KR930005293B1 - 희토류 금속 동위원소의 분리방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

희토류 금속 동위원소의 분리방법

제1도는 가돌리늄 동위 원소를 분리하기 위한 본 발명의 방법에 따른 일 실시예를 개략적으로 예시하는 플로우 챠아트.

제2도는 본 발명의 방법에 따른 제2실시예를 개략적으로 예시하는 플로우 챠아트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,5,21 : 공급액 9,23 : 탱크

11,19,33,61 : 저장탱크 15 : 음이온 교환수지 컬럼

39 : 반응기 43 : 암모니움원

47 : 여과기 51 : 킬른

55 : 생성물 저장탱크 65 : 중화탱크

73 : 농축기 77 : 분리기

202,204,206,244 : 컬럼세트

208 : 가돌리늄 공급물 212 : 용리액 저장탱크

218 : 찌꺼기 탱크 222,260 : 생성물 저장탱크

228 : 침전탱크 234 : 암모니움 저장탱크

240 : 여과기 246 : 질산 저장탱크

254 : 농축 용리액 저장탱크

258 : 하소기 262 : 찌꺼기 저장 탱크

본 발명은 희토류 금속 동위원소, 특히 가돌리늄 동위 원소를 함유하는 혼합물로 부터 가돌리늄 동위원소를 분리하기 위한 방법에 관한 것이다.

상기 방법은 다른 가돌리늄 동위원소와의 혼합물로부터 그리고 다른 가돌리늄 동위원소와 다른 희토류 원소와의 혼합물로부터 필요한 가돌리늄 동위원소를 분리하는데 사용된다.

원자로의 운전은 “중성자 경제”란 용어로 말할 수 있다. 간단히 말해, 연료핵이 분열하면, 하나 이상의 중성자가 생성되며, 연쇄반응을 유지하기 위해서는 하나의 중성자가 필요하다. 원자로의 많은 설계상의 특징은 중성자 경제에 기초를 두고 있다.

특히 원자로에 사용하기 위한 재료는 다른 특성과 함께 그들의 중성자 포획 단면적 σ를 고려하여 선택된다. 낮은 σ물질은 지지 구조물, 연료봉 클래딩, 감속재 등과 같은 대부분의 원자로 부품에 선택되며, 높은 σ물질은 제어봉 및 가연성 독물 쉼(shim)과 같은 특별한 용도를 위해 선택된다.

가연성 독물 쉼은 주의깊게 선택된 양의 중성자 흡수 물질을 첨가한 높은 σ물질이며, 연료 사이클의 초기에 중성자속을 감소시키며, 중성자 흡수 후에는 중성 또는 투과성이 되어 연료 사이클의 후기에 연료가 보다 많은 분열 중성자를 흡수하게 한다.

천연 동위원소 혼합물에서 가장 높은 σ를 갖는 원소는 가돌리늄이다. 그러나 가돌리늄 농도가 증가하면 할수록 연료의 열전도성 및 응용 온도는 감소하기 때문에 그의 사용은 제한되어진다. 추가로 높은 중량%(약 8중량%)의 가돌리늄 연료를 생성하는 것은 낮은 중량%(약 4중량% 이하)의 가돌리늄 연료를 생성하는 것보다 좀더 어렵다는 것이 판명되었다. 다음표에 예시한 바와 같이 단지 두 개의 동위원소만 높은 흡수성을 가지고 있다.

예시한 바와 같이 Gd¹⁵⁵및 Gd¹⁵⁷이 가돌리늄 동위원소 중 가장 높은 σ를 가지고 있지만 천연 가돌리늄중 단지 약 30%를 차지할 뿐이다.

가연성 독물 쉼으로써 가돌리늄을 사용하기 위해 유리한 비율로 만드는 비용은 높은 σ 동위원소의 존재비를 증가하는 동시에 역효과를 감소하는 동위원소 농축 방법을 사용함으로써 삭감될 수 있다.

광 화학 반응, 레이저 기술, 및 이온 교환 분리를 사용하는 것과 같은 여러가지 방법이 동위원소의 분리 혹은 농축을 위해 제안되었다.

다수의 동위원소 분리 방법은 1976년판 어메리칸 뉴클리어 소사이어티에 “동위원소 분리”(에스.빌라니)로 서술된 것과 같은 화학적 교환에 기초를 두고 있다. 그 중 한 가지 방법은 이온 교환 크라마토그라피이며, 여기서 문제의 원소를 이온 형태로 함유하는 용액이 이온 교환 수지를 갖는 컬럼을 통과하게 된다.

