ابهام زدایی که چگونه جداسازی زیرکونیوم و هافنیوم می تواند عصر جدیدی را رقم بزند

زیرکونیوم و هافنیوم، «برادران دوقلو» در جدول تناوبی، به دلیل شباهت‌های شیمیایی زیاد، یکی از سخت‌ترین جفت‌های عنصر برای جداسازی هستند. با این حال، خواص هسته ای آنها کاملاً متفاوت است: زیرکونیوم دارای سطح مقطع جذب نوترون کوچک است و ماده انتخابی برای روکش راکتورهای هسته ای است. از سوی دیگر، هافنیوم دارای سطح مقطع جذب نوترون بزرگ است و به عنوان میله کنترل راکتورهای هسته ای استفاده می شود.

خلوص جداسازی این "برادران دوقلو" ارتباط مستقیمی با ایمنی و کارایی راکتورهای هسته ای دارد. در این میان، محتوای هافنیوم در اسفنج زیرکونیوم درجه اتمی باید کمتر از 0.01 درصد باشد، بنابراین، فناوری جداسازی زیرکونیوم و هافنیوم کلیدی برای دستیابی به مواد هسته‌ای با درجه-خلوص بالا- و همچنین یک فناوری هسته‌ای ضروری در انرژی و فناوری هسته‌ای امروزی است{4}.

چالش ها و نیازها، چرا جداسازی زیرکونیوم و هافنیوم اینقدر دشوار است؟

زیرکونیوم و هافنیوم همیشه در طبیعت وجود دارند و خواص شیمیایی آنها بسیار مشابه است. این به دلیل اثر انقباض لانتانید است که باعث می شود شعاع یونی آنها تقریباً یکسان باشد و کار روش جداسازی شیمیایی را دشوار می کند.

با این حال، عملکرد هسته ای آنها بسیار متفاوت است. سطح مقطع جذب زیرکونیوم برای نوترون های حرارتی فقط 0.18 هدف است، در حالی که سطح جذب هافنیوم به اندازه 105 هدف است. این تفاوت بزرگ به این معنی است که حتی مقادیر کمی از ناخالصی‌های هافنیوم موجود در زیرکونیوم هسته‌ای-می‌تواند به طور جدی بر راندمان عملیاتی و ایمنی راکتورهای هسته‌ای تأثیر بگذارد.

در حال حاضر، الزامات بین‌المللی برای مواد زیرکونیوم هسته‌ای-بسیار سخت‌گیرانه است و محتوای هافنیوم باید کمتر از ۰٫۰۱٪ (۱۰۰ppm) باشد. این استاندارد سخت‌گیرانه، فناوری جداسازی زیرکونیوم و هافنیوم را به یک فناوری اصلی در زمینه صنعت هسته‌ای تبدیل می‌کند و همچنین جلوه مهمی از قابلیت‌های تحقیق و توسعه مواد جدید یک کشور است.

1. روش های سنتی، تبلور مجدد و تبادل یون

جداسازی اولیه زیرکونیوم و هافنیوم عمدتاً به روش‌های تبلور مجدد و تبادل یونی متکی بود. روش تبلور مجدد از تفاوت کوچک در حلالیت K2ZrF و K2HfF در محلول آبی برای جداسازی استفاده می کند.

حلالیت K2 ZrF در آب در 293 K 0.0576 mol/L است، در حالی که حلالیت K2 HfF → 0.083 mol/L است که 1.45 برابر اولی است. با کنترل دما برای تبلور چندگانه، حلالیت کم-K2ZrF → ابتدا متبلور شده و رسوب می‌کند، و K2HfF → با حلالیت بالا در مشروب مادر باقی می‌ماند.

این روش به 16{5}}18 تبلور مجدد نیاز دارد تا محتوای هافنیوم را از 0.5٪ -2.0٪ به زیر 0.01٪ کاهش دهد که ناکارآمد و پرهزینه است. اتحاد جماهیر شوروی سابق از این روش برای تولید زیرکونیا با درجه اتمی در دهه 1950 استفاده کرد که با روش های پیشرفته تری جایگزین شده است.

روش تبادل یونی برای جداسازی یون های زیرکونیوم و هافنیوم با توجه به توانایی جذب متفاوت روی رزین استفاده می شود. هیدروکسید زیرکونیوم و هافنیوم با اسید سولفوریک حل شد و محلول اولیه خالص شد و از یک ستون مبادله مجهز به رزین تبادل کاتیونی عبور داده شد.

سپس با محلول‌های اسید سولفوریک با غلظت‌های مختلف واجذب می‌شود، ابتدا زیرکونیوم با محلولی حاوی H2 SO → 0.5 mol/L و سپس هافنیوم با محلولی حاوی H2 SO → 1 mol/L واجذب می‌شود. فقط اتحاد جماهیر شوروی سابق از این روش برای جداسازی بیشتر زیرکونیوم و هافنیوم از مواد غنی از هافنیوم{3}}برای تولید اکسید هافنیوم استفاده کرد.

2. فن آوری مدرن، موقعیت غالب فن آوری استخراج با حلال

استخراج با حلال به فناوری اصلی برای جداسازی زیرکونیوم و هافنیوم تبدیل شده است، و فرآیند استخراج گریز از مرکز چند مرحله‌ای-شمارگر-جریان سطح میدان را نشان می‌دهد.

· مزایای استخراج گریز از مرکز چند مرحله ای-شمارگر-

طراحی جریان چند مرحله‌ای-جریان معکوس استخراج‌کننده و مایع مواد حاوی زیرکونیوم و هافنیوم را از طریق یک سری واحدهای استخراج گریز از مرکز چند مرحله‌ای شناسایی می‌کند، که می‌تواند استفاده از ظرفیت استخراج‌کننده را به حداکثر برساند، به طوری که زیرکونیوم و هافنیوم به طور قابل‌توجهی از هم گسیختگی بین فاز و دو فاز تکرار شوند. بهبود یافته است.

