AfmystificerendeHåhZirconium ogHafniumSudskillelseCenDrive aNæjÆra
Zirconium og hafnium, "tvillingbrødrene" i det periodiske system, er et af de sværeste grundstofpar at adskille på grund af deres høje kemiske ligheder. Deres nukleare egenskaber er dog ret forskellige: zirconium har et lille neutronabsorptionstværsnit og er det foretrukne materiale til atomreaktorbeklædning; Hafnium har derimod et stort neutronabsorptionstværsnit og bruges som styrestang til atomreaktorer.
Adskillelsen af disse "tvillingbrødre" er direkte relateret til sikkerheden og effektiviteten af atomreaktorer. Blandt dem skal indholdet af hafnium i atomært zirconiumsvamp være mindre end 0,01 %. Derfor er separationsteknologien for zirconium og hafnium blevet nøglen til at opnå høj-rene nukleare-materialer, og det er også en uundværlig kerneteknologi inden for nutidens kerneenergi og højteknologiske{4} felter.
Udfordringer og behov, hvorfor adskillelsen af zirconium og hafnium så vanskelig?
Zirconium og hafnium eksisterer altid side om side i naturen, og deres kemiske egenskaber er meget ens. Dette skyldes lanthanid-krympningseffekten, der får deres ioniske radius til at være næsten ens, hvilket gør den kemiske separationsmetode vanskelig at arbejde.
Men deres nukleare ydeevne er meget anderledes. Absorptionstværsnittet af zirconium for termiske neutroner er kun 0,18 target en, mens det af hafnium er så højt som 105 target en. Denne enorme forskel betyder, at selv små mængder af hafniumurenheder, der er til stede i nuklear-zirconium, kan alvorligt påvirke driftseffektiviteten og sikkerheden af atomreaktorer.
På nuværende tidspunkt er de internationale krav til nukleare-zirconiummaterialer ekstremt strenge, og hafniumindholdet skal være mindre end 0,01 % (100 ppm). Denne strenge standard gør zirconium- og hafnium-separationsteknologi til en vigtig kerneteknologi inden for nuklear industri, og den er også en vigtig manifestation af et lands nye materialeforsknings- og udviklingsevner.
1. Traditionelle metoder, omkrystallisation og ionbytning
Tidlig adskillelse af zirconium og hafnium beroede hovedsageligt på omkrystallisation og ionbytningsmetoder. Omkrystallisationsmetoden udnytter den lille forskel i opløseligheden af K 2 ZrF og K 2 HfF i vandig opløsning til adskillelse.
Opløseligheden af K 2 ZrF i vand ved 293 K er 0,0576 mol/L, mens opløseligheden af K 2 HfF → er 0,083 mol/L, hvilket er 1,45 gange den af førstnævnte. Ved at kontrollere temperaturen for multipel krystallisation krystalliserer og udfælder den lave-opløselighed K ₂ ZrF → først, og den høje-opløselighed K ₂ HfF → forbliver i moderluden.
Denne metode kræver 16-18 omkrystallisation for at reducere hafniumindholdet fra 0,5 %-2,0 % til under 0,01 %, hvilket er ineffektivt og dyrt. Det tidligere Sovjetunionen brugte denne metode til at fremstille atomært zirconia i 1950'erne, som er blevet erstattet af mere avancerede metoder.
Ionbyttermetoden bruges til at adskille zirconium- og hafniumioner i henhold til de forskellige adsorptionsevner på harpiksen. Hydroxidet af zirconium og hafnium blev opløst med svovlsyre, og den oprindelige opløsning blev renset og ledt gennem en udvekslingssøjle udstyret med kationbytterharpiks.
Derefter desorberes det med svovlsyreopløsninger af forskellige koncentrationer, først desorberes zirconium med en opløsning indeholdende H 2 SO → 0,5 mol/L, og derefter desorberes hafnium med en opløsning indeholdende H 2 SO → 1 mol/L. Kun det tidligere Sovjetunionen brugte denne metode til yderligere at adskille zirconium og hafnium fra hafnium-rige materialer for at producere hafniumoxid.
2. Moderne teknologi, den dominerende stilling for opløsningsmiddelekstraktionsteknologi
Opløsningsmiddelekstraktion er blevet den almindelige teknologi til adskillelse af zirconium og hafnium, og multi-mod--strømmens centrifugalekstraktionsproces repræsenterer feltets niveau.