이온의 교환은 수지 결합제와 용액상 조성물 사이에 일어난다. 일반적인 법칙에 따라 무거운 동위 원소를 함유하는 이온은 좀더 무거운 성분(이온 교환의 경우 수지임)에 집중된다.

희토류 원소의 상업적인 정제는 이온 교환 분리에 기초를 두고 있었다. 특별히 관심이 가는 것은 “저어널 오브 크라마토그라피”권 26(1976)에서 에프. 몰나르, 에이 호바쓰 및 브이.에이.칼린에 의한 두 개의 발표문이며, 첫번째 것은 “중성 질산염을 함유하는 수성 메탄올 용액에서 경 희토류의 이온 교환 행동, Ⅰ. 무담체 경희토류의 분리”(페이지 215-224)이며, 두번째 것은 “중성 질산염을 함유하는 수성 메탄올 용액에서 경 희토류의 이온 교환 행동, Ⅱ 거시적-미시적 분리”(페이지 225-231)이다.

이들 발표문은 희토류 원소의 분리, 특히 유로품 및 테르븀과 같은 주기율표상의 이웃 원소로부터 가돌리늄을 분리하는 것을 설명하고 있다.

거기에 나타난 크라마토그라피의 피이크는 비정상적인 모양을 가지고 있으며, 본 발명자에게 발표자가 그러한 설명을 하지는 않았지만 어느 정도 동위원소 분리에 의해 피이크 모양이 영향을 받는다는 것을 시사해주었다.

다른 가돌리늄 동위원소를 갖는 혼합물로부터 하나의 선택된 가돌리늄 동위원소 혹은 동위원소들을 분리하는 것은 음이온 또는 양이온 교환 수지를 사용한 액체 크라마토그라피 컬럼 시스템에 의해 수행된다.

음이온 교환 수지를 위해, 용리액은 수성 메탄올내에 1-2N 사이의 농도를 갖는 질산 암모니움을 함유하도록 구비되며, 수성 메탄올은 70∼85 체적 %의 메탄올을 함유하고 있다.

기본적인 음이온 교환 수지를 함유하는 다수의 컬럼(5-30컬럼이 바람직하며, 20-30 컬럼이 좀더 바람직함)이 용리액을 포화되며, 가돌리늄 동위원소들의 혼합물과 용리액으로 구성되는 공급 용액은 다수의 포화된 컬럼 중 첫번째것에 가해진다.

추가의 용리액이 공급 용액을 함유하는 포화된 컬럼을 통과하며, 필요한 가돌리늄 동위원소가 풍부한(농축된) 유출물을 형성하며, 상기 유출물은 컬럼을 통과한 후 용리액의 나머지로부터 분리된 것이다.

수성 메탄올과 질산 암모니움은 용리액에서 회수되며, 수성 메탄올은 또 다른 용리액을 형성하기 위해 재순환된다.

양이온 교환 수지를 위해 EDTA를 함유하는 용리액이 구비된다. 강산 이온교환 수지를 함유하는 다수의 컬럼은 용리액으로 포화되며, 가돌리늄 동위 원소들의 혼합물과 용리액으로 구성되는 공급 용액은 다수의 포화된 컬럼 중 첫번째 것에 가해진다.

추가의 용리액이 공급 용액을 함유하는 포화된 컬럼을 통과하며, 필요한 가돌리늄 동위 원소가 농축된(풍부한) 용리액의 유출물이 형성되는데, 상기 유출물은 컬럼을 통과한 후 용리액의 나머지로부터 분리된 것이다.

수성 EDTA는 용리액에서 회수되며, 수성 EDTA는 또다른 용리액을 형성하기 위해 재순환 된다.

본 방법은 가돌리늄 동위원소들을 함유하는 혼합물로부터 필요한 가돌리늄 동위원소를 효율적으로 그리고 경제적으로 분리하는 것이다.

특히 관심있는 것은 Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶및 Gd¹⁵⁷의 혼합물 또는 상기 동위 원소중 어느 하나 또는 그 이상을 분리하는 것이다.

