KR102119063B1 - 건식 야금법으로 산화지르코늄과 산화하프늄 혼합물을 분리하는 방법 - Google Patents

건식 야금법으로 산화지르코늄과 산화하프늄 혼합물을 분리하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건식 야금법으로 산화지르코늄과 산화하프늄 혼합물을 분리하는 방법에 관한 것이다. 산화지르코늄과 하프늄 혼합물, 탄소와 순수 브롬을 650℃에서 1시간동안 반응시켜지르코늄,하프늄의 브롬화물을 얻은 후 상기의 지르코늄과 하프늄의 브롬화물을 용융염 혼합물에 첨가하여 정류분리를 실시하고 정류탑의 탑저부는 357℃이하에서 2시간동안 유지하고 비목표산물을 얻고 357℃에서 5시간동안 유지하여 목표물인 고순도의 테트라브롬화지르코늄을 수집하고 탑내부의 잔류물을 보존시키고 동일한 설비에서 정류분리를 진행하며 400℃까지 승온시켜 5시간이상동안 유지시켜 테트라브롬화하프늄을 얻은 후 마그네슘을 통하여 상기 테트라브롬화지르코늄과 테트라브롬화하프늄을 각각 치환하여 순수 지르코늄과 순수 하프늄을 얻는다. 분리효과가 우수하기에 설비투자가 경제적이고 산업화하기가 용이하다. 본 발명의 기술은 국내의 공백을 보충할 수 있고 지르코늄하프늄 핵에너지재료의 국산화에 극대한 공헌을 할 수 있다.

