СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ ЖИДКИХ СПЛАВОВ С ЦИНКОМ
METHOD OF RARE-EARTH ELEMENTS EXTRACTION FROM LIQUID ALLOYS WITH ZINC

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
2
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/см 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.
2
2
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что редкоземельные металлы могут быть извлечены из жидкометаллических сплавов с цинком в солевую фазу ZnCl в результате обменных реакций непосредственно с ионами цинка, содержащимися в расплаве ZnCl,
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
2
2
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 ZnCl 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 ZnCl.
2
В процессе контакта сплава Zn-La с расплавом ZnCl идет процесс обменного вытеснения РЗМ в солевой электролит в результате протекания окислительно-восстановительной реакции
2
2
3
В ходе протекающей реакции образуется лантансодержащий хлоридный расплав на основе ZnCl. 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 ZnCl- ZnClварьируется 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 ZnCl<sub>2</sub>-LaCl<sub>3</sub>, 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
2
2
Средняя скорость растворения лантана из сплава Zn-La 5 мас.% составляет 4.22 мг/(см·ч), для сплава Zn-La 0.5 мас.% - 0.35 мг/(см·ч). Потери лантана в процессе обменного вытеснения составляют меньше 0.3%, что соответствует допустимым погрешностям химического анализа.
Пример 2
2
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 ZnCl 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 ZnCl.
2
В процессе контакта сплава Zn-Nd с расплавом ZnClидет процесс обменного вытеснения неодима в солевой электролит в результате протекания окислительно-восстановительной реакции
2
В ходе протекающей реакции образуется неодимсодержащий хлоридный расплав на основе ZnCl. 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 ZnCl<sub>2</sub>- NdCl<sub>3</sub>, 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
2
3
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 ZnCl-NdCl 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%.