DemistificējošsHakZirkonija unHafniumSatdalīšanaCanDrievot aNewLaikmets
Cirkonijs un hafnijs, "dvīņu brāļi" periodiskajā tabulā, ir viens no visgrūtāk atdalāmajiem elementu pāriem, jo tiem ir liela ķīmiskā līdzība. Tomēr to kodolīpašības ir diezgan atšķirīgas: cirkonim ir mazs neitronu absorbcijas šķērsgriezums, un tas ir izvēles materiāls kodolreaktora apšuvumam; Savukārt hafnijam ir liels neitronu absorbcijas šķērsgriezums, un to izmanto kā kodolreaktoru vadības stieni.
Šo "dvīņu brāļu" atdalīšanas tīrība ir tieši saistīta ar kodolreaktoru drošību un efektivitāti. Tostarp hafnija saturam atomu klases cirkonija sūklī jābūt mazākam par 0,01 %. Tāpēc cirkonija un hafnija atdalīšanas tehnoloģija ir kļuvusi par atslēgu augstas -tīrības kodol-materiālu iegūšanai, un tā ir arī neaizstājama pamattehnoloģija mūsdienu kodolenerģijas un augsto tehnoloģiju jomās{{4}.
Izaicinājumi un vajadzības, kāpēc cirkonija un hafnija atdalīšana ir tik sarežģīta?
Dabā cirkonijs un hafnijs vienmēr pastāv līdzās, un to ķīmiskās īpašības ir ļoti līdzīgas. Tas ir saistīts ar lantanīda saraušanās efektu, kura dēļ to jonu rādiuss ir gandrīz vienāds, tādējādi apgrūtinot ķīmiskās atdalīšanas metodes darbību.
Tomēr to kodolenerģijas rādītāji ir ļoti atšķirīgi. Cirkonija absorbcijas šķērsgriezums termiskajiem neitroniem ir tikai 0,18 mērķa en, savukārt hafnija absorbcijas šķērsgriezums ir 105 mērķa en. Šī milzīgā atšķirība nozīmē, ka pat neliels daudzums hafnija piemaisījumu, kas atrodas kodol-cirkonijā, var nopietni ietekmēt kodolreaktoru darbības efektivitāti un drošību.
Pašlaik starptautiskās prasības kodol{0}}cirkonija materiāliem ir ārkārtīgi stingras, un hafnija saturam ir jābūt mazākam par 0,01% (100 ppm). Šis stingrais standarts padara cirkonija un hafnija atdalīšanas tehnoloģiju par galveno kodoltehnoloģiju kodolrūpniecības jomā, un tā ir arī svarīga valsts jauno materiālu pētniecības un attīstības spēju izpausme.
1. Tradicionālās metodes, pārkristalizācija un jonu apmaiņa
Cirkonija un hafnija agrīna atdalīšana galvenokārt balstījās uz pārkristalizācijas un jonu apmaiņas metodēm. Rekristalizācijas metode atdalīšanai izmanto nelielo atšķirību K ₂ ZrF un K ₂ HfF šķīdībā ūdens šķīdumā.
K ₂ ZrF šķīdība ūdenī 293 K temperatūrā ir 0,0576 mol/L, savukārt K ₂ HfF → šķīdība ir 0,083 mol/L, kas ir 1,45 reizes lielāka nekā pirmajam. Kontrolējot temperatūru daudzkārtējai kristalizācijai, zemā -šķīdība K ₂ ZrF → vispirms kristalizējas un izgulsnējas, un augstā -šķīdība K ₂ HfF → paliek mātes šķidrumā.
Šai metodei nepieciešama 16-18 pārkristalizācija, lai samazinātu hafnija saturu no 0,5–2,0% līdz 0,01%, kas ir neefektīva un dārga. Bijusī Padomju Savienība izmantoja šo metodi, lai ražotu atomu cirkonija oksīdu 1950. gados, kas tika aizstāts ar modernākām metodēm.
Jonu apmaiņas metodi izmanto, lai atdalītu cirkonija un hafnija jonus atbilstoši dažādajai adsorbcijas spējai uz sveķiem. Cirkonija un hafnija hidroksīds tika izšķīdināts ar sērskābi, un sākotnējais šķīdums tika attīrīts un izvadīts caur apmaiņas kolonnu, kas aprīkota ar katjonu apmaiņas sveķiem.
Pēc tam to desorbē ar dažādu koncentrāciju sērskābes šķīdumiem, vispirms cirkoniju desorbē ar šķīdumu, kas satur H ₂ SO → 0,5 mol/L, un pēc tam hafniju desorbē ar šķīdumu, kas satur H 2 SO → 1 mol/L. Tikai bijusī Padomju Savienība izmantoja šo metodi, lai tālāk atdalītu cirkoniju un hafniju no materiāliem, kas bagāti ar hafniju, iegūstot hafnija oksīdu.
2. Mūsdienu tehnoloģijas, šķīdinātāju ekstrakcijas tehnoloģijas dominējošais stāvoklis
Šķīdinātāja ekstrakcija ir kļuvusi par galveno tehnoloģiju cirkonija un hafnija atdalīšanai, un daudzpakāpju skaitītāja-centrbēdzes ekstrakcijas process atspoguļo lauka līmeni.