본 발명에 따라 처리되는 혼합물은 다른 희토류 금속으로부터 이미 분리된 가돌리늄 동위원소들의 혼합물 또는 사마륨(Sm), 유로퓸(Eu), 테르븀(Tb) 및 디스프로슘(Dy)과 같은 다른 희토류 금속과 가돌리늄 동위원소들을 함유하는 혼합물을 포함한다.

본 방법에 사용되는 출발 물질은 상기 원소들을 질산에 용해시킴으로써 용액내에서 질산염을 전환되는 산화물 또는 상기 원소들의 금속으로 이루어지거나, 상기 원소들의 질산염 용액 또는 염산이나 황산과 같은 다른 종류의 강 무기산으로 이루어질 수 있다.

본 방법에 따른 분리는 용리액 및 포화 음이온 또는 양이온 교환 수지를 사용함으로써 효과적으로 수행된다.

음이온 수지를 사용하는 양태에 있어서, 수성 메탄올로 주로 이루어져 있으며 질산 암모니움이 함유된 용리액을 제조한다. 이러한 용리액은 메탄올 함유량이 70 내지 85부피 %인 수성 메탄올이 함유되어 있다.

여기서 메탄올 함유량이 70부피 % 이하라면 동위원소들의 분리가 감소되어 효과적이고도 경제적인 분리를 달성할 수 없으며 만약 85부피 % 이상이라면 가돌리늄 화합물이 상기 용리액에서 침전하려는 경향이 있기 때문에 분리 조작이 방해된다.

그러므로 수성 메탄올은 메탄올의 함유량이 약 80%인 것이 바람직하다.

수성 메탄올은 1.0 내지 2.0 노르말 용액(1.0 내지 2.0N)을 제공하기에 충분한 양의 질산 암모니움을 함유 하여야 한다. 즉 용액 1리터당 1 내지 2 그람몰의 질산 암모니움을 함유해야 한다. 상기의 노르말 농도는 반드시 약 1.0 내지 2.0 사이라야 한다. 만일 노르말 농도가 약 1.0 이하라면 필요한 용리 시간이 늘어나 요구하는 용리액의 양이 충분하지 못한 값까지 증가하게 된다.

또한 2.0 이상이라면 용리속도가 너무 커서 동위원소들의 적절한 분리 조작이 방해를 받게 된다. 그러므로 상기의 노르말 농도는 용리액뿐 아니라 다음에 기술할 공급 용액에 관해서 매우 중요하다.

질산 암모니움은 용액내에 약 1.5N의 농도로 존재함이 바람직한데, 이러한 용리액은 초기에 다수의 음이온 교환수지 컬럼을 포화시키는데에 사용된다.

다수의 음이온 교환수지 컬럼은 가돌리늄 동위원소들을 효과적으로 그리고 경제적으로 분리 조작하는데에 필요하다. 이러한 컬럼의 수 및 길이는 필요한 시스템에 따라 변할 수 있다.

예를들면, 보다 적은수의 컬럼이 바람직할지라도 각각의 길이가 약 3미터인 80 내지 120개의 컬럼으로 이루어진 시스템을 사용할 수 있다.

약 20 내지 30개의 음이온 교환수지 컬럼으로 이루어진 시스템이 바람직한데, 여기서 각 컬럼의 길이는 약 30미터이다.

컬럼의 직경 또한 선택의 문제이지만 필요한 생성속도에 따라 선택한다.

본 발명에서 사용한 음이온 교환 수지는 4급 아민그룹을 지닌 강염기성 음이온 교환수지인데, 일반적으로 스티렌-디비닐벤젠을 클로로메틸화 시킨 다음, 아민화시켜 제조한다.

상기와 같이 4급 암미니움염의 구조를 교환기로 지닌 염기성 음이온 교환수지로 적절한 것으로는 롬 앤드 하스사에서 제조한 Amberlite IRA-400을 예로 들 수 있다.

이러한 음이온 교환수지는 직경이 37 내지 74마이크론(미합중국 표준체로서 200 내지 400 메쉬)인 입자라야 한다.

본 방법에 있어서는 음이온 교환 수지의 컬럼을 용리액으로 포화시킨다.

그리고 다음에는 가돌리늄 동위원소 화합물을 또다른 용리액에 용해시켜 제조한 가돌리늄 동위원소 혼합물의 공급용액을 제1포화 컬럼에 충전시킨다.

