Egwyddor Technoleg Gwahanu Zirconium a Hafnium
Defnyddir zirconium a hafnium mewn gwahanol agweddau ar y diwydiant niwclear oherwydd eu gwahaniaethau sylweddol mewn ardaloedd trawsdoriadol amsugno niwtronau. Yn gyffredinol, mewn aloion zirconium-hafnium a ddefnyddir mewn adweithyddion atomig, mae'r ddau yn "gydrannau niweidiol" i'w gilydd. Er mwyn cynnal priodweddau niwclear aloion zirconiwm a hafniwm, cyflwynir rhai gofynion ar gyfer cynnwys aloion zirconium a hafnium, hynny yw, ni ddylai cynnwys hafniwm mewn zirconiwm fod yn uwch na 100 ppm, a chynnwys zirconium yn ni ddylai hafnium fod yn uwch na 2%. Mewn natur, mae zirconium a hafnium bob amser yn cael eu cynhyrchu gyda'i gilydd, ac nid oes zirconium na hafnium yn bodoli yn unig. Felly, mae gwahanu zirconium a hafnium wedi dod yn allweddol i baratoi zirconium gradd niwclear a hafniwm. Mewn diwydiant, mae llawer o arbenigwyr ac ysgolheigion yn olynol wedi cynnig gwahanol ddulliau ar gyfer gwahanu zirconium a hafnium, y gellir eu rhannu'n fras yn y ddau gategori canlynol: gwahanu pyro a gwahanu gwlyb.
1. Dull gwahanu pyro o zirconium a hafnium
Mae gwahanu pyro zirconium a hafnium hefyd wedi bod yn bwnc ymchwil pwysig gan ymchwilwyr gwyddonol mewn gwahanol wledydd. Yn ôl yr ystadegau, mae cymaint ag 16 math o wahaniad pyro o zirconium a hafnium, ymhlith y rhai mwyaf cynrychioliadol yw distyllu a lleihau dethol.
Dull distyllu
Mae'r dull distyllu yn seiliedig ar y ffaith bod gan rai cyfansoddion zirconium a hafnium, megis cloridau a chloridau cymhleth a gynhyrchir gan gloridau zirconium a hafnium a ffosfforws oxychloride, ferwbwyntiau gwahanol, a chyflawnir gwahaniad y ddau trwy ddistyllu. Gellir rhannu'r dull distyllu yn ddau gategori: dull ffracsiynu pwysedd uchel a dull distyllu halen tawdd. Ar hyn o bryd, dim ond dull distyllu halen tawdd sydd wedi'i gymhwyso'n llwyddiannus mewn cynhyrchu diwydiannol, a'r system distyllu halen tawdd a ddefnyddir fwyaf yw KCl-AlCl3 a NaCl-KCl. Mae'r dull hwn yn defnyddio'r gwahaniaeth mewn pwysedd anwedd o zirconium a hafnium tetracloridau mewn toddyddion fel (halen tawdd KAlK4) i'w gwahanu mewn tŵr distyllu.
Dull lleihau dewisol
Mae'r dull hwn yn seiliedig ar y ffaith, o dan rai amodau, bod zirconium tetrahalides yn cael eu lleihau'n ddetholus i drihalidau neu eu anghymesur â deuhalidau gan zirconium yn unig, tra nad yw hafnium tetrahalides yn cael ei leihau neu'n anaml, gan ehangu'r gwahaniaeth pwysedd anwedd rhwng zirconium a hafnium halidau, ac yna gan wahanu zirconium a hafnium oddi wrth ei gilydd trwy ddistylliad. Rhennir y broses yn bennaf yn dri cham. Yn y cam cyntaf, mae ZrCl4 yn cael adwaith lleihau ar 390-405 gradd o dan bwysau arferol; yn yr ail gam, mae adwaith anghymesur yn digwydd ar 420-450 gradd . Mae'r ddau gam uchod yn bennaf ar gyfer puro zirconiwm. Y trydydd cam yw puro hafnium. Ar ôl puro, mae'r cynnwys hafnium yn y deunydd crai yn cynyddu o 50% i 70%.