بهره وری میدان نیروی گریز از مرکز یکی دیگر از مزایای آن است. استخراج گر گریز از مرکز با سرعت بالای 3000-5000 دور در دقیقه می‌چرخد و میدان گرانشی فوق‌العاده ایجاد شده، اختلاط و لایه‌برداری دو فازی را تسریع می‌کند، فرآیند انتقال جرم تکمیل شده در مخزن استخراج را برای چند ساعت به ثانیه کوتاه می‌کند، پدیده امولسیون‌سازی و خاصیت خالص بودن را تضمین می‌کند.

· نوآوری در سیستم استخراج

نوآوری مستمر سیستم استخراج، پیشرفت فن آوری را ارتقا داده است. تریبوتیل فسفات (TBP) به دلیل گزینش پذیری بالا نسبت به زیرکونیوم به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد، اما خوردگی تجهیزات و امولسیون شدن آن در اسیدیته بالا آسان است.

راه حل نوآورانه یک سیستم استخراج سینرژیک (مانند TBP D2EHPA) را معرفی می کند که تفاوت توزیع زیرکونیوم و هافنیوم را از طریق مکانیسم رقابت هماهنگی افزایش می دهد و ضریب جداسازی را می توان 30٪ -50٪ افزایش داد.

سیستم DIBK-Cyanex923 گزینه سبز دیگری است. نتایج نشان می‌دهد که وقتی اسیدیته فاز آبی 2.97 مول در لیتر باشد، ضریب جداسازی می‌تواند به 37.1 برسد، که بالاتر از سیستم MIBK-HSCN در ایالات متحده (= 9-10) است و تیوسیانات که به راحتی به مواد سمی تجزیه می‌شود، مورد نیاز نیست.

3. تجهیزات استخراج گریز از مرکز جدید برای مواد تقویت شده کاملا ضد خوردگی

دستگاه استخراج گریز از مرکز شیمیایی باتری لیتیومی جدید ZKCQ یک تجهیزات استاندارد ملی با ضریب جداسازی بالا و پایداری قوی است که توسط Zhongke New Energy بر اساس فناوری اتوماسیون و کاربردهای مواد جدید ساخته شده است. برای مواقع اسیدی قوی، قلیایی قوی و موارد خورنده قوی، تجهیزات را می توان از مواد تقویت شده کاملا ضد خوردگی ساخت. تعادل فاز کوتاه است، و می‌تواند استخراج و شستشوی چند مرحله‌ای را انجام دهد که برای استخراج عمیق مناسب است.

II. کاربرد تجهیزات

انرژی های جدید و مواد جدید تولید مواد شیمیایی پزشکی مواد شیمیایی خوب، بازسازی منابع، هیدرومتالورژی، تصفیه، پردازش مواد غذایی، استخراج مهندسی زیستی و انواع واسطه های مواد خام تولید/مایع{0}}جداسازی مایع: بازیافت باتری لیتیومی/استخراج لیتیوم دریاچه نمک و غیره.

برای مواقعی که جامدات معلق، پارامترهای استخراج و جداسازی بالا وجود ندارد، مناسب است و محدوده نسبت جریان فاز نسبتاً وسیع است و حفره داخلی تحت تأثیر نیروی گریز از مرکز کاملاً تمیز می شود. مواد مایع با چگالی و ویسکوزیته متفاوت را می توان با تغییر صفحات سرریز و تبدیل فرکانس تنظیم کرد. جداسازی استخراج چند مرحله‌ای را در موارد اسید قوی، قلیایی قوی و خورنده قوی انجام دهید.

4. چشم انداز برنامه های کاربردی، از انرژی هسته ای تا هوانوردی

مواد زیرکونیوم و هافنیوم با خلوص بالا در بسیاری از زمینه‌های-بالا کاربرد گسترده‌ای دارند. در زمینه آماده‌سازی زیرکونیوم هسته‌ای-، یک شرکت فرآیند بهینه‌سازی شده را اتخاذ کرده است و محتوای هافنیوم در محصولات زیرکونیوم از 0.5٪ به کمتر از 10ppm کاهش یافته است، که کاملاً برای مواد پوشش‌دهنده راکتور هسته‌ای مورد نیاز است.

حوزه هوانوردی نیز از این موضوع سود می برد. استحکام کششی آلیاژ هافنیوم با خلوص بالا 15% افزایش یافته است و مقاومت در برابر دمای بالا از 1600 درجه فراتر رفته و به ماده اصلی نازل های موتور موشک تبدیل شده است.

Sanxiang New Materials (603663. SH) و سایر شرکت‌ها به طور فعال در حال انجام تحقیقات فناوری «زیرکونیوم-جداسازی هافنیوم» هستند و قصد دارند از اکسی کلرید زیرکونیوم به عنوان ماده خام برای توسعه{2}}هسته‌ای با ارزش افزوده-مواد زیرکونیوم با درجه خلوص بالا و مواد با کیفیت بالا{4} استفاده کنند. فناوری "زیرکونیوم{5}}جداسازی هافنیوم". طرح استراتژیک

مواد هافنیوم به‌دست‌آمده از «زیرکونیوم-جداسازی هافنیوم» به‌طور گسترده در انرژی هسته‌ای، آلیاژهای{1}}در دمای بالا، مواد نیمه‌رسانا با k بالا- و سایر زمینه‌ها استفاده شده است.