이 때의 공급 용액에는 가돌리늄 동위원소와 질산 암모니움의 질산염 용액이 함유되어 있는데, 질산염의 농도는 1 내지 2N, 바람직하게는 1.5N이다.

위에서 기술한 바와 같이 질산염은 질산에 가돌리늄 혼합물을 용해시켜 제조함이 바람직하며, 공급용액에 질산 암모니움을 가하여 소기의 질산염의 농도로 조정한다. 한편 질산 대신에 염산 및 황산과 같은 다른 강 무기산을 사용할 수 있다.

음이온 교환수지 포화컬럼에 충전된 공급 용액의 양은 컬럼의 직경에 따라 변하게 되는데, 컬럼의 길이에 관해 좁은 동위원소의 대역을 제공하기에 충분해야 한다. 즉, 컬럼 길이의 약 0.1%와 동일한 길이인 대역을 형성할 수 있는 양이어야 함이 바람직하다.

한편 공급용액을 포화된 음이온 교환수지상에 가한 다음에는 또다른 용리액을 컬럼에 통해 통과시키면 필요한 가돌리늄 동위원소들이 풍부한 용리액의 유출물과 다른 가돌리늄 동위원소들이 함유된(다른 희토류원소들이 존재할때는 이들도 포함) 용리액의 잔유물이 형성된다.

또다른 용리액은 1ml/in²(수지컬럼)/분의 유속으로 컬럼에 충전시킨다.

이때의 유속은 뒤따르는 조건에 따라 다시 변할 수 있지만, 0.5 내지 2.0ml/in²/분이라야 하며, 이중 약 1ml/in²분이 바람직하다.

또한 용리액은 컬럼에 충전할시와 그리고 이를 통과할 시 약 40 내지 70℃의 온도를 유지해야 하는데, 50℃가 바람직하다. 또다른 용리액이 컬럼을 지날시, 동위원소들이 음이온 교환수지로부터 연속적으로 스트리핑되어 필요한 동위원소의 유출물(하류 방향으로 이동)이 형성된다.

이들이 컬럼의 바닥에 도달할때는 용리액의 잔유물로부터 용이하게 수거 및 분리할 수 있다.

본 발명의 또다른 양태에 있어서, 동위원소 혼합물 또는 공급용액의 밴드 또는 링이 하나 이상 특정 시간에 컬럼내에서 존재할 수 있다.

이러한 양태에 있어서, 컬럼이 용리액으로 포화된 후에는 공급용액의 제1충전물을 컬럼에 공급하고 또다른 용리액은 동위원소의 밴드나 링을 하류 방향으로 진행하도록 야기시키는 컬럼을 통해 보낸다. 이러한 최초의 밴드를 컬럼의 상부에서 충분한 거리로 이동시킨 다음에는(컬럼으로 부터 완전히 배출되지 않음), 공급용액을 재차로 컬럼에 가하여 또 다른 밴드나 링을 형성시킬 수 있다. 컬럼을 통하는 또 다른 용리액의 흐름은 양 밴드를 움직이게 하는 반면 필요한 동위원소의 유출물의 형성을 야기시키며, 다음에는 이러한 유출물을 컬럼에 통과시킨 후 분리한다.

필요한 동위원소, 또는 생성물이 함유된 용리액의 유출물, 그리고 용리액의 잔유물, 또는 찌꺼기는 분리된 저장탱크에 모아서 따로 처리할 수 있다.

생성물 또는 찌꺼기는 모두 유사한 방법으로 가공할 수 있다. 질산 금속은 암모니움을 가하면 침전되어 수산화물 침전물이 형성되는데, 이러한 침전물은 로타리 드럼 여과기를 사용해 여과함으로써 분리한다.

다음에는 수산화물 침전물을 여과기에서 분리하고 클린내에서 하소화시켜 산화물 형태로 생성물을 형성시킨다. 로타리 여과기내에 여과액으로서 침전된 용리액은 처리하고 수성 메탄올은 시스템으로 재순환시킨다. 여과액은 약 7.0의 PH로 조정하며, 수성 메탄올은 또 다른 용리액의 형성을 위해 재순환시킨다.

용리액의 일부(약 5%)(bleed stream)는 시스템내에 잔여 불순물이 축적되는 것을 방지하기 위해 분리한다. 이러한 분리된 용리액의 일부는 진공 컬럼 내에서 재순환된 수성 메탄올을 사용해 약 99+%까지 농축시키며, 또한 잔유물도 농축시켜 분리 공정의 부산물로서 사용할 수 있는 질산 암모니움을 만든다.

