MenyahmistikanHowZirkonium danHafniumSpemisahanCanDrive aNewEra
Zirkonium dan hafnium, "saudara kembar" dalam jadual berkala, adalah salah satu pasangan unsur yang paling sukar untuk dipisahkan kerana persamaan kimianya yang tinggi. Walau bagaimanapun, sifat nuklearnya agak berbeza: zirkonium mempunyai keratan rentas serapan neutron yang kecil dan merupakan bahan pilihan untuk pelapisan reaktor nuklear; Hafnium pula mempunyai keratan rentas serapan neutron yang besar dan digunakan sebagai rod kawalan untuk reaktor nuklear.
Ketulenan pemisahan "saudara kembar" ini secara langsung berkaitan dengan keselamatan dan kecekapan reaktor nuklear. Antaranya, kandungan hafnium dalam span zirkonium gred atom mestilah kurang daripada 0.01% Oleh itu, teknologi pemisahan zirkonium dan hafnium telah menjadi kunci untuk mendapatkan bahan gred-nuklear-ketulenan tinggi, dan ia juga merupakan teknologi teras yang amat diperlukan dalam tenaga nuklear dan bidang- teknologi tinggi hari ini
Cabaran dan keperluan, mengapa pemisahan zirkonium dan hafnium begitu sukar?
Zirkonium dan hafnium sentiasa wujud bersama dalam alam semula jadi, dan sifat kimianya sangat serupa. Ini disebabkan oleh kesan pengecutan lantanida yang menyebabkan jejari ioniknya hampir sama, menyebabkan kaedah pengasingan kimia sukar untuk berfungsi.
Walau bagaimanapun, prestasi nuklear mereka sangat berbeza. Keratan rentas serapan zirkonium untuk neutron haba hanya 0.18 sasaran en, manakala hafnium adalah setinggi 105 sasaran en. Perbezaan besar ini bermakna walaupun sejumlah kecil kekotoran hafnium yang terdapat dalam zirkonium gred-nuklear boleh menjejaskan kecekapan operasi dan keselamatan reaktor nuklear dengan serius.
Pada masa ini, keperluan antarabangsa untuk bahan zirkonium gred-nuklear adalah sangat ketat dan kandungan hafnium mestilah kurang daripada 0.01% (100ppm). Piawaian ketat ini menjadikan teknologi pemisahan zirkonium dan hafnium sebagai teknologi teras utama dalam bidang industri nuklear, dan ia juga merupakan manifestasi penting keupayaan penyelidikan dan pembangunan bahan baharu sesebuah negara.
1. Kaedah Tradisional, Penghabluran Semula dan Pertukaran Ion
Pemisahan awal zirkonium dan hafnium terutamanya bergantung pada kaedah penghabluran semula dan pertukaran ion. Kaedah penghabluran semula menggunakan perbezaan kecil dalam keterlarutan K ₂ ZrF dan K ₂ HfF dalam larutan akueus untuk pengasingan.
Keterlarutan K ₂ ZrF dalam air pada 293 K ialah 0.0576 mol/L, manakala keterlarutan K ₂ HfF → ialah 0.083 mol/L, iaitu 1.45 kali ganda daripada yang pertama. Dengan mengawal suhu untuk pelbagai penghabluran, keterlarutan-rendah K ₂ ZrF → menghablur dan memendakan dahulu, dan keterlarutan-tinggi K ₂ HfF → kekal dalam minuman keras ibu.
Kaedah ini memerlukan 16-18 penghabluran semula untuk mengurangkan kandungan hafnium daripada 0.5%-2.0% kepada di bawah 0.01%, yang tidak cekap dan mahal. Bekas Kesatuan Soviet menggunakan kaedah ini untuk menghasilkan zirkonia gred atom pada tahun 1950-an, yang telah digantikan dengan kaedah yang lebih maju.
Kaedah pertukaran ion digunakan untuk memisahkan ion zirkonium dan hafnium mengikut keupayaan penjerapan yang berbeza pada resin. Hidroksida zirkonium dan hafnium telah dibubarkan dengan asid sulfurik, dan larutan asal telah ditulenkan dan melalui lajur pertukaran yang dilengkapi dengan resin pertukaran kation.
Kemudian ia dinyahserap dengan larutan asid sulfurik dengan kepekatan yang berbeza, zirkonium pertama dinyahserap dengan larutan yang mengandungi H ₂ SO → 0.5 mol/L, dan kemudian hafnium dinyahserap dengan larutan yang mengandungi H ₂ SO → 1 mol/L. Hanya bekas Kesatuan Soviet yang menggunakan kaedah ini untuk mengasingkan lagi zirkonium dan hafnium daripada bahan kaya-hafnium untuk menghasilkan hafnium oksida.
2. Teknologi moden, kedudukan dominan teknologi pengekstrakan pelarut
Pengekstrakan pelarut telah menjadi teknologi arus perdana untuk pengasingan zirkonium dan hafnium, dan proses pengekstrakan emparan semasa-pelbagai peringkat-mewakili tahap medan.
