ΑπομυθοποιητικόHωZιρκονίου καιHάφνιοSαπομάκρυνσηCέναDποταμός αNewΕποχή
Το ζιρκόνιο και το άφνιο, τα «δίδυμα αδέρφια» στον περιοδικό πίνακα, είναι ένα από τα πιο δύσκολα ζεύγη στοιχείων που χωρίζονται λόγω των υψηλών χημικών ομοιοτήτων τους. Ωστόσο, οι πυρηνικές τους ιδιότητες είναι αρκετά διαφορετικές: το ζιρκόνιο έχει μικρή διατομή απορρόφησης νετρονίων και είναι το υλικό επιλογής για την επένδυση πυρηνικών αντιδραστήρων. Το άφνιο, από την άλλη πλευρά, έχει μεγάλη διατομή απορρόφησης νετρονίων και χρησιμοποιείται ως ράβδος ελέγχου για πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Η καθαρότητα διαχωρισμού αυτών των «δίδυμων αδερφών» σχετίζεται άμεσα με την ασφάλεια και την αποτελεσματικότητα των πυρηνικών αντιδραστήρων. Μεταξύ αυτών, η περιεκτικότητα σε άφνιο στο σφουγγάρι ζιρκονίου ατομικής ποιότητας πρέπει να είναι μικρότερη από 0,01%, επομένως, η τεχνολογία διαχωρισμού ζιρκονίου και αφνίου έχει γίνει το κλειδί για την απόκτηση υλικών υψηλής-καθαρότητας πυρηνικών-και είναι επίσης μια απαραίτητη βασική τεχνολογία στον σημερινό τομέα της πυρηνικής ενέργειας και υψηλής τεχνολογίας{4}.
Προκλήσεις και ανάγκες, γιατί ο διαχωρισμός ζιρκονίου και αφνίου τόσο δύσκολος;
Το ζιρκόνιο και το άφνιο συνυπάρχουν πάντα στη φύση και οι χημικές τους ιδιότητες είναι πολύ παρόμοιες. Αυτό οφείλεται στο φαινόμενο συρρίκνωσης της λανθανίδης που κάνει τις ιοντικές ακτίνες τους να είναι σχεδόν οι ίδιες, καθιστώντας δύσκολη τη λειτουργία της μεθόδου χημικού διαχωρισμού.
Ωστόσο, η πυρηνική τους απόδοση είναι πολύ διαφορετική. Η διατομή απορρόφησης του ζιρκονίου για τα θερμικά νετρόνια είναι μόνο 0,18 στόχος en, ενώ αυτή του αφνίου είναι τόσο υψηλή όσο 105 στόχος en. Αυτή η τεράστια διαφορά σημαίνει ότι ακόμη και μικρές ποσότητες ακαθαρσιών αφνίου που υπάρχουν στο ζιρκόνιο πυρηνικής-βαθμίδας μπορούν να επηρεάσουν σοβαρά τη λειτουργική απόδοση και την ασφάλεια των πυρηνικών αντιδραστήρων.
Επί του παρόντος, οι διεθνείς απαιτήσεις για υλικά πυρηνικής-ποιότητας ζιρκονίου είναι εξαιρετικά αυστηρές και η περιεκτικότητα σε άφνιο πρέπει να είναι μικρότερη από 0,01% (100 ppm). Αυτό το αυστηρό πρότυπο καθιστά την τεχνολογία διαχωρισμού ζιρκονίου και αφνίου βασική τεχνολογία στον τομέα της πυρηνικής βιομηχανίας και αποτελεί επίσης σημαντική εκδήλωση των νέων δυνατοτήτων έρευνας και ανάπτυξης υλικών μιας χώρας.
1. Παραδοσιακές μέθοδοι, ανακρυστάλλωση και ανταλλαγή ιόντων
Ο πρώιμος διαχωρισμός του ζιρκονίου και του αφνίου βασίστηκε κυρίως σε μεθόδους ανακρυστάλλωσης και ανταλλαγής ιόντων. Η μέθοδος ανακρυστάλλωσης χρησιμοποιεί τη μικρή διαφορά στη διαλυτότητα των K2ZrF και K2HfF σε υδατικό διάλυμα για διαχωρισμό.
Η διαλυτότητα του K2ZrF στο νερό στους 293 K είναι 0,0576 mol/L, ενώ η διαλυτότητα του K2HfF→ είναι 0,083 mol/L, που είναι 1,45 φορές μεγαλύτερη από αυτή του πρώτου. Με τον έλεγχο της θερμοκρασίας για πολλαπλή κρυστάλλωση, η χαμηλής-διαλυτότητας K2ZrF → κρυσταλλώνεται και καθιζάνει πρώτα και η υψηλή-διαλυτότητα K2HfF → παραμένει στο μητρικό υγρό.