첨부된 도면에는 본 발명에 따른 방법이 도식적으로 자세히 설명되어 있다.

도면에 나타난 바와 같이, 가돌리늄 동위원소들의 혼합물 또는 가돌리늄 동위원소들과 다른 희토류 금속의 혼합물로 이루어질 수 있는 가돌리늄 동위원소 혼합물의 공급액(1)을 라인(3)을 통해 공급하고, 질산의 공급액(5)은 라인(7)을 통해 공급하는데, 이들은 탱크(9)에서 결합되어 질산염이 형성된다.

라인(10)을 통해 나오는 수성 메탄올(80부피%)와 용리액의 농도를 1.5N로 유지시키는, 라인(12)을 통해 나오는 질산 암모니움은 저장탱크(11)에 들어와 용리액의 공급액을 형성한다.

이때의 용리액은 라인(13)을 통해 다수의 염기성 음이온 교환 수지(15) 컬럼으로 보내는데, 여기서 수지는 용리액으로 포화된다.

음이온 교환수지(15)의 컬럼에 포화됨에 따라 라인(17)을 통해 나오는 또다른 용리액과 라인(19)을 통해 나오는 질산 가돌리늄을 혼합시킴으로써 공급용액이 형성된다.

탱크(23)에서 형성된 공급용액은 라인(25)을 통해 다수의 염기성 음이온 교환수지 컬럼으로 보낸다.

다수의 컬럼이 공급용액으로 충전된 후에 라인(13)을 통해 나오는 또 다른 용리액을 공급 용액이 함유된 다수의 컬럼을 통해 보내면 필요한 가돌리늄 동위원소가 농축된 용리액의 유출액이 형성된다.

이러한 유출액은 라인(27)을 통해 생성물 저장 탱크(29)로 보낸다.

다른 가돌리늄 동위원소 및 희토류 원소가 존재할 경우 이들이 함유된 용리액의 나머지는 라인(27) 및 라인(31)을 통해 분리된 찌꺼기 저장탱크(33)로 보낸다.

가돌리늄 동위원소 생성물 및 다른 성분의 혼합물은 다른 시간에 희분식으로 가공할 수 있다.

질산염 형태의 필요한 가돌리늄 동위원소는 라인(35)을 통해 반응기(39)의 공급라인(37)으로 배출시킨다. 암모니움 또한 암모니움원(43)에서 나와 라인(41)을 통해 반응기(39)로 들어간다.

반응기(39)에서는 가돌리늄 동위원소가 수산화물로서 침전된다. 침전물 및 용리액은 라인(45)을 통해 반응기(39)에서 배출되어 여과기(47)(회전식 드럼 여과기)로 들어간다.

이러한 침전물은 라인(49)을 통해 킬른(51)으로 들어감에 따라 산화 가돌리늄이 형성된다.

한편 킬른(51)에서 형성된 산화 가돌리늄은 라인(53)을 통해 생성물 저장탱크(55) 내로 들어간다.

다른 동위원소 및 희토류 원소의 가공에 있어서는 저장탱크(33)를 나와 라인(57) 및 공급라인(37)을 통해 침전물 형성용 반응기(39)로 보내지는 찌꺼기로서 동일한 시켄스를 이용할 수 있다. 그리고 용리액 및 침전물은 라인(45)을 통해 여과기(47)로 보낸다.

다음에 침전물은 라인(49)을 통해 킬른(51)으로 보내며, 여기서 형성된 산화물은 라인(53) 및 라인(59)을 통해 저장탱크(61)로 보낸다.

수성 메탄올을 재순환시키기 위해서는 여과기(47)에서 나오는 여과액을 라인(63)을 통해 저장 및 중화탱크(65)로 공급한다. 존재하는 수산화 암모니움을 중화시키기 위해서는 질산을 라인(67)을 통해 탱크(65)로 공급한다.

수성 메탄올은 탱크(65)에서 분리해 저장탱크(11)로 저장할 또다른 용리액을 형성키 위해 재순환 라인(69)을 통해서 되돌려 보낸다. 라인(69)을 통해서 나오는 용액의 일부는 라인(71)을 통해 배출시켜 농축기(73)에서 농축시킨다.