Description

건식 야금법으로 산화지르코늄과 산화하프늄 혼합물을 분리하는 방법{PYROMETALLURGICAL SEPARATION METHOD OF ZIRCONIA/HAFNIUM OXIDE MIXTURE}
본 발명은 지르코늄 하프늄의 분리방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 건식 야금법(pyrometallurgy)으로 산화지르코늄과 산화하프늄 혼합물(Zirconia/hafnium oxide mixture)을 분리하는 방법에 관한 것이다.
지르코늄하프늄은 독특한 항고온성, 항복사성 및 항부식성능을 갖고 있고 원자 에너지 산업에서 하프늄 합금은 원자로의 클래딩과 구조 소재로 사용되며 하프늄은 원자로 제어 소재로 사용된다. 지르코늄하프늄은 화학공정, 야금 및 전자 등 분야에서도 광범하게 사용된다.
지르코늄과 하프늄의 화학성질은 극히 유사하므로 통상적으로 산화물의 형식으로 광석중에서 공생하며 일반적으로 천연 지르코늄 자원중에서의 하프늄의 질량분수는 1.5%~3%이다. 이에 비해 원자 에너지급의 해면 지르코늄은 w(Hf)<0.01%를 요구한다. 따라서 지르코늄하프늄의 분리기술은 원자 에너지급의 해면 지르코늄을 생산함에 있어서 관건적인 요인이다. 많은 나라에서는 모두 지르코늄과 하프늄의 분리방법에 대해 연구를 진행해 왔으며 현재 분리방법은 대체로 습식법과 건식 야금법인 두가지로 분류된다.
습식법은 주로 MIBK-HCNS법, TOA법, TBP-HCL-HNO3법, 개진된 N235-H2SO4법과 설폭사이드류 추출법 등이 있다.
건식 야금법 분리의 주요원리는 HfCl4와 ZrCl4가 용융염인 알루미늄 염소산칼륨(KAlCl4)에서의 포화 증기압의 차이에 근거하여 정류탑에서 분리하는 것을 이용하고 해당 방법을 이용함으로써 지르코늄과 하프늄을 분리시켜 최종적으로w(HfCl4)가 30~50%인 농축물과 원자 에너지급의 ZrCl4를 얻는다.
해당 기술을 사용한 회사로서 COMPAGNIE EUROPEENNE DUZIRCONIUM-CEZUS(유럽CEZUS "지르코늄"회사)가 있고 그의 특허인 US20090117018(공개일자 2008년2월7일, 발명명칭 Process for the separation and purification of hafnium and zirconium(지르코늄하프늄의 분리정제방법))에서는 유사한 방법을 공개하였으며 지르콘 광석에 탄소를 가하여 얻은 ZrCl4와 HfCl4의 혼합물을 공개하였는 바 반응과정은 하기 식(1)과 식(2)와 같다.
ZrSiO4+4C=ZrC+SiO+3CO (1)
ZrC+2Cl2=ZrCl4+C (2)
ZrCl4와 HfCl4는 탑의 중부에서 진입하여 상압과 탑의 온도가 350℃의 조건하에서 지르코늄과 하프늄의 분리를 진행하고 정류탑은 다수개의 플레이트 칼럼이 구비되어 있고 매개의 플레이트 칼럼은 모두 용융염층을 지지하며 ZrCl4분획은 탑 저부의 용매상에서 회수되나 HfCl4를 대량 함유한 잔여 분획은 탑정부의 증기상에서 생성된다. 해당 방법의 특징은 소모하는 화공시약이 적고 삼폐(폐기가스, 폐수, 폐기물의 총칭)오염이 적으며 분리과정이 짧고 금속 환원 공정과 직접 연결할 수 있다. 그의 단점은 설비와 운송 시스템이 모두 350℃~500℃에서 조작되므로 설비에 대한 요구가 높으며 정제 및 잡질 제거가 차하며 투입이 많고 대형이 지르코늄 하프늄 제련소에 적합하다.
기존기술 중에 존재하는 상기 부족점을 극복하기 위하여 본 발명은 분리효과가 더욱 좋은 산화지르코늄과 산화하프늄의 혼합물의 건식 야금법 분리방법을 제공한다
해당 방법은산화지르코늄과 하프늄 혼합물, 탄소와 순수 브롬을 650℃에서 1시간동안 반응시켜 지르코늄과 하프늄의 브롬화물을 얻는 단계;
ZrO2+C+2Br2ZrBr4+CO2
HfO2+C+2Br2HfBr4+CO2
상기의 테트라브롬화지르코늄, 테트라브롬화하프늄의 혼합물을 불소산칼륨과 황산 알루미늄칼륨의 중량 배합비가 1.2~1.6:1인 용용 혼합물인 용융염에 첨가하여 정류분리를 실시하고 정류탑의 탑저부는 357℃이하에서 2시간동안 유지하고 탑정부에서 비목표산물을 얻는 단계;
357℃~360℃에서 5시간동안 유지하여 탑정부에서 테트라브롬화지르코늄을 수집하고 탑내부의 잔류물을 보존시키는 단계;
동일한 설비에서 정류분리를 진행하고 400℃~403℃까지 승온시켜 5시간이상동안 유지시키고 탑정부에서 테트라브롬화하프늄을 수집하는 단계를 포함한다.
테트라브롬화지르코늄을 수집하는 온도는 357℃로 유지시키는 것이 바람직하다.
테트라브롬화하프늄을 수집하는 온도는 400℃로 유지시키는 것이 바람직하다.
마그네슘을 통하여 각각 산화지르코늄과 산화하프늄을 치환하여 순수 지르코늄과 순수 하프늄을 얻을 수 있다.
ZrBr4+2Mg=Zr+ 2MgBr2
HfBr4+2Mg =Hf+ 2MgBr2
본 발명은 기존기술에 비하여 상규적인 탄소를 추가하여 염화시키는 기초상에서 탄소를 추가하여 브롬화시키는 것으로 변화시켜 지르코늄하프늄 브롬화물의 비점의 차가 염화물의 비점의 차보다 크기에 분리효과가 더욱 좋고 설비투자가 경제적이며 산업화하기가 용이하다. 본 발명의 기술은 국내의 공백을 보충할 수 있고 지르코늄하프늄 핵에너지재료의 국산화에 극대한 공헌을 할 수 있다.
다음으로 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 기술방안을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 하기 실시예는 다만 본 발명을 명확히 설명하기 위하여 열거한 예로서 본 발명의 실시방식을 한정하기 위한 것이 아니다.
실시예1
내부식 및 내고온인 도자기 반응기에서 지르코늄과 하프늄 산화물을 첨가한 후 대응되는 탄소를 첨가하여 질소를 통하여 기화된 원료인 순수 브롬을 고온의 반응기에 진입하게 한다. 반응기가 650℃의 온도를 유지하게 하고 원료 브롬을 첨가한 다음 650℃에서 한시간동안 유지한 후 냉각상태에서 테트라브롬화지르코늄과 테트라브롬화하프늄의 혼합물을 얻었다.
다음 단계의 정류탑 분리과정에 진입하고 내부식 및 내고온인 도자기 반응기에 테트라브롬화지르코늄과 테트라브롬화하프늄의 혼합물을 첨가하고 용융염의 혼합물을 첨가하였다. 해당 용융염은 불소산칼륨과 황산 알루미늄칼륨의 중량 배합비가 1.2~1.6:1인 용용 혼합물이다. 357℃이하에서 2시간동안 유지하고 획득한 것은 비목표산물이다. 357℃에서 5시간동안 유지하여 목표물인 고순도의 테트라브롬화지르코늄을 수집하고 탑내부의 잔류물을 보존하였다. 양이 비교적 작으므로 N배치까지 수집하여 충족한 원료가 있을 때 동일한 설비에서 정류분리를 진행하고 400℃까지 승온시켜 5시간이상동안 유지시키고 고순도의 테트라브롬화하프늄을 얻었다.
본 발명 중의 정류설비는 모두 국산설비를 사용하였고 적외선 가열, 도자기 재질을 사용하였으며 정류탑 중의 필러는 파문 도자기 필러를 사용하였다.
핵 에너지급 재료의 합성: 상기와 같이 정류분리하여 얻은 고순도의 테트라브롬화지르코늄화합물과 테트라브롬화하프늄화합물을 각각 마그네슘 분말과 환원반응을 진행하도록 하여 고순도의 해면 지르코늄과 고순도의 해면 하프늄을 얻었다. 핵에너지 지르코늄과 핵에너지하프늄 재료의 심가공 생산에 사용된다.

