AvmystifiserendeHowZirkonium ogHafniumSutskillelseCanDrive aNewEra
Zirkonium og hafnium, "tvillingbrødrene" i det periodiske systemet, er et av de vanskeligste grunnstoffparene å skille på grunn av deres høye kjemiske likheter. Imidlertid er deres kjernefysiske egenskaper ganske forskjellige: zirkonium har et lite nøytronabsorpsjonstverrsnitt og er det valgte materialet for kjernereaktorkledning; Hafnium har derimot et stort nøytronabsorpsjonstverrsnitt og brukes som kontrollstav for atomreaktorer.
Separasjonsrenheten til disse "tvillingbrødrene" er direkte relatert til sikkerheten og effektiviteten til atomreaktorer. Blant dem må innholdet av hafnium i zirkoniumsvamp av atomkvalitet være mindre enn 0,01 %. Derfor har separasjonsteknologien for zirkonium og hafnium blitt nøkkelen til å oppnå høy-rente kjernefysiske-materialer, og det er også en uunnværlig kjerneteknologi i dagens{4} atomenergi- og høyteknologiske felt.
Utfordringer og behov, hvorfor separasjonen av zirkonium og hafnium så vanskelig?
Zirkonium og hafnium eksisterer alltid side om side i naturen, og deres kjemiske egenskaper er svært like. Dette er på grunn av lantanid-krympeeffekten som gjør at deres ioniske radier er nesten like, noe som gjør den kjemiske separasjonsmetoden vanskelig å fungere.
Imidlertid er deres kjernefysiske ytelse veldig forskjellig. Absorpsjonstverrsnittet av zirkonium for termiske nøytroner er bare 0,18 target en, mens det for hafnium er så høyt som 105 target en. Denne enorme forskjellen betyr at selv små mengder hafniumurenheter som er tilstede i zirkonium av kjernefysisk-kvalitet kan alvorlig påvirke driftseffektiviteten og sikkerheten til atomreaktorer.
For øyeblikket er de internasjonale kravene for zirkoniummaterialer av kjernefysisk-kvalitet ekstremt strenge, og hafniuminnholdet må være mindre enn 0,01 % (100 ppm). Denne strenge standarden gjør zirkonium- og hafnium-separasjonsteknologi til en sentral kjerneteknologi innen kjernefysisk industri, og den er også en viktig manifestasjon av et lands nye materialforsknings- og utviklingsevner.
1. Tradisjonelle metoder, omkrystallisering og ionebytte
Tidlig separasjon av zirkonium og hafnium var hovedsakelig avhengig av rekrystallisering og ionebyttemetoder. Rekrystalliseringsmetoden utnytter den lille forskjellen i løseligheten til K 2 ZrF og K 2 HfF i vandig løsning for separasjon.
Løseligheten til K 2 ZrF i vann ved 293 K er 0,0576 mol/L, mens løseligheten til K 2 HfF → er 0,083 mol/L, som er 1,45 ganger den av førstnevnte. Ved å kontrollere temperaturen for multippel krystallisering vil den lave-løseligheten K ₂ ZrF → krystallisere og utfelles først, og den høye-løseligheten K ₂ HfF → forblir i moderluten.
Denne metoden krever 16-18 omkrystallisering for å redusere hafniuminnholdet fra 0,5 %-2,0 % til under 0,01 %, noe som er ineffektivt og kostbart. Det tidligere Sovjetunionen brukte denne metoden for å produsere atomært zirkoniumoksid på 1950-tallet, som har blitt erstattet av mer avanserte metoder.
Ionebyttemetoden brukes til å skille zirkonium- og hafniumioner i henhold til de forskjellige adsorpsjonsevnene på harpiksen. Hydroksydet av zirkonium og hafnium ble oppløst med svovelsyre, og den opprinnelige løsningen ble renset og ført gjennom en utvekslingskolonne utstyrt med kationbytterharpiks.
Deretter desorberes det med svovelsyreløsninger av forskjellige konsentrasjoner, først desorberes zirkonium med en løsning som inneholder H ₂ SO → 0,5 mol/L, og deretter desorberes hafnium med en løsning som inneholder H 2 SO → 1 mol/L. Bare det tidligere Sovjetunionen brukte denne metoden for ytterligere å skille zirkonium og hafnium fra hafnium-rike materialer for å produsere hafniumoksid.
2. Moderne teknologi, den dominerende posisjonen til løsningsmiddelekstraksjonsteknologi
Løsemiddelekstraksjon har blitt den vanlige teknologien for separasjon av zirkonium og hafnium, og den fler-trinns mot-sentrifugalekstraksjonsprosessen representerer nivået på feltet.
