛱柲苁崛‰娔芎蟀l(fā)射到地球上，該方法比實際開采3He 運輸?shù)降厍蛏袭a(chǎn)出能量效率要高得多。地月運輸成本高昂，要求空間冶金技術(shù)應(yīng)當(dāng)致力于資源的就地開采、就地處理和就地利用。此外空間冶金系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)避免大型化、由于資源有限，濕法冶金較難實現(xiàn)、由于能源種類有限，電能和光能是所有提取工藝最好的選擇。

2 月球表面金屬資源提取進展

月球資源原位利用與地球冶金工藝存在著一定的差異[23]。提取的金屬材料主要應(yīng)用于基地建造、空間技術(shù)、生活基礎(chǔ)以及其副產(chǎn)物氧氣與人類生存所必需的H2O[24]。實現(xiàn)月球冶金技術(shù)有利于推進綠色冶金的發(fā)展，同時也為深空技術(shù)應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)[25]。

2.1 還原法

2.1.1 碳還原

ANDREW 等[26]認為碳熱還原是在月球表面提取金屬與O2的可行方法，其還原過程如圖2所示，由圖2 可知：將月壤與還原劑（碳粉）混合壓塊，而后升溫進行碳熱還原，其熱力學(xué)行為可參考該條件下的埃林漢姆圖。同時可以借助鋼鐵冶金的工程經(jīng)驗，將產(chǎn)出的礦渣和鋼鐵等副產(chǎn)品用于月球基建。在鈦鐵礦還原的工藝中，C 是比H2更高效的還原劑。同時可以CH4為還原劑還原仿真富含SiO2，F(xiàn)eO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，MgO 和TiO2等月壤礦物制備金屬和O2。

在碳熱還原過程中，碳質(zhì)還原劑可能會沉積到月壤顆粒上或由于在此過程中可能形成碳化物而被損失。盡管月壤含太陽風(fēng)注入的C，但其質(zhì)量分數(shù)僅有200×10-6[27]，并不足以滿足冶煉過程的需要，因此，需要從地球攜帶或從月球深挖開采[28]。此外，碳熱還原法提取金屬過程中，以CH4形式損失的C占總質(zhì)量的8%。因此，必須從廢棄的礦渣中重新生成C或?qū)⑵溲h(huán)利用，其可行方案包括合理回收固體廢物以及生命支持系統(tǒng)的SABATIER反應(yīng)器中的有機物[29]。為了減少還原劑的消耗，GUSTAFSON等[30]設(shè)計了CH4還原反應(yīng)器，實現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。

ZHAO 等[31]比較了CO 和H2對鈦鐵礦的還原作用，在較低溫度下，CO還原能力較強，在較高溫度下H2還原能力較強。FRIEDLANDER[32]提出將水蒸氣電解后制取CH4作為月球上的還原劑，CH4是比H2還原能力更強的氣態(tài)碳質(zhì)還原劑，且可以通過電解等工藝流程實現(xiàn)完全循環(huán)。

2.1.2 氫還原

SANDERS 等[33]證實在月壤鈦鐵礦FeTiO3中僅FeO可以被氫還原，所以產(chǎn)率相對較低，并且取決于月壤中的Fe 質(zhì)量分數(shù)，這主要是因為熱力學(xué)上H2不具有還原Ti 氧化物制備單質(zhì)Ti 的能力。但是其工藝流程短，因此，受到很多科學(xué)家和工程師的青睞。SARGENANT 等[34]設(shè)計了氫還原裝置，證明H2與FeTiO3物質(zhì)的量比為1 時（H2壓力為418 Pa）是最佳的還原配比，當(dāng)在1 000 ℃下反應(yīng)4 h 時可得到最大的產(chǎn)率，可獲得0.17%~3.40%的O2。當(dāng)在1 100 ℃的較高溫度下操作時，鈦鐵礦晶粒會發(fā)生相變反應(yīng)，變化為新的礦相，并能得到更多的O2。