농축기(73)에서 나오는 수성 메탄올은 라인(75)을 통해 분리기(77)로 보내어 메탄올을 분리시킨 다음 라인(79)을 통해 저장탱크(11)로 보낸다. 분리기(77)에서 분리된 물은 라인(81)을 통해 배출시킨다. 농축기(73)에서 형성된 진한 질산 암모니움은 라인(83)을 통해 배출시킨다.

블리드 스트림(재순환시켜 시스템을 연속적으로 조작할시 형성된 용리액의 약 5%)은 시스템내에 불순물이 축적되는 것을 방지할 목적으로 라인(85)을 통해 분리시킨다.

양이온 수지를 사용하는 본 발명의 양태에 있어서는, 사용하는 용리액을 EDTA, 아세토닐아세톤(AcAc) 또는 벤조일아세톤(BzAc) 중에서 선택하는데, 이중 EDTA가 바람직하다. 생성율을 높이기 위해서는, 수지에 황산구리를 미리 부착시킬 수 있다.

본 발명의 바람직한 양태에 있어서는 용리액에 7 내지 9의 PH로 0.5 내지 1.0W/O EDTA가 함유된다. 이 중에서도 8.2 내지 8.9의 PH에서 약 1.0W/O가 바람직한 농도이다.

양이온 수지는 그 크기가 50 내지 100메쉬(미합중국 표준체로서)의 범위이다. 바람직한 양이온 수지는 겔타입의 강산 스티렌이며 길이가 30미터인 일련의 50 내지 60개의 컬럼에 사용한다. 이러한 수지의 예로는 IRC-120이 있는데 롬 앤드 하스사의 제품이다.

컬럼을 통과하는 유속은 약 0.5 내지 2ml/분/cm²인데, 1ml/분/cm²가 바람직하며, 가돌리늄 적하량은 0.5 내지 2g/cm²이고, 1g/cm²가 바람직한 양이다. 가돌리늄 공급물은 어떤 강무기산에 용해시키는데, 이중 질산이 가장 바람직하다.

제2도는 양이온 교환 수지를 사용하는 가돌리늄 동위원소 분리의 양태를 나타내는 플로우 챠아트를 나타낸다. 본 방법에서는 가돌리늄 동위원소를 분리하기 위해 길이가 550피트인 두 일련의 강산 이온 교환수지(IRC-120)를 사용한다.

첫번째 열에서는 컬럼 202 및 204(높이 40퍼트)를 평행으로 사용하며, 두번째 열에서는 컬럼 206(높이 40피트)을 단일로 사용하는데, 이들의 조작법은 다음과 같다.

저장탱크(208)에서 나오는 농축된 질산 가돌리늄 공급물을 라인(210)을 통해 컬럼 세트(202)로 주입시킨다. 저장탱크(212)에서 나오는 용리액은 라인(210)을 통해 미리 정한 속도로 컬럼 세트(202)에 펌핑한다.

그리고는 약 1000분후에 저장탱크(208)에서 나오는 질산 가돌리늄을 용리액 저장탱크(212)에서 나오는 라인(214)을 통해 컬럼 세트(204)에 주입시킨다.

컬럼 세트(202)에서 나오는 유출물 중에 가돌리늄 동위원소 152, 154, 158 및 160이 함유된 유출물은 라인(216)을 통해 찌꺼기 탱크(218)로 보낸다.

가돌리늄 동위원소 155, 156 및 157이 함유된 유출물은 라인(220)을 통해 이온교환 수지 컬럼(206)의 두번째 열에 보낸다.

이러한 동일한 절차는 컬럼 세트(204)에서 나오는 유출에 대해서도 적용된다. 이러한 조작법은 필요로 하는 이온 교환 컬럼의 수를 25%까지 감소시킨다.

이온 교환 컬럼(206)의 두번째 열에서 나오는 유출물 중에 가돌리늄 동위원소 155 및 157이 함유된 유출물은 라인(224)을 통해 생성물 탱크(222)로 보내며, 반면에 가돌리늄 동위원소 156이 함유된 유출물은 라인(226)을 통해 찌꺼기 탱크(218)로 보낸다.

생성물 탱크(222) 및 찌꺼기 탱크(218)의 내용물은 각각 라인(230) 및 (232)을 통해 침전 탱크(228)에 보낸다. 침전탱크(228)에는 최소한 두 개의 탱크가 있어 하나의 탱크는 항상 찌꺼기를 다루고 나머지는 생성물을 처리하는데 충당된다.

