謎を解くHああZイルコニウムとHアフニウムS離別CのD生きるNえー時代
周期表の「双子の兄弟」であるジルコニウムとハフニウムは、化学的類似性が高いため、分離するのが最も難しい元素ペアの 1 つです。ただし、それらの核特性はまったく異なります。ジルコニウムは中性子吸収断面積が小さく、原子炉の被覆材に最適な材料です。一方、ハフニウムは中性子吸収断面積が大きく、原子炉の制御棒として使用されます。
これらの「双子の兄弟」の分離純度は、原子炉の安全性と効率に直接関係しています。このうち、原子級ジルコニウムスポンジ中のハフニウムの含有量は 0.01% 未満でなければなりません。そのため、ジルコニウムとハフニウムの分離技術は、高純度の原子力級材料を得る鍵となっており、今日の原子力エネルギーやハイテク分野では不可欠なコア技術でもあります。-
課題とニーズ、なぜジルコニウムとハフニウムの分離がこれほど難しいのでしょうか?
ジルコニウムとハフニウムは自然界では常に共存しており、それらの化学的性質は非常に似ています。これは、ランタニドの収縮効果により、それらのイオン半径がほぼ同じになり、化学的分離方法の機能が困難になるためです。
しかし、それらの核性能は大きく異なります。ジルコニウムの熱中性子の吸収断面積はわずか 0.18 ターゲット en ですが、ハフニウムの吸収断面積は 105 ターゲット en にもなります。この大きな違いは、原子力グレードのジルコニウムに少量のハフニウム不純物が存在するだけでも、原子炉の運転効率と安全性に深刻な影響を与える可能性があることを意味します。-
現在、核グレードのジルコニウム材料に対する国際要件は非常に厳しく、ハフニウム含有量は 0.01% (100ppm) 未満でなければなりません。{0}この厳格な基準により、ジルコニウムとハフニウムの分離技術は原子力産業分野における重要な中核技術となっており、また、国の新材料研究開発能力の重要な現れでもある。
1. 従来の方法、再結晶とイオン交換
ジルコニウムとハフニウムの初期の分離は主に再結晶法とイオン交換法に依存していました。再結晶法は、水溶液中のK 2 ZrFとK 2 HfFの溶解度のわずかな差を利用して分離します。
293Kの水に対するK 2 ZrFの溶解度は0.0576 mol/Lであるのに対し、K 2 HfF → の溶解度は0.083 mol/Lであり、前者の溶解度の1.45倍です。多重晶析の温度を制御することにより、溶解度の低い-K ₂ ZrF → が最初に結晶化して析出し、溶解度の高い-K ₂ HfF → が母液中に残ります。
この方法では、ハフニウム含有量を 0.5% ～ 2.0% から 0.01% 未満に減らすために 16-18 回の再結晶が必要ですが、非効率的でコストがかかります。旧ソ連は 1950 年代にこの方法を使用して原子グレードのジルコニアを製造していましたが、現在はより高度な方法に置き換えられています。
イオン交換法は、樹脂上の異なる吸着能力に応じてジルコニウムイオンとハフニウムイオンを分離するために使用されます。ジルコニウムとハフニウムの水酸化物を硫酸で溶解し、元の溶液を精製し、陽イオン交換樹脂を備えた交換カラムに通した。
次に、異なる濃度の硫酸溶液で脱着します。最初に H 2 SO を含む溶液 → 0.5 mol/L でジルコニウムを脱着し、次に H 2 SO を含む溶液 → 1 mol/L でハフニウムを脱着します。旧ソ連だけがこの方法を使用して、ハフニウムに富んだ材料からジルコニウムとハフニウムをさらに分離し、酸化ハフニウムを製造しました。{3}
2. 現代の技術、溶剤抽出技術の優位な地位
溶媒抽出はジルコニウムとハフニウムを分離するための主流の技術となっており、多段階の向流遠心抽出プロセスはこの分野のレベルを代表しています。{0}{1}{1}