鈦鐵礦還原過程中產(chǎn)生的氧氣可以作為價值較高的副產(chǎn)品，但是其濃度非常低，而且從復(fù)雜的月壤礦物中提取鐵將耗費大量能源。SENIOR[35]認為提取輝石中的Fe 可能比H2還原鈦鐵礦更加可行，并采用氣相還原來提取輝石中的Fe。TAYLOR等[36]將太陽光聚焦在太陽能爐中即可達到反應(yīng)所需的高溫（>2 000 ℃），從而避免了與電能轉(zhuǎn)換和相關(guān)的問題。

ProSPA 系統(tǒng)[37]中氫還原是一種新穎的從月壤中提取H2O 的方法。此前通常利用H2流穿過原料來提取水。但是，在ProSPA 中，以準穩(wěn)態(tài)模式處理樣品。對氣體在這種系統(tǒng)中的擴散進行了理論分析，結(jié)果表明H2O 的內(nèi)擴散是反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，控制這個步驟可以使反應(yīng)快速進行。

HEDGE 等[38]從動力學(xué)角度進行解釋，如圖3所示，鈦鐵礦顆粒的總還原速度不僅受到界面化學(xué)反應(yīng)的限制，而且受到H2和H2O 通過產(chǎn)物層的內(nèi)擴散限制。因此，隨著產(chǎn)物層厚度增加，反應(yīng)速度隨時間呈指數(shù)下降，從而擴散勢壘增加。REISS 等[39]通過熱重分析（TGA），分別使用純N2，H2和CH4用作TGA 的吹掃氣體，直接比較純鈦鐵礦和高地型月球長石模擬物NULHT-2M 在不同氣體還原過程中的反應(yīng)情況，結(jié)果表明，鈦鐵礦從500 ℃左右就開始發(fā)生還原反應(yīng)。

圖3 氫氣還原未反應(yīng)核模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of hydrogen reduction unreacted nuclear model

2.1.3 金屬熱還原

DELGADO 等[40]證明了JSC-1A 月壤模擬物與Mg的混合物是可燃的。這些混合物中的Al（Mg）熱劑型反應(yīng)可用于在月球上原位生產(chǎn)建筑材料。SiO2對燃燒具有顯著影響，可在較低溫度下促進反應(yīng)，由于月球風(fēng)化層組成復(fù)雜，這些反應(yīng)的機理尚不清楚。FERGUSON 等[41]使用2 種金屬粉末之間的自蔓延高溫反應(yīng)來黏結(jié)月壤，在Ar氣氛和1 kPa壓力下，以壓塊JSC-1A 月球風(fēng)化層模擬物為原料，利用Al/Ni混合物的還原反應(yīng)放熱并且黏結(jié)制成結(jié)構(gòu)材料。王斌等[42]對Al 熱還原過程進行了動力學(xué)研究，得到了不同氧化物Al熱還原的動力學(xué)規(guī)律。

2.2 電解法

2.2.1 熔鹽電解

大部分金屬如Ti 可以通過熔鹽電化學(xué)方法從中提取，SCHWANDT 等[43]使用劍橋大學(xué)開發(fā)的一種熔融鹽電化學(xué)技術(shù)（劍橋法），從不同成分的固體月壤中獲得氧氣和金屬。熔鹽電解法示意圖如圖4所示，采用惰性陽極而不是碳陽極，直接電解出氧氣；以CaCl2為電解質(zhì)來電解陰極的月壤從而制備金屬。此方法在月海和高地中同樣可行，所以劍橋法是一個實現(xiàn)提取金屬與氧氣行之有效的方法。但該方法具有較高的普適性，可以處理SiO2與Al2O3從而產(chǎn)出Al-Si合金。TAYLOR等[36]認為與熔融氧化物電解的工藝所需的1 600~1 900 ℃相比，熔鹽電解可在相對較低溫度下操作（低于900 ℃）。

圖4 熔鹽電解法示意圖Fig.4 Schematic diagram of molten salt electrolysis

對熔融鹽電化學(xué)工藝進行改進可以提取Al；DUKE 等[44]使用類似于從月球材料中提取Al 的工藝提取Si。在月球環(huán)境中達到太陽能級Si 的成分要求可能會很困難[45-46]。DUKE 等[47-48]研究了熔鹽電解生產(chǎn)太陽能級高純Si 的工藝，并提出了在月球表面生產(chǎn)太陽能電池的理論框架。對于鐵的提取，謝開玨[49]通過冰晶石熔鹽體系，從鈦鐵礦以及月壤仿真樣品提取O2與金屬Fe。

