RU2522905C1 - Способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком - Google Patents

Способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком Download PDF

Info

Publication number
RU2522905C1
RU2522905C1 RU2012150654/04A RU2012150654A RU2522905C1 RU 2522905 C1 RU2522905 C1 RU 2522905C1 RU 2012150654/04 A RU2012150654/04 A RU 2012150654/04A RU 2012150654 A RU2012150654 A RU 2012150654A RU 2522905 C1 RU2522905 C1 RU 2522905C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
melt
zinc
alloy
rare
alloys
Prior art date
Application number
RU2012150654/04A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012150654A (ru
Inventor
Александр Валерьевич Абрамов
Борис Дмитриевич Васин
Александр Сергеевич Дедюхин
Илья Борисович Половов
Андрей Валерьевич Щетинский
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"
Priority to RU2012150654/04A priority Critical patent/RU2522905C1/ru
Publication of RU2012150654A publication Critical patent/RU2012150654A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2522905C1 publication Critical patent/RU2522905C1/ru

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00—Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50—Reuse, recycling or recovery technologies

Landscapes

  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области создания пирохимических технологий переработки облученного ядерного топлива, а именно к способу извлечения редкоземельных элементов из жидкого сплава с цинком. Предлагаемый способ включает погружение сплава в солевой расплав с последующим переводом редкоземельных элементов из жидкого сплава в расплав путем окисления. При этом окисление редкоземельных элементов осуществляют в расплаве хлорида цинка в интервале температур 420-550°С, а в качестве окислителя используют ионы цинка из расплава. Способ обеспечивает большой выход по массе среди продуктов деления. 2 табл., 2 пр.