· Kelebihan pengekstrakan empar semasa berbilang-kaunter peringkat-
Reka bentuk semasa berbilang-pembilang peringkat-merealisasikan aliran songsang pengekstrak dan cecair bahan yang mengandungi zirkonium dan hafnium melalui satu siri-unit pengekstrakan emparan berbilang peringkat, yang boleh memaksimumkan penggunaan kapasiti pengekstrak, supaya zirkonium dan hafnium boleh diedarkan secara berulang kali, fasa yang ketara, dan diagihkan secara signifikan antara dua fasa secara serif.
Kecekapan medan daya sentrifugal adalah satu lagi kelebihan. Pengekstrak emparan berputar pada kelajuan tinggi 3000-5000rpm, dan medan graviti super-yang dijana mempercepatkan pencampuran dan penyahtempuran dua fasa, memendekkan proses pemindahan jisim yang diselesaikan dalam tangki pengekstrakan selama beberapa jam kepada saat, fenomena pengemulsi dan memastikan ketulenan dan kestabilan.
· Inovasi sistem pengekstrakan
Inovasi berterusan sistem pengekstrakan telah menggalakkan kemajuan teknologi. Tributyl phosphate (TBP) digunakan secara meluas kerana selektiviti tinggi kepada zirkonium, tetapi ia mudah menghakis peralatan dan mengemulsi pada keasidan yang tinggi.
Penyelesaian inovatif memperkenalkan sistem pengekstrakan sinergistik (seperti TBP D2EHPA), yang meningkatkan perbezaan pengedaran zirkonium dan hafnium melalui mekanisme persaingan penyelarasan, dan pekali pemisahan boleh ditingkatkan sebanyak 30% -50%.
Sistem DIBK-Cyanex923 ialah satu lagi pilihan hijau. Keputusan menunjukkan bahawa apabila keasidan fasa akueus ialah 2.97 mol/L, pekali pemisahan boleh mencapai 37.1, iaitu lebih tinggi daripada sistem MIBK-HSCN di Amerika Syarikat (=9-10), dan tiosianat, yang mudah terurai menjadi bahan toksik, tidak diperlukan.
3. Peralatan pengekstrakan emparan baharu untuk bahan bertetulang anticorrosive sepenuhnya
Mesin pengekstrakan kimia empar kimia bateri litium-tinggi baharu ZKCQ ialah peralatan standard kebangsaan dengan faktor pemisahan tinggi dan kestabilan kukuh yang dibina oleh Zhongke New Energy berdasarkan teknologi automasi dan aplikasi bahan baharu. Untuk asid kuat, alkali kuat dan keadaan menghakis yang kuat, peralatan boleh dibuat daripada bahan bertetulang anticorrosive sepenuhnya. Keseimbangan fasa adalah pendek, dan ia boleh merealisasikan pelbagai-siri/silang-aliran pengekstrakan dan pencucian, yang sesuai untuk pengekstrakan dalam.
II. Permohonan Peralatan
Tenaga baharu dan bahan baharu pengeluaran kimia perubatan Bahan kimia halus, penjanaan semula sumber, hidrometalurgi, rawatan, pemprosesan makanan, pengekstrakan biokejuruteraan dan pelbagai pengeluaran perantaraan bahan mentah/{0}}pemisahan cecair: kitar semula bateri litium/pengekstrak litium tasik garam, dsb.
Ia sesuai untuk keadaan tanpa pepejal terampai, parameter pengekstrakan dan pemisahan yang tinggi, dan julat nisbah aliran fasa agak luas, dan rongga dalam dibersihkan sepenuhnya di bawah tindakan daya emparan. Bahan cecair dengan ketumpatan dan kelikatan yang berbeza boleh diselaraskan dengan menukar plat empangan dan penukaran frekuensi; Realisasikan pengasingan-berbilang peringkat dalam asid kuat, alkali kuat dan keadaan menghakis yang kuat.
4. Prospek untuk permohonan, daripada tenaga Nuklear kepada Penerbangan
Bahan-zirkonium dan hafnium ketulenan tinggi mempunyai prospek aplikasi yang luas dalam banyak-medan tinggi. Dalam bidang penyediaan zirkonium gred-nuklear, sebuah perusahaan telah menggunakan proses yang dioptimumkan dan kandungan hafnium dalam produk zirkonium telah dikurangkan daripada 0.5% kepada kurang daripada 10ppm, yang diperlukan sepenuhnya untuk bahan salutan reaktor nuklear.
Bidang penerbangan juga mendapat manfaat daripada ini. Kekuatan tegangan aloi hafnium-ketulenan tinggi telah meningkat sebanyak 15%, dan rintangan suhu tinggi telah melebihi 1600 darjah, menjadi bahan teras muncung enjin roket.
Sanxiang New Materials (603663. SH) dan perusahaan lain sedang giat menjalankan penyelidikan teknologi "zirkonium-hafnium separation", dan merancang untuk menggunakan zirkonium oxychloride sebagai bahan mentah untuk membangunkan nilai tinggi-nuklear-gred bahan zirkonium dan{4}}tinggi{4}}teknologi ketulenan hafnium. Susun atur strategik.
Bahan hafnium yang diperolehi oleh "zirkonium-pemisahan hafnium" telah digunakan secara meluas dalam kuasa nuklear, aloi-suhu tinggi, bahan semikonduktor Tinggi-k dan medan lain.
