CN111910081A - 一种含241Am金属废料的分离方法 - Google Patents

一种含241Am金属废料的分离方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于废金属处理技术领域，尤其涉及一种含241Am金属废料的分离方法。本发明提供了一种含241Am金属废料的分离方法，所述分离方法为：步骤一、干法熔炼；步骤二、Ag电解精炼；步骤三、Au电解精炼。本发明提供的技术方案中，经处理可实现四种元素的彻底分离，其中三种贵金属经检测达到放射性解控要求，放射性核素241Am以偏硼酸镅废渣、浓缩镅盐等形态存在，然后封装进行处理保存。达到放射性解控要求的三种贵金属，可进行二次利用。废料经处理后，实现废物最小化和资源利用最大化，实现社会效益和经济效益的最大化，有效分离了“源片”制造过程中产生的含241Am的贵金属边角料。

Description

一种含241Am金属废料的分离方法
技术领域
本发明属于废金属处理技术领域，尤其涉及一种含241Am金属废料的分离方法。
背景技术
离子感烟火灾探测器是用于楼宇等建筑场所火灾探测装置，其核心部件是1枚含241Am的密封源，俗称“源片”，由Ag、Au、Pd、Am四种元素组成，241Am是密封在银作底衬、金钯叠层覆盖层中间。
“源片”在生产过程中，采用“冷滚轧、冲切”生产工艺，以241Am为放射源，用金钯叠层覆盖，用纯银作底衬辅助延展材料锻压后，滚轧成0.2mm厚“源带”。“源带”作为生产“源片”的原料，经冲压形成直径2mm的圆形或六边形的“源片”。由于工艺的限制，在“源片”制造过程中会产生含241Am的贵金属边角料。
由于多次锻压，“源片”制造过程中产生的含241Am的贵金属边角料很难用物理方法进行分离。截止2019年底，我国已累计产生此类废料约5000公斤。若将大量的贵重金属被当作放射性废物处置，显而易见是极大的资源浪费。
因此，研发出一种含241Am金属废料的分离方法，用于有效分离“源片”制造过程中产生的含241Am的贵金属边角料，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种含241Am金属废料的分离方法，用于有效分离“源片”制造过程中产生的含241Am的贵金属边角料。
本发明提供了一种含241Am金属废料的分离方法，所述分离方法为：
步骤一、干法熔炼：所述金属废料与造渣剂混合后，熔融加热，得渣相偏硼酸镅及液态金属后冷却，将金属从所述渣相硼酸镅的表面刮下；
步骤二、Ag电解精炼：将步骤一刮下的金属做为阳极，银片或钛片做为阴极，硝酸银溶液做为电解液进行电解，电解后刮下阴极表面的金属后超声洗涤；
步骤三、Au电解精炼：将步骤二中的阳极泥做为阳极，钛板为阴极，以金的氯化络合物盐酸溶液做为电解液进行电解，电解后刮下阴极表面的金属后超声洗涤。
优选地，步骤一中，所述造渣剂为Na2B4O7，按质量份计，所述金属废料与造渣剂的投料比为1000：5。
优选地，步骤一中，所述熔融加热的温度大于950℃，所述熔融加热的时间为2min。
优选地，步骤二中，所述电解液中银含量为300g/L。
优选地，步骤二中，所述电解的电流密度为500A/m2，所述电解的温度为30～40℃，所述电解的同极极间距为10cm。
优选地，步骤三中，所述电解液中，盐酸的浓度为130～160g/L。
优选地，步骤三中，所述电解的电流密度为800～1400A/m2，所述电解的电极电压为2.5～3.0V。
综上所述，本发明提供了一种含241Am金属废料的分离方法，所述分离方法为：步骤一、干法熔炼；步骤二、Ag电解精炼；步骤三、Au电解精炼。本发明提供的技术方案中，经处理可实现四种元素的彻底分离，其中三种贵金属经检测达到放射性解控要求，放射性核素241Am以偏硼酸镅废渣、浓缩镅盐等形态存在，然后封装进行处理保存。达到放射性解控要求的三种贵金属，可进行二次利用。废料经处理后，实现废物最小化和资源利用最大化，实现社会效益和经济效益的最大化。本发明提供的一种含241Am金属废料的分离方法，有效分离“源片”制造过程中产生的含241Am的贵金属边角料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种含241Am金属废料的分离方法的流程示意图。
具体实施方式