Description

Изобретение относится к области создания пирохимических технологий переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ).
В качестве рабочих сред для пирохимической переработки ОЯТ наиболее перспективно использование расплавленных смесей хлористых солей. В основе процессов переработки лежит селекция компонентов ОЯТ в системе «солевой расплав - металл». В качестве металлов целесообразно применять легкоплавкие, например цинк. Распределение компонентов между жидкими солевыми и металлическими фазами можно осуществлять электролизом, либо обменными окислительно-восстановительными процессами. Бестоковые методы значительно проще в технологическом плане. Одной из важных операций при организации технологических схем является извлечение редкоземельных продуктов деления, имеющих большой выход по массе в ОЯТ и высокую суммарную радиоактивность, из жидких сплавов с цинком. На создание такого способа, отличающегося эффективностью и простотой, направлено предлагаемое изобретение.
Анализ уровня техники в данной области свидетельствует о том, что наиболее близким к заявляемому способу является способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком, включающий погружение сплава в солевой расплав с последующим переводом редкоземельных элементов из жидкого сплава в солевой расплав путем окисления (А.В. Ковалевский, В.А. Лебедев и
И.Ф. Ничков "Анодное растворение сплавов иттрия и редкоземельных металлов с цинком в расплавленной смеси хлоридов калия и лития", в кн.: Физическая химия и электрохимия солевых расплавов. Сб. трудов УПИ им. СМ. Кирова, №220, 1973, с.73-76). Извлечение иттрия и редкоземельных металлов (РЗМ) из цинковых сплавов за счет их окисления электрическим током осуществлялось при 500, 600 и 700°С в инертной среде при плотностях тока 0.010-0.015 А/см2 в расплаве KaCl-LiCl.
Основными недостатками этого способа являются: необходимость использования в качестве катода газодиффузионного электрода, омываемового химически агрессивным газом - хлором; сложность управления электрохимическим процессом при создании оптимальных режимов растворения; частичное растворение цинка совместно с РЗМ. Данные факторы приводят к удорожанию и усложнению всей технологии извлечения редкоземельных элементов из облученного ядерного топлива.
Задачей настоящего изобретения является создание эффективного и простого в технологическом оформлении бестокового способа извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком, имеющего большой выход по массе среди продуктов деления.
Указанная задача решается тем, что извлечение редкоземельных элементов из жидкого сплава с цинком, включающее погружение сплава в солевой расплав с последующим переводом редкоземельных элементов из жидкого сплава в расплав путем окисления, осуществляется в расплаве хлорида цинка в интервале температур 420-550°С, а в качестве окислителя используются ионы цинка из расплава.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что редкоземельные металлы могут быть извлечены из жидкометаллических сплавов с цинком в солевую фазу ZnCl2 в результате обменных реакций непосредственно с ионами цинка, содержащимися в расплаве ZnCl2,
Figure 00000001
Для успешного извлечения РЗМ из жидких сплавов на основе цинка, контактирование солевой и металлической фаз необходимо проводить при температурах от 420 до 550°С. Нижний температурный предел обусловлен температурами плавления сплавов, а верхний - высокой летучестью паров хлорида цинка.
В качестве расплава необходимо использовать индивидуальный хлорид цинка, что позволит достичь максимально эффективного извлечения РЗМ и не вызовет загрязнения солевого расплава и жидкого сплава посторонними компонентами.
Результатом рассматриваемой технологической операции является получение хлорида цинка, обогащенного хлоридами редкоземельных элементов, и металлического цинка с низким остаточным содержанием РЗМ, пригодного для вторичного использования в качестве растворителя металлического топлива либо жидкометаллических электродов.
Пример 1