· Fordeler med fler-trinns teller-strøm sentrifugalekstraksjon
Fler-trinns mot-utformingen realiserer den omvendte strømmen av ekstraksjonsmidlet og materialvæsken som inneholder zirkonium og hafnium gjennom en serie fler-sentrifugale ekstraksjonsenheter, som kan maksimere bruken av kapasiteten til ekstraksjonsmidlet, slik at zirkonium og hafnium kan fordeles betydelig gjentatte ganger mellom de to separasjonskoeffisientene.
Sentrifugalkraftfelteffektivitet er en annen fordel. Sentrifugalekstraktoren roterer med en høy hastighet på 3000-5000rpm, og super-gravitasjonsfeltet som genereres akselererer tofaseblandingen og delamineringen, forkorter masseoverføringsprosessen som er fullført i ekstraksjonstanken i flere timer til sekunder, emulgerer fenomenet og sikrer renhet.
· Innovasjon av utvinningssystem
Den kontinuerlige innovasjonen av utvinningssystemet har fremmet teknologisk fremgang. Tributylfosfat (TBP) er mye brukt på grunn av sin høye selektivitet overfor zirkonium, men det er lett å korrodere utstyr og emulgere ved høy surhet.
Den innovative løsningen introduserer et synergistisk ekstraksjonssystem (som TBP D2EHPA), som forbedrer distribusjonsforskjellen av zirkonium og hafnium gjennom koordinasjonskonkurransemekanismen, og separasjonskoeffisienten kan økes med 30%-50%.
DIBK-Cyanex923-systemet er et annet grønt alternativ. Resultatene viser at når surheten til den vandige fasen er 2,97 mol/L, kan separasjonskoeffisienten nå 37,1, som er høyere enn for MIBK-HSCN-systemet i USA (= 9-10), og tiocyanat, som er lett å dekomponere til giftige stoffer, er ikke nødvendig.
3. Nytt sentrifugalekstraksjonsutstyr for helkorrosive forsterkede materialer
ZKCQs nye høyeffektive-litiumbatteri kjemisk sentrifugalekstraksjonsmaskin er et nasjonalt standardutstyr med høy separasjonsfaktor og sterk stabilitet bygget av Zhongke New Energy basert på automasjonsteknologi og nye materialapplikasjoner. For sterk syre, sterk alkali og sterke etsende anledninger, kan utstyret lages av helkorrosive forsterkede materialer. Faselikevekten er kort, og den kan realisere fler-serier/kryss-strømekstraksjon og vasking, som er egnet for dyp ekstraksjon.
II. Utstyrsapplikasjon
Ny energi og nye materialer medisinsk kjemisk produksjon Finkjemikalier, ressursregenerering, hydrometallurgi, behandling, matforedling, bioingeniørutvinning og ulike råvaremellomprodukter produksjon/væske-væskeseparasjon: resirkulering av litiumbatterier/litiumutvinning i saltsjøer, etc.
Den er egnet for anledninger uten suspendert stoff, høye ekstraksjons- og separasjonsparametere, og området for fasestrømforhold er relativt bredt, og det indre hulrommet er fullstendig rengjort under påvirkning av sentrifugalkraft. Flytende materialer med forskjellig tetthet og viskositet kan justeres ved å endre overløpsplater og frekvenskonvertering; Realiser fler-ekstraksjonsseparasjon i sterk syre, sterk alkali og sterke korrosive anledninger.
4. Utsikter for søknader, fra kjernekraft til luftfart
Zirkonium- og hafniummaterialer med høy-renhet har brede bruksmuligheter i mange avanserte-områder. Innenfor kjernefysisk-klasse zirkoniumpreparering har en bedrift tatt i bruk en optimalisert prosess, og hafniuminnholdet i zirkoniumprodukter er redusert fra 0,5 % til mindre enn 10 ppm, noe som er fullt nødvendig for kjernefysiske reaktorbeleggmaterialer.
Luftfartsfeltet nyter også godt av dette. Strekkstyrken til hafniumlegering med høy-renhet har økt med 15 %, og høytemperaturmotstanden har overskredet 1600 grader, og har blitt kjernematerialet i rakettmotordyser.
Sanxiang New Materials (603663. SH) og andre foretak driver aktivt med forskning på «zirkonium-hafnium-separasjon»-teknologi, og planlegger å bruke zirkoniumoksyklorid som råmateriale for å utvikle høyverdi-kjernefysiske-zirkoniummaterialer av høy{{4} kvalitet og høy{{4} "zirkonium-hafniumseparasjonsteknologi". Strategisk layout.
Hafniummaterialet oppnådd ved "zirkonium-hafniumseparasjon" har blitt mye brukt innen kjernekraft, høy-temperaturlegeringer, halvledermaterialer med høy-k og andre felt.