Claims (5)

  1. 산화지르코늄과 산화하프늄의 혼합물의 분리방법에 있어서,
    산화지르코늄과 산화하프늄의 혼합물, 탄소와 순수 브롬을 650℃에서 1시간동안 반응시켜 테트라브롬화지르코늄과 테트라브롬화하프늄의 혼합물을 얻는 단계;
    상기 테트라브롬화지르코늄과 테트라브롬화하프늄의 혼합물을, 불소산칼륨과 황산 알루미늄칼륨의 중량 배합비가 1.2~1.6:1인 용용 혼합물인 용융염에 첨가하여 정류분리를 실시하고, 정류탑의 탑저부를 357℃이하에서 2시간동안 유지하여, 정류탑의 탑정부에서 비목표산물을 얻는 단계;
    357℃~360℃에서 5시간동안 유지하여, 상기 정류탑의 탑정부에서 테트라브롬화지르코늄을 수집하고 탑내부의 잔류물을 보존시키는 단계;
    상기 정류탑에서 상기 잔류물의 정류분리를 실시하고, 400℃~403℃까지 승온시켜 5시간 이상동안 유지시킨 다음, 상기 정류탑의 탑정부에서 테트라브롬화하프늄을 수집하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화지르코늄과 산화하프늄 혼합물의 분리방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 테트라브롬화지르코늄을 수집하는 온도를 357℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 산화지르코늄과 산화하프늄 혼합물의 분리방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 테트라브롬화하프늄을 수집하는 온도를 400℃로 유지시키는 것을 특징으로 하는 산화지르코늄과 산화하프늄 혼합물의 분리방법.
  4. 제1항에 있어서, 수집된 상기 테트라브롬화지르코늄을 마그네슘을 통하여 순수 지르코늄으로 치환하여 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화지르코늄과 산화하프늄 혼합물의 분리방법.
  5. 제1항에 있어서, 수집된 상기 테트라브롬화하프늄을 마그네슘을 통하여 순수 하프늄으로 치환하여 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산화지르코늄과 산화하프늄 혼합물의 분리방법.
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