LOMAX 等[50]證明了Metalysis FFC（Fray，F(xiàn)arthing，Chen）工藝可用于金屬和合金的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，使用惰性的SnO2陽極對粉末狀固態(tài)月壤模擬物進行電解實驗。對所得金屬粉末進行分析發(fā)現(xiàn)，該工藝提取了總氧的96%，得到了合金產(chǎn)物。

2.2.2 熔融氧化物電解

SADOWAY 等[51]開發(fā)了電解法的一種極端形式——熔融氧化物電解法（又稱巖漿電解法），如圖5所示，使用雙惰性電極，陽極產(chǎn)氧，陰極產(chǎn)金屬后進入熔池。該反應(yīng)必須在熔融氧化物混合物熔化的溫度下進行，使高溫離子向它們各自的電極移動。這種方式可以生產(chǎn)Al，Mg，Li，Na和稀土金屬，與眾不同的是，該工藝能夠原位電解月壤，在一個電極上產(chǎn)生純O2，并在另一電極上產(chǎn)生多種液態(tài)金屬，而無需任何形式的支持電解質(zhì)。

圖5 熔融氧化物電解法示意圖Fig.5 Schematic diagram of molten oxide electrolysis

SIBILLE 等[52-53]認為熔融氧化物電解工藝能在月球表面持續(xù)運行。為保證在超過1 600 ℃的溫度下持續(xù)運行，并且抵御金屬與氧化物熔體的強侵蝕作用，陰極材料主要選擇Pt 族金屬和Cr 基合金。

SCHREINER 等[54]研究了熔融月壤電解（MRE）反應(yīng)器的估計質(zhì)量和功率，發(fā)現(xiàn)MRE 反應(yīng)堆耗能約為21 kW·h/kg，O2的年產(chǎn)量為2 000~3 000 kg。

2.3 熱分解法

2.3.1 氧化物熱分解

SENIOR[35]使用真空熱分解法處理月壤制備O2以及Si 的低價氧化物，并且采用熱力學(xué)論證了其可能性，主要反應(yīng)為在真空條件下加熱SiO2分解為SiO 與O2（如圖6 所示），在2 000~10 000 ℃加熱月礦，使其中的各種氧化物發(fā)生熱分解，通過快速冷凝蒸汽，分離得到O2和低價亞穩(wěn)態(tài)金屬氧化物或金屬。

月球的真空環(huán)境使金屬和氧解離所需的溫度大大降低。添加真空電磁分離或分區(qū)蒸餾可以捕獲O2，并捕獲和純化金屬。估計該方法可從月壤的金屬氧化物中回收超過95%的氧氣和金屬[55]。

圖6 熱分解法示意圖Fig.6 Schematic diagram of thermal decomposition

CARDIFF 等[56]使用1 m2菲涅耳透鏡蒸發(fā)月壤模擬物。該工藝已成功用于蒸發(fā)約1 g的氣體，之后對產(chǎn)生的氣體進行了質(zhì)譜分析，結(jié)果表明產(chǎn)生了O2。ANAND等[57]采用低壓下運行的高溫太陽能反應(yīng)器對不同氧化物材料進行熱還原的初步可行性實驗。例如，根據(jù)氧化物類型，在1 200~2 300 ℃將具有金紅石（TiO2）、赤鐵礦（Fe2O3）、尖晶石（MxFe3-xO4）或螢石型結(jié)構(gòu)的材料（CeO2）熱分解。

2.3.2 其余礦物熱分解

熱分解技術(shù)也可用于提取有價值的揮發(fā)分如3He。3He 提取需選定富集的位置。該反應(yīng)需要最初的氫源作為還原劑（如上所述，H2本身可以從月壤中提?。Ｔ谔崛?He 的同時，其余月壤中的揮發(fā)分也會同時提取，經(jīng)過分離即可予以分別收集[5]。