Αυτή η μέθοδος απαιτεί ανακρυστάλλωση 16-18 για να μειωθεί η περιεκτικότητα σε άφνιο από 0,5%-2,0% σε κάτω από 0,01%, η οποία είναι αναποτελεσματική και δαπανηρή. Η πρώην Σοβιετική Ένωση χρησιμοποίησε αυτή τη μέθοδο για την παραγωγή ζιρκονίας ατομικής ποιότητας στη δεκαετία του 1950, η οποία έχει αντικατασταθεί από πιο προηγμένες μεθόδους.
Η μέθοδος ανταλλαγής ιόντων χρησιμοποιείται για τον διαχωρισμό των ιόντων ζιρκονίου και αφνίου σύμφωνα με τη διαφορετική ικανότητα προσρόφησης στη ρητίνη. Το υδροξείδιο του ζιρκονίου και του αφνίου διαλύθηκε με θειικό οξύ, και το αρχικό διάλυμα καθαρίστηκε και πέρασε μέσω μιας στήλης ανταλλαγής εξοπλισμένης με ρητίνη ανταλλαγής κατιόντων.
Στη συνέχεια εκροφάται με διαλύματα θειικού οξέος διαφορετικών συγκεντρώσεων, πρώτα το ζιρκόνιο εκροφάται με ένα διάλυμα που περιέχει H2SO → 0,5 mol/L, και στη συνέχεια το άφνιο εκροφάται με ένα διάλυμα που περιέχει H2SO → 1 mol/L. Μόνο η πρώην Σοβιετική Ένωση χρησιμοποίησε αυτήν τη μέθοδο για να διαχωρίσει περαιτέρω το ζιρκόνιο και το άφνιο από υλικά πλούσια σε άφνιο-για την παραγωγή οξειδίου του άφνιο.
2. Σύγχρονη τεχνολογία, η κυρίαρχη θέση της τεχνολογίας εξαγωγής διαλυτών
Η εκχύλιση με διαλύτη έχει γίνει η κύρια τεχνολογία για το διαχωρισμό του ζιρκονίου και του αφνίου και η διαδικασία φυγοκεντρικής εκχύλισης πολλαπλών σταδίων αντιπροσωπεύει το επίπεδο του πεδίου.
· Πλεονεκτήματα της φυγοκεντρικής εξαγωγής πολλαπλών-σταδίων-
Ο σχεδιασμός του μετρητή πολλαπλών σταδίων-πραγματοποιεί την αντίστροφη ροή του εκχυλιστή και του υγρού υλικού που περιέχει ζιρκόνιο και άφνιο μέσω μιας σειράς φυγόκεντρων μονάδων εξαγωγής πολλαπλών- σταδίων, οι οποίες μπορούν να μεγιστοποιήσουν τη χρήση της χωρητικότητας του εκχυλιστή, έτσι ώστε το ζιρκόνιο και το άφνιο να κατανέμονται σημαντικά μεταξύ δύο φάσεων και άφνιο. βελτιωμένη.
Η αποτελεσματικότητα του πεδίου φυγόκεντρης δύναμης είναι ένα άλλο πλεονέκτημα. Ο φυγοκεντρικός εξαγωγέας περιστρέφεται με υψηλή ταχύτητα 3000-5000 rpm και το υπερ-βαρυτικό πεδίο που δημιουργείται επιταχύνει τη διφασική ανάμιξη και την αποκόλληση, συντομεύοντας τη διαδικασία μεταφοράς μάζας που ολοκληρώθηκε στη δεξαμενή εκχύλισης για αρκετές ώρες σε δευτερόλεπτα, φαινόμενο γαλακτωματοποίησης και σταθερότητα.
· Καινοτομία συστήματος εξόρυξης
Η συνεχής καινοτομία του συστήματος εξόρυξης έχει προωθήσει την τεχνολογική πρόοδο. Ο φωσφορικός τριβουτυλεστέρας (TBP) χρησιμοποιείται ευρέως λόγω της υψηλής εκλεκτικότητάς του στο ζιρκόνιο, αλλά είναι εύκολο να διαβρωθεί ο εξοπλισμός και να γαλακτωματοποιηθεί σε υψηλή οξύτητα.
Η καινοτόμος λύση εισάγει ένα συνεργιστικό σύστημα εξαγωγής (όπως το TBP D2EHPA), το οποίο ενισχύει τη διαφορά κατανομής του ζιρκονίου και του αφνίου μέσω του μηχανισμού συντονισμού ανταγωνισμού και ο συντελεστής διαχωρισμού μπορεί να αυξηθεί κατά 30%-50%.
Το σύστημα DIBK-Cyanex923 είναι μια άλλη πράσινη επιλογή. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν η οξύτητα της υδατικής φάσης είναι 2,97 mol/L, ο συντελεστής διαχωρισμού μπορεί να φτάσει το 37,1, που είναι υψηλότερος από αυτόν του συστήματος MIBK-HSCN στις Ηνωμένες Πολιτείες (= 9-10) και δεν χρειάζεται θειοκυανικό, το οποίο αποσυντίθεται εύκολα σε τοξικές ουσίες.