· 多段-向流遠心分離-の利点
多段向流設計により、一連の多段遠心抽出ユニットを介して抽出剤とジルコニウムとハフニウムを含む原料液の逆流が実現され、抽出剤の能力を最大限に活用できるため、ジルコニウムとハフニウムが 2 相間で繰り返し分配され、分離係数が大幅に向上します。
遠心力場の効率ももう 1 つの利点です。遠心抽出機は 3000-5000rpm の高速で回転し、生成される超重力場により 2 相の混合と層間剥離が促進され、抽出タンク内で完了する物質移動プロセスが数時間から数秒に短縮され、乳化現象が発生し、純度と安定性が確保されます。
・抽出システムの革新
抽出システムの継続的な革新により、技術の進歩が促進されました。リン酸トリブチル（TBP）は、ジルコニウムに対する選択性が高いため広く使用されていますが、機器を腐食しやすく、酸性度が高いと乳化しやすいです。
この革新的なソリューションでは、相乗的抽出システム (TBP D2EHPA など) を導入しており、配位競合メカニズムを通じてジルコニウムとハフニウムの分布の違いを強化し、分離係数を 30% ～ 50% 増加させることができます。
DIBK-Cyanex923 システムも環境に優しいオプションです。その結果、水相の酸性度が 2.97 mol/L の場合、分離係数は 37.1 に達し、米国の MIBK-HSCN システム (= 9-10) よりも高く、有毒物質に分解されやすいチオシアン酸塩が不要であることがわかりました。
3. 完全防食強化材の新型遠心抽出装置
ZKCQ の新しい高効率リチウム電池化学遠心抽出機は、中科新能源が自動化技術と新材料応用に基づいて構築した、高い分離係数と強力な安定性を備えた国家標準機器です。{0}強酸、強アルカリ、強腐食の場合には、完全防食強化材の使用も可能です。相平衡が短く、多段階のシリーズ/クロスフロー抽出と洗浄を実現でき、深層抽出に適しています。{3}
II.装置の用途
新エネルギーおよび新素材の医療用化学品の製造ファインケミカル、資源再生、湿式冶金、処理、食品加工、バイオエンジニアリング抽出およびさまざまな原料中間体の製造/液体{0}}液体分離: リチウム電池のリサイクル/塩湖リチウム抽出など
浮遊物質がなく、抽出および分離パラメータが高く、相流量比の範囲が比較的広く、遠心力の作用により内部キャビティが完全に洗浄される場合に適しています。密度と粘度の異なる液体材料は、堰板と周波数変換を変更することで調整できます。強酸、強アルカリ、強腐食性環境下での多段抽出分離を実現します。
4. 原子力から航空まで応用の展望
高純度のジルコニウムとハフニウムの材料は、多くのハイエンド分野で幅広い用途が期待できます。-原子力グレードのジルコニウム調製の分野では、ある企業が最適化されたプロセスを採用し、ジルコニウム製品中のハフニウム含有量が 0.5% から 10ppm 未満に減少しました。これは、原子炉のコーティング材料に完全に必要とされています。
航空分野もこの恩恵を受けています。高純度ハフニウム合金の引張強度は 15% 増加し、高温耐性は 1600 度を超え、ロケット エンジンのノズルの中心材料となっています。
Sanxiang New Materials (603663. SH) およびその他の企業は、「ジルコニウム-ハフニウム分離」技術研究を積極的に実施しており、原料としてオキシ塩化ジルコニウムを使用し、「ジルコニウム-ハフニウム分離」技術による高付加価値の核グレード-グレードのジルコニウム材料および高-ハフニウム材料を開発する予定である。戦略的なレイアウト。
「ジルコニウム-ハフニウム分離」によって得られるハフニウム材料は、原子力、高温合金、半導体高-材料などの分野で広く使用されています。