2.4 其他冶金方法

1）氯化法和氟化法。DUKE[58]制定了詳細的氟化工藝流程以及物料循環(huán)設(shè)計，模擬了工藝單元，并開發(fā)了流程圖以確定中間產(chǎn)物和能量需求。每處理1 kg 月壤可以生產(chǎn)0.21 kg 的Si 和0.32 kg 的O2，總冷卻負荷為17 MJ/kg，電負荷為29 MJ/kg。使用該工藝，每千克荷載每天可處理16 kg月壤。

2）等離子體法。CURRIER 等[59]提出了一種利用等離子體提取金屬和O2回收工藝，非常適合空間資源的利用。等離子體是理想的還原劑，等離子體與固體顆粒直接且緊密接觸導(dǎo)致反應(yīng)效率大大增加。當(dāng)使用氧化物礦物作為原料時，H等離子體通過還原礦物產(chǎn)生水并從基質(zhì)中提取O，可以得到金屬，隨后將水分解成O2和H2。

3）粉末冶金法。AGOSTO[60]提出了利用磁選和沖擊磨篩技術(shù)在月球土壤中進行金屬選礦，每年以0.41 kW·h/kg 的比能量生產(chǎn)超過5×105kg 的Fe-Ni 合金。中南大學(xué)對地面粉末冶金的研究已有多年，形成了較為完備的理論體系，特別是粉末合金的制備工藝[61-62]。發(fā)展月球粉末冶金有著很廣闊的利用前景。

4）離子液體冶金。離子液體是在室溫或接近室溫下熔融的有機鹽。KARR等[63]開發(fā)出一種使用離子液體從月壤中回收金屬和O2的新方法。該方法可以溶解月壤的金屬氧化物，然后通過電化學(xué)方法回收金屬。該反應(yīng)中放出的H2O 被電解產(chǎn)生O2和H2，氫氣被用來使離子液體質(zhì)子化，以備后用，氧氣可用于維持生命和推進劑。該工藝具有生產(chǎn)高純度金屬的潛力。

3 原位利用技術(shù)總結(jié)與評估

3.1 原位操作評估

對真空熱分解等5 種報道較多的工藝進行總結(jié)，結(jié)果如圖7所示，由圖7可見：幾乎所有提取工藝都可以實現(xiàn)鈦鐵礦資源的利用，其中還原法與分解法可以很好地提取Fe 資源。Ti 的大型化生產(chǎn)依賴于熔鹽電解或者熔融氧化物電解。Si 的生產(chǎn)則依賴于碳熱還原與電解，其中碳熱還原和熔融氧化物電解可以處理較低品位資源，但產(chǎn)出的金屬需要精煉方可作為太陽能電池的原材料。熔鹽電解法則需要對原料進行選礦才可以產(chǎn)出較純的金屬。

對于其他金屬資源如Al，Mg 和Ca 等，熔融氧化物電解法和真空分解法都可以實現(xiàn)提取，但其均需要較高的溫度，其中熔融氧化物電解法至少需要1 800 ℃才可以電解出活潑金屬，而真空分解法可以通過控制壓強而減少反應(yīng)溫度。

對于月球資源的原位資源利用，針對不同類型的資源，應(yīng)當(dāng)采取最適合的方式進行提取；同時，對于不同用途的原料（基建材料和航天材料）也應(yīng)采取不同工藝進行提取。針對月球資源以及環(huán)境的特殊性，需考慮原位性、可實施性（是否需要輔料）、生產(chǎn)的儀器規(guī)模、對原料的適應(yīng)性、產(chǎn)物的形態(tài)與可用性、對空間環(huán)境的影響等方面。由于能源限制以及基地建設(shè)和維護的需求及成本問題，導(dǎo)致冶金規(guī)模并不是越大越好，且應(yīng)模塊化流程，便于保養(yǎng)與維護，因此，可優(yōu)先采用等離子體法開展Fe 和Ti 的小批量冶煉試驗提取鈦鐵礦資源，之后通過熱分解法在提取氧氣的同時，提煉Fe 和Si 等應(yīng)用于建材、光伏發(fā)電。最后通過還原法、電解法等批量生產(chǎn)Al，Ti，Si 和Fe 等可用金屬，同時實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。