침전 탱크(228)에 있어서는, 가돌리늄을 수산화물로서 침전시키기 위해 저장탱크(234)에서 나오는 수산화 암모니움을 라인(236)을 통해 가한다.

다음에는 형성된 혼합물을 라인(238)을 통해 필터 프레스(238)(하나는 Gd 155 및 157용이고 다른 하나는 Gd 152, 154, 156, 158 및 160용이다)로 보내는데, 여기서 수산화 가돌리늄 침전물을 분리시킨다.

수산화 암모니움 및 EDTA가 함유된 여과액은 라인(242)을 통해 약산성 이온 교환 수지 컬럼(244)으로 보내는데, 여기서 이를 처리하여 암모니움 이온을 교환시킨다.

한편 약산성 이온교환 수지를 재생시키기 위해서는 저장탱크(246)에서 나오는 질산을 라인(248) 및(250)을 통해 가한다. 그리고 질산 암모니움은 라인(245)을 통해 폐기물로서 버린다. 다음에는 형성된 재순환 여과액(EDTA수용액)을 라인(252)을 통해 용리액 저장탱크로 보낸다.

재순환된 용리액내 EDTA의 농도를 점검하고 필요하면 농축된 용리액 저장탱크(254)로부터 라인(256)을 통해 가한다.

여과기(240)에서 형성된 수산화 가돌리늄의 필터 케이크는 전기적 하소기(2588)로 보내는데, 여기서 이는 하소화되어 가돌리니아도 변하며 이는 다시 생성물 탱크(260) 또는 찌꺼기 탱크(262)로 보낸다.

지금까지의 예는 가돌리늄 155, 156 및 157 또는 가돌리늄 155 및 157이 농축된 생성물의 제조 방법을 이용한 본 발명을 설명한 것으로, 단지 Gd¹⁵⁵또는 Gd¹⁵⁷만이 농축된 생성물도 또한 고려해야 함은 두말할 나위도 없다.

본 발명에 따라 제조된 생성물에는 필요한 가돌리늄 동위원소 또는 동위원소들을 최소한 약 80중량%를 함유함이 바람직한데, 최소한 약 90중량%를 함유함이 더욱 바람직하다.

또한 약산수지(IRC-85, 롬 앤드 하스사제품)는 위에서 기술한 강산성 수지를 대신할 수 있으며, 고압액체 크로마토그래피 시스템 또한 본 발명을 수행하는데 이용할 수 있음은 물론이다.

이 경우, 실리카계 수지(예 : Partisil 10 scx)를 사용할 수 있다.

본 발명이 가돌리늄을 사용하는 것에 관해서 기술되어 있을지라도, 기술된 동위원소 분리법은 이 분야에 있어 능통한 사람은 둘 또는 그 이상이 동위 원소를 지닌 어떤 희토류 금속의 동위원소를 분리하는데에 필요한 변형을 가하여 적용할 수 있다.

Claims (22)