Mae gwahanu pyrometallurgical proses zirconium a hafnium yn defnyddio'n uniongyrchol zirconium tetraclorid a hafnium fel deunyddiau crai, y gellir eu cysylltu'n uniongyrchol â'r broses lleihau metel, gan ddileu'r broses gymhleth o weithrediad ysbeidiol o ddull pyrometallurgy a dŵr, a symleiddio llif y broses. Fodd bynnag, mae angen cynnal y dull hwn ar dymheredd uwch (350-500 gradd), sydd â gofynion uchel ar gyfer deunyddiau offer, ac mae gan y broses yr anfanteision o fod yn anodd puro amhureddau a buddsoddiad mawr yn llwyr, a dim ond addas ar gyfer mwyndoddwyr mawr.
2. Proses gwahanu gwlyb o zirconium a hafnium
Oherwydd y strwythur haen electron allanol tebyg a chrebachiad lanthanid, mae zirconium a hafnium yn debyg iawn mewn eiddo cemegol. Mae ganddyn nhw allu cymhlethu cryf gydag ocsigen, felly maen nhw'n hawdd iawn eu hydroleiddio a'u polymeru mewn hydoddiant dyfrllyd i ffurfio gwahanol fathau o gyfadeiladau, sydd hefyd yn cynyddu anhawster gwahanu zirconium a hafnium. Fodd bynnag, mae rhai gwahaniaethau bach hefyd mewn zirconium a hafnium mewn gwahanol gyfryngau. Yn seiliedig ar y gwahaniaethau bach hyn, mae ymchwilwyr domestig a thramor wedi cynnig cyfres o ddulliau gwahanu gwlyb ar gyfer zirconium a hafnium yn olynol. Yn ôl ei ddosbarthiad, gellir ei rannu'n bennaf yn y categorïau canlynol: echdynnu toddyddion, gwahanu arsugniad, gwahanu pilen, echdynnu micro-hydoddydd, echdynnu dau gam, crisialu ffracsiynol a dyddodiad, ymhlith y gwahaniad echdynnu toddyddion yw'r mwyaf cyffredin a astudiwyd. dull.
Mae echdynnu toddyddion, a elwir hefyd yn echdynnu hylif-hylif, yn ddull o wahanu a phuro hydoddion trwy ddefnyddio dosbarthiad gwahanol hydoddion mewn dau gyfnod hydoddiant anghymysgadwy neu rhannol gymysgadwy. Mae ganddo fanteision cyfaint cynhyrchu mawr, offer syml, awtomeiddio hawdd, gweithrediad diogel a chyflym, a chost isel, ac fe'i defnyddir yn eang wrth wahanu sylweddau. Dull echdynnu toddyddion Ers i Fisher ddefnyddio MIBK gyntaf i wahanu zirconium a hafnium mewn hydoddiant thiocyanate ym 1947, mae dull gwahanu echdynnu toddyddion wedi gwneud cynnydd a datblygiad hirdymor, ac mae gwahanol systemau echdynnu ac echdynwyr wedi'u datblygu'n olynol. Ar hyn o bryd, mae nifer o brosesau gwahanu toddyddion echdynnu toddyddion zirconium a hafnium cymharol aeddfed wedi'u datblygu'n olynol: system MIBK-HSCN, system TBP well a system TOA/N H2SO4.