有鉴于此，本发明实施例提供了一种含241Am金属废料的分离方法，用于有效分离“源片”制造过程中产生的含241Am的贵金属边角料。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了更详细说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种含241Am金属废料的分离方法，进行具体地描述。
本实施例中，待处理的离子感烟火灾探测器源片废料中各元素的组成请参阅表1。根据根据《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》(GB18871-2002)规定，241Am的解控标准为1Bq/g，为达到放射性解控水平，241Am的去污系数必须达到2.59×106。
表1
成份 Ag Au* Pd Am 其他(O、H等)
含量 97.8％ 2.06％ 0.13％ 0.002％ 0.008％
注：金是以Au(OH)3形式存在，Am是以AmO2形式存在
步骤一、干法熔炼除Am
干法熔炼采用硼砂(Na2B4O7)作为造渣剂，废料被加热至熔融过程中，硼砂与Ag、Au、Pd这3种贵金属不发生反应，而与Am发生反应，生成渣相偏硼酸镅(Am(BO2)4)浮在液态金属上面，从而实现Am与贵金属的分离。
干法熔炼对Am的净化系数预估将大于1000。具体操作如下：将硼砂加入石墨坩锅内→用电磁炉将坩锅加热到950℃以上→加入原料→继续保持温度950℃以上(2分钟左右)→银呈液态，石墨棒搅动，保证镅与硼砂充分反应，形成偏硼酸镅，由于硼砂密度小于银，偏硼酸镅将浮于液态银表面→停止加热，石墨坩锅冷却至室温(2小时左右)→用铡刀将金属银与硼砂分离。通过干法分离，Am在各物相的分配如表2所示。
表2干法熔炼过程中放射性分布(以1kg废料为基准)
Figure BDA0002626680200000041
干法熔炼工艺属批次操作，具体每批次的操作量根据实验室允许的最大等效操作量确定。根据表2提供的数据，1kg废料中仅含0.002％(20mg)放射性核素241Am，实验研究表明，用5g硼砂即可达到金属银与241Am的分离作用，经处理后放射性废物由1kg减量至5g左右，实现放射性废物最小化。
步骤二、Ag的电解精炼
经过干法熔炼后，大部分的Am进入渣相，由于干法熔炼的分离系数较低，约为1000，尚不能达到解控要求，为此，需要进一步采用湿法分离的方法。综合考虑废物最小化、操作的安全性和便捷性，采用电解精炼的方法。
Ag电解精炼的机理为：
阳极反应：Ag→Ag++e-
阴极反应：Ag++e-→Ag。
以干法熔炼得到的金属锭作为阳极，硝酸银溶液作为电极液，银片或钛片作为阴极，进行电解。此过程中，废料中的Ag、Pd、Am进入电解液，而Au留在阳极泥中，Au在该过程中没有净化。进入电解液的Ag、Pd进一步沉积到阴极，而Am不发生沉积，保留在电解液中，实现了Ag、Pd和Am的分离。沉积在阴极的Ag、Pd回收后，由于其表面会沾附微量Am，为除去这部分Am，采用超声洗涤的方法，将Ag、Pd表面的Am转移到洗涤液中。
Ag的电解精炼工艺如下：电解液中银含量为300g/L，电流密度500A/m2，温度为30～40℃，在同极极间距为10cm的条件下进行电解，该条件下可生长出粗大银晶体颗粒，以减少Am的夹杂。Ag经电解精炼后，Am在各物相的分配见表3。
表3Ag电解精炼后放射性分布(以1kg废料为基准，阳极为干法熔炼得到的金属锭)
Figure BDA0002626680200000051
步骤三、Au的电解精炼
上一步在Ag的电解精炼过程中，Au进入阳极泥，形成海绵金，海绵金中含有微量的Am，其放射性与未电解精炼的Ag相当，即2.59×106Bq/kg，为去除Au中的Am，采用电解精炼的方法。在Au的电解精炼过程中，以粗金作阳极，以钛板作阴极，以金的氯化络合物盐酸溶液作电解液。
电解过程原理为：
Au+3Cl-+HCI-3e-→HAuCl4
HAuCl4+3H++3e-→Au+HCI
Au的电解过程中，阳极的Au进入溶液后在阴极沉积，残留极微量的Ag进入电解液后与氯离子形成氯化银沉淀，不会在阴极沉积，而Pd的含量远小于Ag，不予考虑，Am进入液项后不在阴极沉积，将保留在电解液中。通过这个过程，可得到纯度很高的Au，为了去除Au表面沾附的Am，同样采用超声洗涤的方法去除。
