СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ
METAL ION SEPARATION METHOD

Изобретение относится к области разделения ионов металлов и их изотопов под воздействием электромагнитного поля в диссоциированных растворах и может быть использовано при переработке отработавшего ядерного топлива и руд, содержащих редкоземельные элементы, для очистки промышленных и бытовых стоков.
Известен способ (патент РФ №94019755) разделения диссоциированных водных растворов под воздействием электростатического или электромагнитного поля на три (или две) части: водную, анионитную и катионитную, содержащую ионы металлов, фракции, и относится: к теплоэнергетике - водная фракция может быть использована для питания паровых котлов, а водород и кислород - в топках котлов; к химической промышленности - водород, кислород и водная фракция могут использоваться в химических процессах; к экологии - для очистки сточных вод химических и гальванических цехов от солей тяжелых металлов и извлечения их гидроксидов из растворов.
Недостатки этого способа связаны с отсутствием разделения ионов металлов в катионитной фракции, что обусловливает проведение дополнительных переделов по разделению.
6
7
Известен способ (патент РФ №2192918), предназначенный для химической, медицинской промышленности и ядерной техники и представляющий собой разделение изотопов Li и Li в насыщенном водном растворе LiCl путем воздействия электромагнитного излучения на границе раздела фаз газ-твердая фаза или газ-жидкая фаза.
Недостатки этого способа связаны с использованием насыщенных (концентрированных) растворов и сложных устройств.
Наиболее близким к изобретению является способ индуцированного селективного дрейфа катионных аквакомплексов в растворах солей под действием асимметричных электрических полей, наблюдаемого при частотах, которые не превышают десятки килогерц (Бойко В.И., Казарян М.А., Шаманин И.В., Ломов И.В. Явление электроиндуцированного селективного дрейфа аквакомплексов в растворах солей// Краткие сообщения по физике ФИАН. - 2006. - №7. - С.23-31). Способ заключается в том, что массоперенос катионов магния и кальция происходит в растворах хлоридов, электроизолированных от электродов, на которые "нагружен" источник напряжения.
2
2
2+
2+
Амплитудные значения напряженности электрического поля, при которых явление имеет место, составляют единицы вольт на сантиметр, что позволяет отнести данный способ к энергосберегающим. Экспериментами показано, что после 6 часов воздействия асимметричного поля высокой частоты (5 кГц) на водный раствор солей MgCl и CaCl с концентрацией 2 г/литр наблюдается ориентированный дрейф сольватированных катионов. В зависимости от амплитуды напряженности и коэффициента асимметрии наблюдается преимущественный дрейф катионов Mg или Са.
Таким образом, имеет место устойчивый эффект ориентированного, селективного дрейфа катионных аквакомплексов в асимметричном электрическом поле высокой частоты.
Недостатком прототипа является использование общих закономерностей разделения в растворах с различными сольватированными ионами (катионами металлов) при возбуждении эффекта селективного дрейфа и, как следствие, относительно низкая эффективность.
Цель изобретения - разработка способа разделения сольватированных ионов в растворах, основанного на возбуждении явления индуцированного селективного дрейфа в условиях, обеспечивающих высокую эффективность.
Цель достигнута тем, что для данного способа установлены и использованы закономерности, связывающие основные параметры явления амплитуд напряженности электромагнитного поля в положительном и отрицательном полупериодах, молекулярных масс сольватированных катионов, радиусов сольватных оболочек.
От прототипа изобретение отличается тем, что при применении явления индуцированного селективного дрейфа как способа обогащения сольватированных ионов в растворах:
3
3
3
3
-
+
1. Оптимальные значения отношения амплитуд напряженности поля в положительном и отрицательном полупериодах определяются отношением молекулярных масс сольватированных катионов, то есть кубом (третьей степенью) отношения радиусов сольватных оболочек. Так, например, значения радиусов сольватных оболочек, полученные в приближении существования в растворе самосогласованного поля, составляют 12,73 мкм для катиона иттрия и 13,86 мкм для катиона церия. Куб отношения радиусов, таким образом, составляет 0,775. Обогащение водного раствора смеси солей Y(NО) и Се(NО) катионами церия наблюдается у потенциального электрода при частоте поля 1,6÷1,7 кГц и отношении амплитуд напряженности поля Е/Е≈0,8.