Сплавы Zn-La готовили сплавлением индивидуальных металлов, исходное содержание лантана в сплаве варьировали от 0.2 до 5 мас.%. Выдержку образцов сплавов в расплаве проводили внутри кварцевой ячейки, в которую помещали алундовый тигель с солью и образцами. Расплав в ячейке находился под атмосферой очищенного аргона при 450°С. Время контакта сплавов с расплавленным хлоридом цинка составляло 10 часов. Исходная масса электролита ZnCl2 была равна 15 г, масса сплавов около 3 г. После испытаний в расплав опускали капилляр и производили отбор пробы электролита. Далее расплав охлаждали до комнатной температуры, извлекали образцы сплавов, отмывали и сушили их. В отобранной пробе электролита определяли концентрации лантана, перешедшего в расплав из образцов сплава Zn-La при контакте с хлоридом цинка. Солевой плав и образцы сплавов анализировали методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. В ходе каждого эксперимента определяли содержание лантана в сплавах до и после их выдержки в расплаве ZnCl2.
В процессе контакта сплава Zn-La с расплавом ZnCl2 идет процесс обменного вытеснения РЗМ в солевой электролит в результате протекания окислительно-восстановительной реакции
Figure 00000002
В ходе протекающей реакции образуется лантансодержащий хлоридный расплав на основе ZnCl2. Результаты химического анализа сплавов до и после контакта с хлоридом цинка приведены в табл.1. Там же представлены данные о концентрации лантана в полученном солевом плаве и величины степени извлечения лантана из сплава. Согласно полученным результатам в результате 10 часов выдержки в расплаве хлорида цинка исходный сплав Zn-La обогащается по цинку и значительно обедняется по лантану. Содержание лантана в полученном электролите ZnCl2- ZnCl3 варьируется в зависимости от исходного содержания РЗМ в сплаве.
Таблица 1
Результаты опытов по извлечению лантана из сплавов Zn-La при 450°С в течение 10 часов
Начальное содержание La в сплаве, мас.% Конечное содержание La в сплаве, мас.% Содержание La в плаве ZnCl2-LaCl3, мас.% Степень извлечения La, %
0.16 <0.001 0.03 >99
0.37 0.006 0.08 98
0.86 0.17 0.17 87
4.62 0.53 1.01 89
Средняя скорость растворения лантана из сплава Zn-La 5 мас.% составляет 4.22 мг/(см2·ч), для сплава Zn-La 0.5 мас.% - 0.35 мг/(см2·ч). Потери лантана в процессе обменного вытеснения составляют меньше 0.3%, что соответствует допустимым погрешностям химического анализа.
Пример 2
Сплавы Zn-Nd готовили сплавлением индивидуальных металлов, исходное содержание неодима в сплаве варьировали от 0.2 до 5 мас.%. Выдержку образцов сплавов в расплаве проводили внутри кварцевой ячейки, в которую помещали алундовый тигель с солью и образцами. Расплав в ячейке находился под атмосферой очищенного аргона при 450°С. Время контакта сплавов с расплавленным хлоридом цинка составляло 10 часов. Исходная масса электролита ZnCl2 была равна 15 г, масса сплавов около 3 г. После испытаний в расплав опускали капилляр и производили отбор пробы электролита. Далее расплав охлаждали до комнатной температуры, извлекали образцы сплавов, отмывали и сушили их. В отобранной пробе электролита определяли концентрации неодима, перешедшего в расплав из образцов сплава Zn-Nd при контакте с хлоридом цинка. Солевой плав анализировали методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. В ходе каждого эксперимента определяли содержание неодима в сплавах до и после их выдержки в расплаве ZnCl2.
В процессе контакта сплава Zn-Nd с расплавом ZnCl2 идет процесс обменного вытеснения неодима в солевой электролит в результате протекания окислительно-восстановительной реакции
Figure 00000003
В ходе протекающей реакции образуется неодимсодержащий хлоридный расплав на основе ZnCl2. Результаты химических анализов сплавов до и после контакта с хлоридом цинка приведены в табл.1. Там же представлены данные о концентрации неодима в полученном солевом плаве и величины степени извлечения неодима из сплава.
Таблица 2
Результаты опытов по извлечению неодима из сплавов Zn-Nd при 450°С в течение 10 часов
Начальное содержание Nd в сплаве, мас.% Конечное содержание Nd в сплаве, мас.% Содержание Nd в плаве ZnCl2- NdCl3, мас.% Степень извлечения Nd, %
0.18 <0.001 0.04 >99.5
0.47 0.002 0.11 99.6
0.88 0.007 0.21 99.2
4.72 0.06 0.16 98.7
Согласно полученным результатам после 10 часов выдержки в расплаве хлорида цинка исходный сплав Zn-Nd обогащается по цинку и значительно обедняется по неодиму. Содержание неодима в полученном электролите ZnCl2-NdCl3 варьируется в зависимости от исходного содержания РЗМ в сплаве.
Таким образом, показана возможность глубокого извлечения редкоземельных продуктов деления из сплавов на основе цинка в ходе обменной реакции с расплавленным хлоридом цинка.
Технический результат заключается в том, что глубина извлечения лантана и неодима из сплавов с цинком в расплавленный хлорид цинка при температурах 420-550°С составляет свыше 99%.