1. 수성 메탄올로 주로 이루어져 있으며, 메탄올의 함유량이 70 내지 85부피%이고, 질산 암모니움의 농도가 1.0 내지 2.0N인 용리액을 제조하고 ; 상기 용리액으로 다수의 염기성 음이온 교환수지 컬럼을 포화시키고 ; 가돌리늄 포화 공급용액을 형성시키고 ; 상기 공급용액을 상기 다수의 포화 컬럼에 충전시키고 ; 가돌리늄 동위원소 Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶및 Gd¹⁵⁷이 농축된 용리액 유출물을 형성시키기 위해 공급용액이 함유된 상기 다수의 컬럼을 통해 상기의 또다른 용리액을 보내고 ; 상기 유출물을 상기 컬럼을 통해 보낸 후 상기 용리액의 나머지로부터 분리하고 ; 수성메탄올 및 질산 암모니움을 상기 컬러을 통해 보낸후 용리액에서 희수하고 ; 그리고 상기의 또 다른 용리액에서 희수한 수성 메탄올을 재순환시키는 단계로 구성됨을 특징으로 하여, 가돌리늄 동위원소 Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶및 Gd¹⁵⁷가 함유된 이들의 혼합물에서 가돌리늄 동위원소 Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶및 Gd¹⁵⁷을 분리하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 가돌리늄 동위원소 혼합물이 Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶및 Gd¹⁵⁷그리고 다른 가돌리늄 동위원소들로 이루어진 방법.
3. 제2항에 있어서, 가돌리늄 동위원소 혼합물이 Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶및 Gd¹⁵⁷그리고 다른 희토류 원소들로 이루어진 방법.
4. 제1항에 있어서, 용리액에 메탄올 함유량이 약 80체적%인 수성메탄올이 포함된 방법.
5. 제1항에 있어서, 다수의 컬럼이 5 내지 30개의 컬럼으로 이루어져 있고, 이들 각 컬럼의 길이가 약 13m인 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 가돌리늄 동위원소 Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶및 Gd¹⁵⁷을 상기 컬럼을 통과시킨후 최소한 이들중의 한 원소를 상기의 다른 유출물에서 분리시키는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 공급용액이 상기 컬럼 길이의 약 0.1% 정도의 길이로 밴드를 형성하는데 충분하고, 상기의 또 다른 용리액의 유속이 0.5 내지 2.0ml/in²(수지컬럼)/분인 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 유출물을 상기의 컬럼을 통해 보내기 전에 상기 컬럼에 공급용액을 추가로 충전시키고 또 다른 용리액을 상기 컬럼을 통해 통과시켜 컬럼내에 제2의 유출물을 형성시키는 방법.
9. 제1항에 있어서, 용리액 및 공급용액중의 질산염 농도가 약 1.5N인 방법.
10. 제1항에 있어서, 또 다른 용리액을 약 40 내지 70℃의 온도하에 상기 다수의 컬럼을 통해 통과시키는 방법.
11. Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶또는 Gd¹⁵⁷의 가돌리늄 동위원소 혼합물과 용리액이 함유된 용액을 이온 교환수지가 함유된 다수의 컬럼을 통해 통과시키고 ; 상기 가돌리늄 동위원소들이 함유된 용액이 상기 다수의 컬럼의 맨끝 컬럼에 존재할 때, Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶및 Gd¹⁵⁷또는 이들의 혼합물로 이루어진 그룹중에서 선택된 가돌리늄 동위원소가 농축된 용액의 밴드를 다른 천연 가돌리늄 동위원소가 농축된 밴드로 부터 분리시키는 단계로 구성됨을 특징으로 하여, Gd¹⁵⁵, Gd¹⁵⁶또는 Gd¹⁵⁷또는 이들 서로의 혼합물로 이루어진 그룹중에서 선택된 가돌리늄 동위원소를 분리하는 방법.
12. 제11항에 있어서, 이온 교환수지가 음이온 및 양이온 교환수지들로 이루어진 그룹 중에서 선택된 방법.
13. 제11항에 있어서, 가돌리늄 동위원소가 농축된 용액의 밴드로부터 가돌리늄을 형성하는 단계가 추가로 포함된 방법.
14. 제11항에 있어서, 이온 교환수지가 주로 강산성 수지로 이루어진 방법.
15. 제13항에 있어서, 이온 교환수지가 주로 강산성 수지로 이루어진 방법.
16. 제17항에 있어서, 이온 교환수지가 주로 양이온 교환 수지로 이루어져 있으며, 용리액에는 EDTA, AcAc 및 BzAc로 이루어진 그룹중에서 선택된 유기화합물이 포함된 방법.
17. 제16항에 있어서, 유기화합물이 EDTA인 방법.
18. 이온 교환수지가 함유된 액체크로마토그라피 컬럼 시스템을 사용하여 가돌리늄 동위원소 Gd¹⁵⁵및 Gd¹⁵⁶및 Gd¹⁵⁷을 분리하는 단계로 주로 구성된 가돌리늄 동위원소의 분리 방법.
19. 제18항에 있어서, 이온 교환수지가 양이온 교환수지인 방법.
20. 제18항에 있어서, 이온 교환수지가 음이온 교환수지인 방법.
21. 제11항에 있어서, 이온 교환수지가 강 및 약산, 유기 및 무기산 수지로 이루어진 그룹 중에서 선택된 방법.
22. 이온 교환수지가 함유된 액체 크로마토그라피 컬럼 시스템을 사용하여 희토류 금속 동위원소들을 분리하는 단계로 주로 구성된 희토류 금속 동위원소의 분리방법.

Images