· Daudzpakāpju-pretstrāvas-centrbēdzes ekstrakcijas priekšrocības
Daudzpakāpju skaitītāja-konstrukcija nodrošina ekstrakcijas un materiāla šķidruma, kas satur cirkoniju un hafniju, apgriezto plūsmu caur vairāku-pakāpju centrbēdzes ekstrakcijas vienībām, kas var maksimāli izmantot ekstrakcijas jaudu, tādējādi cirkoniju un hafniju var atkārtoti sadalīt, efektīvi sadalīt starp divām atdalīšanas fāzēm.
Centrbēdzes spēka lauka efektivitāte ir vēl viena priekšrocība. Centrbēdzes ekstraktors griežas ar lielu ātrumu 3000-5000 apgr./min, un radītais super-gravitācijas lauks paātrina divfāžu sajaukšanos un atslāņošanos, saīsinot masas pārnešanas procesu, kas tiek pabeigts ekstrakcijas tvertnē no vairākām stundām līdz sekundēm, emulģējot un nodrošinot tīrību un stabilitāti.
· Ieguves sistēmas jauninājumi
Nepārtraukta ieguves sistēmas inovācija ir veicinājusi tehnoloģisko progresu. Tributilfosfāts (TBP) tiek plaši izmantots, jo tam ir augsta selektivitāte pret cirkoniju, taču to ir viegli korodēt un emulģēt pie augsta skābuma.
Novatoriskais risinājums ievieš sinerģisku ekstrakcijas sistēmu (piemēram, TBP D2EHPA), kas uzlabo cirkonija un hafnija sadalījuma atšķirību, izmantojot koordinācijas konkurences mehānismu, un atdalīšanas koeficientu var palielināt par 30%-50%.
DIBK{0}}Cyanex923 sistēma ir vēl viena zaļa iespēja. Rezultāti liecina, ka, ja ūdens fāzes skābums ir 2,97 mol/L, atdalīšanas koeficients var sasniegt 37,1, kas ir augstāks nekā MIBK-HSCN sistēmā Amerikas Savienotajās Valstīs (= 9-10), un tiocianāts, kas viegli sadalās toksiskās vielās, nav nepieciešams.
3. Jaunas centrbēdzes ekstrakcijas iekārtas pilnībā pretkorozijas pastiprinātiem materiāliem
ZKCQ jaunā augstas {0}efektivitātes litija akumulatoru ķīmiskās centrbēdzes ekstrakcijas iekārta ir valsts standarta aprīkojums ar augstu atdalīšanas koeficientu un spēcīgu stabilitāti, ko izstrādājusi Zhongke New Energy, pamatojoties uz automatizācijas tehnoloģiju un jauniem materiāliem. Spēcīgām skābēm, stipriem sārmiem un spēcīgiem kodīgiem gadījumiem iekārtu var izgatavot no pilnībā pretkorozijas pastiprinātiem materiāliem. Fāzes līdzsvars ir īss, un tas var realizēt vairāku-pakāpju sēriju/šķērsplūsmas- ekstrakciju un mazgāšanu, kas ir piemērota dziļai ekstrakcijai.
II. Aprīkojuma pielietojums
Jaunas enerģijas un jaunu materiālu medicīniskā ķīmiskā ražošana Smalkās ķimikālijas, resursu reģenerācija, hidrometalurģija, apstrāde, pārtikas pārstrāde, bioinženieru ieguve un dažādu izejvielu starpproduktu ražošana/šķidruma{0}}šķidruma atdalīšana: litija bateriju pārstrāde/litija ekstrakcija sāls ezerā utt.
Tas ir piemērots gadījumiem, kad nav suspendētu cietvielu, augsti ekstrakcijas un atdalīšanas parametri, un fāzes plūsmas attiecības diapazons ir salīdzinoši plašs, un iekšējais dobums tiek pilnībā iztīrīts centrbēdzes spēka iedarbībā. Šķidrus materiālus ar dažādu blīvumu un viskozitāti var regulēt, mainot aizsprostu plāksnes un frekvences pārveidošanu; Veiciet vairāku-pakāpju ekstrakcijas atdalīšanu stiprā skābē, stiprā sārmā un stipros kodīgos gadījumos.
4. Lietojuma perspektīvas no kodolenerģijas līdz aviācijai
Augstas-tīrības cirkonija un hafnija materiāliem ir plašas pielietojuma perspektīvas daudzās augstas kvalitātes{1}}nozarēs. Kodol-cirkonija sagatavošanas jomā uzņēmums ir pieņēmis optimizētu procesu, un hafnija saturs cirkonija produktos ir samazināts no 0,5% līdz mazāk nekā 10 ppm, kas pilnībā nepieciešams kodolreaktoru pārklājuma materiāliem.
No tā gūst labumu arī aviācijas joma. Augstas-tīrības hafnija sakausējuma stiepes izturība ir palielinājusies par 15%, un izturība pret augstu temperatūru ir pārsniegusi 1600 grādus, kļūstot par raķešu dzinēju sprauslu pamatmateriālu.
Sanxiang New Materials (603663. SH) un citi uzņēmumi aktīvi veic "cirkonija-hafnija atdalīšanas" tehnoloģijas izpēti un plāno izmantot cirkonija oksihlorīdu kā izejvielu, lai izstrādātu augstvērtīgus -pievienotus kodola klases cirkonija materiālus un augstas -atdalīšanas hafnija{5}hafnija{5}hafnija materiālus. tehnoloģija. Stratēģiskais izkārtojums.
Hafnija materiāls, kas iegūts ar "cirkonija-hafnija atdalīšanu", ir plaši izmantots kodolenerģētikā, augstas-temperatūras sakausējumos, pusvadītāju augstas{2}k{2}k materiālos un citās jomās.