Claims (1)

  1. Способ извлечения редкоземельных элементов из жидкого сплава с цинком, включающий погружение сплава в солевой расплав с последующим переводом редкоземельных элементов из жидкого сплава в расплав путем окисления, отличающийся тем, что окисление редкоземельных элементов осуществляют в расплаве хлорида цинка в интервале температур 420-550°С, а в качестве окислителя используют ионы цинка из расплава.
RU2012150654/04A 2012-11-26 2012-11-26 Способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком RU2522905C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012150654/04A RU2522905C1 (ru) 2012-11-26 2012-11-26 Способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012150654/04A RU2522905C1 (ru) 2012-11-26 2012-11-26 Способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012150654A RU2012150654A (ru) 2014-06-10
RU2522905C1 true RU2522905C1 (ru) 2014-07-20

Family

ID=51213867

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012150654/04A RU2522905C1 (ru) 2012-11-26 2012-11-26 Способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2522905C1 (ru)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1533138C3 (de) * 1966-02-08 1973-09-27 United States Atomic Energy Commission, Germantown, Md. (V.St.A.) Verfahren zur Trennung des Plutoniums von Uran
WO2000079542A1 (en) * 1999-06-17 2000-12-28 Clean Technologies International Corporation Metal alloy storage product and treatment process for radioactive waste

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1533138C3 (de) * 1966-02-08 1973-09-27 United States Atomic Energy Commission, Germantown, Md. (V.St.A.) Verfahren zur Trennung des Plutoniums von Uran
WO2000079542A1 (en) * 1999-06-17 2000-12-28 Clean Technologies International Corporation Metal alloy storage product and treatment process for radioactive waste

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А.В. Ковалевский и др. "Анодное растворение сплавов иттрия и редкоземельных металлов с цинком в расплавленной смеси хлоридов калия и лития" в кн.: Физическая химия и электрохимия солевых расплавов. Сб.трудов УПИ им. С.М. Кирова, 220, 1973, 73-76. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2012150654A (ru) 2014-06-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chamelot et al. Feasibility of the electrochemical way in molten fluorides for separating thorium and lanthanides and extracting lanthanides from the solvent
Gibilaro et al. Co-reduction of aluminium and lanthanide ions in molten fluorides: Application to cerium and samarium extraction from nuclear wastes
Saïla et al. Electrochemical behaviour of dysprosium (III) in LiF–CaF2 on Mo, Ni and Cu electrodes
RU2603844C1 (ru) Способ переработки нитридного отработавшего ядерного топлива в солевых расплавах
US8506786B2 (en) Method for recovery of residual actinide elements from chloride molten salt
Souček et al. Pyrochemical reprocessing of spent fuel by electrochemical techniques using solid aluminium cathodes
Souček et al. Exhaustive electrolysis for recovery of actinides from molten LiCl–KCl using solid aluminium cathodes
US10066307B2 (en) Electrolytic method, apparatus and product
Novoselova et al. The influence of the temperature and Ga-In alloy composition on the separation of uranium from neodymium in molten Ga-In/3LiCl-2KCl system during the recycling of high-level waste
Wang et al. Electrochemical behavior of Th (IV) and its electrodeposition from ThF4-LiCl-KCl melt
Novoselova et al. Thermodynamic properties of ternary Me-Ga-In (Me= La, U) alloys in a fused Ga-In/LiCl-KCl system
US20050139474A1 (en) Electrochemical cell for metal production
Sakamura et al. Electrowinning of U-Pu onto inert solid cathode in LiCl-KCl eutectic melts containing UCl3 and PuCl3
Cvetković et al. Study of Nd deposition onto W and Mo cathodes from molten oxide-fluoride electrolyte
Novoselova et al. Electrode processes and electrochemical formation of Dy-Ga and Dy-Cd alloys in molten LiCl–KCl–CsCl eutectic
Park et al. Electrolytic reduction behavior of U3O8 in a molten LiCl–Li2O salt
Ota et al. Purification of rare earth bis (trifluoromethyl-sulfonyl) amide salts by hydrometallurgy and electrodeposition of neodymium metal using potassium bis (trifluoromethyl-sulfonyl) amide melts
Murakami et al. Electrochemical measurement of diffusion coefficient of actinides and rare earths in liquid Cd
CN105862082A (zh) LiCl-KCl熔盐体系中钕-锌共还原提取Nd的方法
RU2522905C1 (ru) Способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком
Hur et al. Preparation and melting of uranium from U3O8
Luo et al. Kinetics process of Tb (III)/Tb couple at liquid Zn electrode and thermodynamic properties of Tb-Zn alloys formation
RU2499306C1 (ru) Способ очистки облученного ядерного топлива
US20060137992A1 (en) Separation of metals
JP4103661B2 (ja) 鋼中析出物及び／又は介在物の抽出分析用電解液、及びそれを用いた鋼中析出物及び／又は介在物の電解抽出方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20141127