3. Νέος εξοπλισμός φυγοκεντρικής εξαγωγής για πλήρως αντιδιαβρωτικά ενισχυμένα υλικά
Η νέα φυγοκεντρική μηχανή χημικής εξαγωγής μπαταριών λιθίου υψηλής-της ZKCQ είναι ένας εξοπλισμός εθνικού προτύπου με υψηλό συντελεστή διαχωρισμού και ισχυρή σταθερότητα που κατασκευάστηκε από την Zhongke New Energy με βάση την τεχνολογία αυτοματισμού και τις νέες εφαρμογές υλικών. Για ισχυρά οξέα, ισχυρά αλκάλια και ισχυρές διαβρωτικές περιπτώσεις, ο εξοπλισμός μπορεί να κατασκευαστεί από πλήρως αντιδιαβρωτικά ενισχυμένα υλικά. Η ισορροπία φάσης είναι σύντομη και μπορεί να πραγματοποιήσει εξαγωγή και πλύση πολλαπλών-σειρών/διασταυρούμενης ροής-πολλαπλών σταδίων, η οποία είναι κατάλληλη για βαθιά εξαγωγή.
II. Εφαρμογή Εξοπλισμού
Παραγωγή ιατρικών χημικών νέας ενέργειας και νέων υλικών Λεπτά χημικά προϊόντα, αναγέννηση πόρων, υδρομεταλλουργία, επεξεργασία, επεξεργασία τροφίμων, εξόρυξη βιομηχανικής και διάφορα ενδιάμεσα πρώτης ύλης παραγωγή/υγρό-διαχωρισμός υγρών: ανακύκλωση μπαταριών λιθίου/εξαγωγή λιθίου αλμυρού κ.λπ.
Είναι κατάλληλο για περιπτώσεις χωρίς αιωρούμενα στερεά, υψηλές παραμέτρους εκχύλισης και διαχωρισμού και το εύρος της αναλογίας ροής φάσης είναι σχετικά ευρύ και η εσωτερική κοιλότητα καθαρίζεται πλήρως υπό τη δράση της φυγόκεντρης δύναμης. Τα υγρά υλικά με διαφορετική πυκνότητα και ιξώδες μπορούν να ρυθμιστούν αλλάζοντας τις πλάκες φράγματος και τη μετατροπή συχνότητας. Πραγματοποιήστε τον διαχωρισμό εκχύλισης πολλαπλών-σταδίων σε περιπτώσεις ισχυρού οξέος, ισχυρών αλκαλίων και ισχυρών διαβρωτικών περιπτώσεων.
4. Προοπτικές εφαρμογών, από την Πυρηνική ενέργεια μέχρι την Αεροπορία
Υλικά ζιρκονίου και αφνίου υψηλής-καθαρότητας έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής σε πολλά πεδία υψηλών-τελών. Στον τομέα της παρασκευής ζιρκονίου πυρηνικής-ποιότητας, μια επιχείρηση υιοθέτησε μια βελτιστοποιημένη διαδικασία και η περιεκτικότητα σε άφνιο στα προϊόντα ζιρκονίου μειώθηκε από 0,5% σε λιγότερο από 10 ppm, που απαιτείται πλήρως για υλικά επικάλυψης πυρηνικών αντιδραστήρων.
Ο τομέας των αερομεταφορών επωφελείται επίσης από αυτό. Η αντοχή σε εφελκυσμό του κράματος αφνίου υψηλής{1}καθαρότητας έχει αυξηθεί κατά 15% και η αντίσταση σε υψηλή θερμοκρασία έχει ξεπεράσει τους 1600 βαθμούς, καθιστώντας το βασικό υλικό των ακροφυσίων του πυραυλοκινητήρα.
Η Sanxiang New Materials (603663. SH) και άλλες επιχειρήσεις διεξάγουν ενεργά έρευνα τεχνολογίας "ζιρκονίου-διαχωρισμού αφνίου" και σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν οξυχλωριούχο ζιρκόνιο ως πρώτη ύλη για την ανάπτυξη-πυρηνικής προστιθέμενης αξίας-υλικών ζιρκονίου υψηλής ποιότητας και υψηλής ποιότητας{4}} τεχνολογία "ζιρκονίου-διαχωρισμού αφνίου". Στρατηγική διάταξη.
Το υλικό άφνιο που λαμβάνεται με "διαχωρισμό ζιρκόνιου-χαφνίου" έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην πυρηνική ενέργεια, σε κράματα υψηλής-θερμοκρασίας, σε υλικά ημιαγωγών υψηλής-k και σε άλλους τομείς.