3.2 各類工藝總結(jié)

通過可提取金屬種類、溫度條件、能源消耗、產(chǎn)物形態(tài)和環(huán)境負荷5個方面對真空熱分解、熔鹽電解、熔融氧化物電解、氫還原、碳還原這5種提取工藝進行定性描述與總結(jié)，見表1。由表1可見：

圖7 月球礦產(chǎn)資源原位利用原理圖Fig.7 Schematic diagram of in-situ utilization of lunar mineral resources

表1 月壤礦產(chǎn)資源原位利用工藝總結(jié)Table 1 Summary of in-situ utilization technology of lunar soil mineral resources方法真空熱分解熔鹽電解熔融氧化物電解氫還原碳還原文獻[35，55-57][42-50][51-54][33-38][26-32]可提取主要金屬種類Fe，Si，Al，Ca，Ti和Mg Fe，Al，Ti和Si Fe，Si，Al，Ca，Ti和Mg Fe Fe和Si操作溫度/℃1 200~10 000 700~1 000 1 600~1 900 500~1 000 900~1 500能源消耗升溫?zé)?、分解熱升溫?zé)帷㈦娊饽芙苟鸁?、電解能升溫?zé)?、反?yīng)熱、電解能升溫?zé)帷⒎磻?yīng)放熱、電解能產(chǎn)物形態(tài)冷凝合金與中間氧化物Ti，Si，F(xiàn)e粉末，Al液態(tài)多種金屬混合的合金Fe，形態(tài)與原料有關(guān)Fe、Si，形態(tài)與原料有關(guān)環(huán)境負荷中間氧化物的處理氯化、氟化物熔鹽體系的處理殘余氧化物的處理冶金渣（渣量與品位有關(guān)）冶金渣（渣量與品位有關(guān)）

1）還原法可控制程度較高，但是還原法所需的還原劑在月球上尚未發(fā)現(xiàn)可適用品位的礦藏。制備還原劑需要額外的生產(chǎn)操作，并且還原法對礦石品位也有著一定要求，這就導(dǎo)致還原法的工藝流程較復(fù)雜。

2）電解法在處理具有理想組分的原料時具有較大優(yōu)勢，但是電解法對所采用電極材料的要求較高；同時，熔鹽電解法對礦物品位也有要求，所采用的氯化物-氟化物體系對月球環(huán)境造成一定的負荷。

3）熱分解法裝置簡單，對原料要求較低，可以隨地開采。通過控制條件可以提取月壤中存在的揮發(fā)分資源。但是傳統(tǒng)加熱方式需要較高的溫度，同時需要較多的電能。聚焦太陽能不能支持較長時間的冶煉，需要一種更大能量密度的加熱方式。

4 結(jié)論與展望

1）月壤粒度較小，礦相組成較為復(fù)雜，目前未發(fā)現(xiàn)高品位的礦藏，其元素成分與地球表層的元素成分較為接近，但易變價金屬元素屬于低價態(tài)。主要氧化物有CaO，MgO，Al2O3，TiO2，SiO2和FeO等。

2）月球表面環(huán)境惡劣，地月運輸載荷價格高昂，月球礦產(chǎn)資源應(yīng)當(dāng)致力于就地開采、就地利用、就地處理；同時保證清潔與循環(huán)利用，減少太空垃圾的產(chǎn)生。

3）現(xiàn)階段原地提取大多采用真空熱分解、熔鹽電解、熔融氧化物電解、氫還原和碳還原等工藝。各種工藝僅能實現(xiàn)小中型化生產(chǎn)，缺少模塊化以及結(jié)合任務(wù)規(guī)劃的連續(xù)生產(chǎn)案例。要結(jié)合月球的環(huán)境特性，創(chuàng)新工藝，使其環(huán)境成為提取資源的優(yōu)勢。

4）由于原料成分復(fù)雜，組成波動大，品位較低。因此，真空熱分解是提取月球礦產(chǎn)資源較為理想的工藝。