-1
-4
3
3
3
3
2. Временная зависимость напряжения на потенциальном электроде имеет форму однополярных импульсов, а их длительность, скважность и амплитуда определяют коэффициент разделения. Так, например, когда отрицательный полупериод "срезается", на раствор соли действуют однополярные импульсы положительного напряжения =(2ν) со скважностью 2. При амплитуде напряженности поля 20 В/см, частоте поля 1,6÷1,7 кГц, т.е. при =(3,125÷2,94)·10 с, и скважности 2 обогащение водного раствора смеси солей Y(NO) и Се(NО) катионами церия наблюдается у потенциального электрода, а катионами иттрия у заземленного электрода.
3. Отбор обогащенного (обедненного) раствора осуществляется из объема, накапливаемого за потенциальным электродом (сеткой), за которым не размещено никаких электродов.
3
3
3
3
3
3
3
3
+
-
+
3+
Обогащение катионов в водном растворе представлено на примере разделения Се и Y. Внутренний объем многосекционной ячейки заполняют водным раствором смеси солей Се(NО) и Y(NО) с концентрациями 3,5 и 3 г/л соответственно. Между секциями расположены изолированные электроды с отверстиями (потенциальные сетки). Циркуляцию раствора не проводят. На потенциальные сетки подают асимметричное напряжение. Экспериментальные данные, полученные при воздействии поля с напряженностью Е=14,3 В/см, отношении амплитуд напряженности поля в отрицательном и положительном полупериодах (коэффициенте асимметрии) А/А=0,66, показали, что для указанных выше параметров поля наблюдается преимущественный дрейф катионов Се в сторону электродов и повышение их концентраций в центральной секции. Обогащение водного раствора смеси солей Се(NО) и Y(NO) аквакомплексами церия в центральной секции в различной степени происходит в интервале частот 1,6-7 кГц при тех же напряженности поля и коэффициенте асимметрии. Увеличение частоты выше 7 кГц усложняет картину ориентированного дрейфа аквакомплексов церия. Условия проявления эффекта в водном растворе солей церия и иттрия показывают возможность его использования в технологии элементного обогащения водных растворов солей при комплексной переработке ядерных сырьевых материалов. Схема разделительного элемента приведена на фиг.1.
1
2
i
j
1
1
На вход элемента (патрубок поз.1, фиг.1) поступает исходная смесь (водный раствор смеси солей металлов Me и Ме) - поток питания L с концентрациями С и C соответственно. Из элемента выходят два потока: отбор L' (водный раствор, обогащенный по Me, патрубок поз.2, фиг.1) и отвал L" (водный раствор, обедненный по Me, патрубок поз.3, фиг.1).
1
i
2
j
i
j
1
2
1
2
Концентрации металлов в растворе в отборе равны: Me - С'; Ме - C', а в отвале - С" и С" соответственно. При этом отбор обогащается катионами Me и обедняется катионами Ме, а отвал, наоборот, обедняется катионами Me и обогащается катионами Ме.
Установка разделения сольватированных ионов в растворах основанного на возбуждении явления индуцированного селективного дрейфа включает в себя многосекционную (3-секционную ячейку на фиг.2) из органического материала. Боковые крышки (фиг.2, поз.4) выполнены из оргстекла и выполняют функции подачи и отбора солевого раствора. Секции (фиг.2, поз.7) разделены изолированными потенциальными сетками высокой прозрачности (фиг.2, поз.6). Уплотнения - резиновые прокладки (фиг.2, поз.5). Ячейка собирается с помощью четырех шпилек. Центральная часть шпилек электроизолирована. В центральной секции и в боковых крышках выполнены патрубки (фиг.2, поз.1, 2, 3) из химического стекла. Прокачка раствора обеспечивается с помощью перистальтического насоса. Процесс селективного дрейфа наблюдается в центральных секциях установки.
В таблице приведены экспериментально определенные значения величин.
Концентрация компонентов
Концентрация, отн. ед.
Поток питания
Отбор
Отвал
С<sub>Cе</sub>+С<sub>Y</sub>
0,99284
1,00000
1,00179
С<sub>Y</sub>
0,99254
1,00249
1,00000