System MIBK-HSCN
Mae'r dull MIBK-HSCN yn defnyddio'r gwahaniaeth yng ngallu cymhlethu Zr4+ a Hf4+ gydag ïonau SCN i echdynnu hafniwm yn ffafriol, ac mae zirconiwm yn parhau i fod yn y cyfnod dyfrllyd, gan felly gyflawni gwahaniad zirconium a hafniwm. Ers y 1970au, y dull MIBK fu'r broses gynhyrchu gwahanu zirconium a hafnium a ddefnyddir fwyaf yn y byd, a chynhyrchir bron i 1/3 o zirconiwm gradd niwclear a hafniwm y byd trwy'r dull hwn. Fodd bynnag, mae gan y dull MIBK rai anfanteision: (1) Mae gan MIBK hydoddedd uchel mewn dŵr (1.7%), gan arwain at golledion toddyddion mawr; (2) Mae dadelfennu amoniwm thiocyanate mewn dŵr gwastraff diwydiannol yn cynhyrchu hydrogen sylffid, mercaptans ac ïonau cyanid, sy'n niweidiol i'r amgylchedd; (3) Mae gan MIBK arogl penodol, sy'n gwneud amgylchedd y gweithdy gweithredu yn wael.
System TBP
Dyfeisiwyd y dull TBP yn wreiddiol gan y Ffrancwr JV Kerrigan. Ar ôl blynyddoedd o ymchwil a gwelliant parhaus gan ysgolheigion domestig a thramor, mae ei baramedrau proses ac amodau wedi newid yn fawr o'i gymharu ag o'r blaen. Ar hyn o bryd, defnyddir system asid cymysg TBP-HNO3-HCl yn bennaf mewn diwydiant. Mae'r system hon yn defnyddio tetraclorid zirconium yn uniongyrchol fel y deunydd crai ac yn ychwanegu asid nitrig i baratoi'n uniongyrchol ateb echdynnu asid nitrig-asid hydroclorig o zirconium (hafnium). Ar ôl y gwelliant, mae'r cyfernod gwahanu zirconium i hafnium wedi'i wella'n fawr, hyd at 30 ~ 40, a gellir cael zirconium deuocsid lefel atomig a hafniwm deuocsid ar yr un pryd ar ôl un echdynnu. Fodd bynnag, oherwydd asidedd uchel y system TBP, mae'n cyrydu'r offer yn ddifrifol ac mae'n hawdd ei emwlsio yn ystod echdynnu, sy'n effeithio'n uniongyrchol ar weithrediad arferol y gweithrediad echdynnu.
TOA/N235-H2SO4
Mae'r dull TOA yn broses wahanu zirconium a hafnium arall ar ôl y dull MIBK a'r dull TBP. Mae'r dull hwn yn defnyddio asid sylffwrig fel cyfrwng, yn tynnu zirconiwm yn ffafriol, a'r cyfernod gwahanu zirconium a hafniwm yw 8 ~ 10. Mae gan y dull TOA fanteision llygredd isel, deunyddiau ymbelydrol crynodedig, trin hawdd, a chostau buddsoddi isel, ond mae gallu echdynnu zirconium a hafnium yn fach ac nid yw'r cyfernod gwahanu yn uchel. Yn wyneb cyfyngiadau TOA, mae ymchwilwyr gwyddonol wedi cynnal cyfres o astudiaethau a gwelliannau ar y dull hwn.
Er y gall y prosesau uchod gyflawni gofynion gwahanu zirconium a hafnium, mae ganddynt rai anfanteision, megis hydoddedd dŵr uchel o MIBK, berwbwynt isel, colled toddyddion mawr, llygredd amgylcheddol difrifol, ac ati; Mae gan broses TBP cyrydiad difrifol i offer ac mae'n hawdd ei emwlsio, ac ati; Mae gan ddull TOA a dull N235 allu echdynnu bach a chyfernod gwahanu isel, sy'n cyfyngu ar eu cymhwysiad diwydiannol. Gwella prosesau traddodiadol a datblygu prosesau gwahanu zirconium a hafnium newydd gyda chyfernodau gwahanu uchel yw prif nodau ymchwil a chyfarwyddiadau datblygu dulliau gwahanu echdynnu toddyddion cyfredol.