· Fordele ved fler-tæller-strømcentrifugalekstraktion
Multi-tæller--designet realiserer den omvendte strøm af ekstraktionsmidlet og materialevæsken indeholdende zirconium og hafnium gennem en række multi-trins centrifugale ekstraktionsenheder, som kan maksimere udnyttelsen af ekstraktionsmidlets kapacitet, således at zirconium og hafnium kan fordeles betydeligt gentagne gange mellem de to fasekoefficienter.
Centrifugalkraftfelteffektivitet er en anden fordel. Centrifugalekstraktoren roterer med en høj hastighed på 3000-5000rpm, og det genererede super-tyngdefelt accelererer den tofasede blanding og delaminering, hvilket forkorter masseoverførselsprocessen, der er afsluttet i ekstraktionstanken i flere timer til sekunder, hvilket emulgerer fænomenet og sikrer renhed.
· Innovation af udvindingssystem
Den kontinuerlige innovation af ekstraktionssystemet har fremmet teknologiske fremskridt. Tributylphosphat (TBP) er meget udbredt på grund af dets høje selektivitet over for zirconium, men det er let at korrodere udstyr og emulgere ved høj surhed.
Den innovative løsning introducerer et synergistisk ekstraktionssystem (såsom TBP D2EHPA), som øger fordelingsforskellen mellem zirconium og hafnium gennem koordinationskonkurrencemekanismen, og separationskoefficienten kan øges med 30%-50%.
DIBK-Cyanex923-systemet er en anden grøn mulighed. Resultaterne viser, at når surhedsgraden af den vandige fase er 2,97 mol/L, kan separationskoefficienten nå 37,1, hvilket er højere end MIBK-HSCN-systemet i USA (= 9-10), og thiocyanat, som er let at nedbryde til giftige stoffer, er ikke nødvendigt.
3. Nyt centrifugaludsugningsudstyr til fuldt korrosionsbeskyttende forstærkede materialer
ZKCQs nye højeffektive kemiske centrifugalekstraktionsmaskine for lithiumbatterier er et nationalt standardudstyr med høj separationsfaktor og stærk stabilitet bygget af Zhongke New Energy baseret på automationsteknologi og nye materialeapplikationer. Til stærk syre, stærk alkali og stærk ætsende lejligheder kan udstyret fremstilles af fuldt antikorrosive forstærkede materialer. Faseligevægten er kort, og den kan realisere multi-serier/kryds-strømsekstraktion og -vask, som er velegnet til dyb ekstraktion.
II. Anvendelse af udstyr
Ny energi og nye materialer medicinsk kemisk produktion Finkemikalier, ressourceregenerering, hydrometallurgi, behandling, fødevareforarbejdning, bioingeniørudvinding og forskellige råmateriale-mellemprodukter produktion/væske-væskeseparation: genbrug af lithiumbatterier/lithiumudvinding i saltsø osv.
Det er velegnet til lejligheder uden suspenderede faste stoffer, høje ekstraktions- og separationsparametre, og intervallet af faseflowforhold er relativt bredt, og det indre hulrum er fuldstændigt renset under påvirkning af centrifugalkraft. Flydende materialer med forskellig densitet og viskositet kan justeres ved at ændre overløbsplader og frekvensomdannelse; Realiser fler-ekstraktionsseparation i stærk syre, stærk alkali og stærkt ætsende lejligheder.
4. Udsigter for anvendelser, fra atomenergi til luftfart
Zirconium- og hafniummaterialer med høj-renhed har store muligheder for anvendelse i mange avancerede-områder. Inden for nuklear-zirconiumpræparation har en virksomhed vedtaget en optimeret proces, og hafniumindholdet i zirconiumprodukter er blevet reduceret fra 0,5 % til mindre end 10 ppm, hvilket er fuldt ud påkrævet til atomreaktorbelægningsmaterialer.
Det nyder luftfartsområdet også godt af. Trækstyrken af hafniumlegering med høj-renhed er steget med 15 %, og højtemperaturmodstanden har oversteget 1600 grader og er blevet kernematerialet i raketmotordyser.
Sanxiang New Materials (603663. SH) og andre virksomheder udfører aktivt "zirconium-hafnium separation" teknologisk forskning og planlægger at bruge zirconiumoxychlorid som råmateriale til at udvikle højværdi-tilført nukleare-zirconiummaterialer af høj{{4} kvalitet og høj{{4} "zirconium-hafnium separation" teknologi. Strategisk layout.
Hafniummaterialet opnået ved "zirconium-hafniumseparation" er blevet brugt i vid udstrækning inden for atomkraft, høj-temperaturlegeringer, halvledermaterialer med høj-k og andre områder.