Au的电解精炼工艺条件如下：电解过程中电流密度为800～1400A/m2，电极上的电压为2.5～3.0V。电解液中硝盐酸(HCl)的浓度为130～160g/L。
Au阳极泥经电解精炼后，Am在各物相的分配见表4。
表4Au电解精炼后放射性分布(以1kg废料为基准)
Figure BDA0002626680200000061
本发明提供的技术方案中，废料采用干法熔炼去除其中的放射性核素241Am，选用硼砂(Na2B4O7)为造渣剂，与熔融态的含241Am的废料反应，其中的241Am与硼砂形成偏硼酸镅Am(BO2)4，按放射性固体废物对待，从而实现与贵金属的分离。
干法熔炼后形成的贵金属合金锭制成阳极板，进行电解处理。在此过程中，贵金属合金中的Ag、Pd和残留的Am进入电解液，而Au留在阳极泥中，Au在该过程中没有净化。进入电解液的Ag、Pd进一步沉积到阴极，而残留的Am不发生沉积，保留在电解液中，实现了Ag、Pd和Am的分离。沉积在阴极的Ag、Pd回收后，由于其表面会沾附微量的Am，为除去这部分Am，采用超声洗涤的方法，将Ag、Pd表面的Am转移到洗涤液中。
为去除Au中残留的Am，采用电解精炼的方法。Au在电解精炼过程中，以粗金作阳极，以钛板作阴极，以金的氯化络合物盐酸溶液作电解液，Au的电解过程中，阳极的Au进入溶液后在阴极沉积，残存的少量Ag进入电解液后与氯离子形成氯化银沉淀，不会再阴极沉积，而Pd的含量远小于Ag，不予考虑，Am进入液项后不在阴极沉积，将保留在电解液中。通过这个过程，可得到纯度很高的Au，为了去除Au表面沾附的Am，同样采用超声洗涤的方法去除。
假设不考虑241Am的回收利用，通过上述干法熔炼工艺处理5000kg废料，将产生偏硼酸镅Am(BO2)4固体废物约25kg，密封包装后贮存于国家放废库。产生的废物量见表5。
表5放射性废物产生量
Figure BDA0002626680200000071
综上所述，本发明提供了一种含241Am金属废料的分离方法，所述分离方法为：步骤一、干法熔炼；步骤二、Ag电解精炼；步骤三、Au电解精炼。本发明提供的技术方案中，经处理可实现四种元素的彻底分离，其中三种贵金属经检测达到放射性解控要求，放射性核素241Am以偏硼酸镅废渣、浓缩镅盐等形态存在，然后封装进行处理保存。达到放射性解控要求的三种贵金属，可进行二次利用。废料经处理后，实现废物最小化和资源利用最大化，实现社会效益和经济效益的最大化。本发明提供的一种含241Am金属废料的分离方法，有效分离“源片”制造过程中产生的含241Am的贵金属边角料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种含241Am金属废料的分离方法，其特征在于，所述分离方法为：
步骤一、干法熔炼：所述金属废料与造渣剂混合后，熔融加热，得渣相偏硼酸镅及液态金属后冷却，将金属从所述渣相硼酸镅的表面刮下；
步骤二、Ag电解精炼：将步骤一刮下的金属做为阳极，银片或钛片做为阴极，硝酸银溶液做为电解液进行电解，电解后刮下阴极表面的金属后超声洗涤；
步骤三、Au电解精炼：将步骤二中的阳极泥做为阳极，钛板为阴极，以金的氯化络合物盐酸溶液做为电解液进行电解，电解后刮下阴极表面的金属后超声洗涤。
2.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，步骤一中，所述造渣剂为Na2B4O7，按质量份计，所述金属废料与造渣剂的投料比为1000：5。
3.根据权利要求1或2所述的分离方法，其特征在于，步骤一中，所述熔融加热的温度大于950℃，所述熔融加热的时间为2min。
4.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，步骤二中，所述电解液中银含量为300g/L。
5.根据权利要求1或4所述的分离方法，其特征在于，步骤二中，所述电解的电流密度为500A/m2，所述电解的温度为30～40℃，所述电解的同极极间距为10cm。
6.根据权利要求1所述的分离方法，其特征在于，步骤三中，所述电解液中，盐酸的浓度为130～160g/L。
7.根据权利要求1或6所述的分离方法，其特征在于，步骤三中，所述电解的电流密度为800～1400A/m2，所述电解的电极电压为2.5～3.0V。
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