способ извлечения редкоземельных элементов из жидких сплавов с цинком

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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,

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

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 ZnCl ₂- 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 ZnCl ₂ идет процесс обменного вытеснения неодима в солевой электролит в результате протекания окислительно-восстановительной реакции

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-NdCl ₃ 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%.