第7卷 第2期 2 0 1 7 年4月 有色金属工程 Nonferrous Metals Engineering V01.7.NO.2 April 2 0 1 7 doi:10.3969/j.issn.2095—1744.2017.02.007 锆铪分离技术的研究现状及发展趋势 柴延全,郑仕鸿,赵 卓 (安徽工业大学冶金工程学院,安徽马鞍山243032) 摘 要:锆和铪具有相反的核性能,在核工业里的应用差别很大。但自然界中锆和铪几乎总是共生的,化学性质极为相似,彼此 分离困难,二者分离是生产核级锆铪的关键。综述了锆铪分离技术的湿法冶金和火法冶金分离技术的研究现状以及各种方法的 优缺点,重点介绍了溶剂萃取法和熔盐萃取法,指出熔盐萃取法可避免湿法冶金分离技术操作的繁琐性,大幅度缩短生产周期,减 少环境污染,是一种环境友好型的新方法,有望成为今后锆铪分离的重要研究方向。 关键词:锆;铪;湿法冶金分离;火法冶金分离;熔盐萃取 中图分类号:TF803.2 3 文献标志码:A 文章编号:2095—1744(2017)02 ̄030—06 Research Status and Trend of Zirconium and Hafnium Separation CHA1 Yanquan,ZHENG Shihong,ZHAO Zhuo (School of Metallurgical Engineering,Aanhui University of Technology,Ma’an shah 243032,China) Abstract:Zirconium(Zr)and hafnium(Hf)have different applications in nuclear industry due to their opposite nuelearity.However,the chemical properties of Zr and Hf are significantly similar and they are always symbiotic in nature.Thus,the separation of Zr and Hf remains challenging and becomes the key process of the nuclear—grade zirconium and hafnium preparation.The recent studies of hydro—and pyro— metallurgical technology were reviewed.Both the advantages and drawbacks of the main methods were discussed.Solvent extraction and molten salt extraction were especially introduced.Molten salt extraction is significantly less complex than hydrometallurgical technology,which leads to a much shorter production cycle and is also environmental—friendly,such that it will be the important aspectof Zr—Hf separation study. Key words: zirconium;hafnium;hydrometallurgical separation; pyrometal1urgical separation; mo1ten sa1t extra tjon 锆和铪是核工业的两种重要稀有金属材料,在核 电领域具有良好的市场前景和技术开发空间。锆除 具有优异的核性能外,还具有其它许多优异的性能, 如常温下极为稳定、耐辐射、耐腐蚀、强度大、加工性 堆的热中子吸收材料,控制核反应堆的反应速度 。 在自然界中铪几乎全部分散在锆矿物里,二者 呈类质同象存在,铪在锆中的含量一般不超过2%。 而用于核反应堆中的核级锆要求含有尽可能低的铪 能好等 。 。锆具有很小的热中子俘获面(0.18 b (1 b=10 m /原子)),可以阻止铀辐射泄漏,防止 以降低其对中子的吸收系数。核级锆中铪含量要小 于0.O1%,核级铪中锆的含量要小于2% 锆铪分离是制备核级锆和核级铪的关键。 20世纪50年代就有了锆铪分离的研究 ,随 后关于锆铪分离的探索研究、专利、论文越来越多, 目前锆铪分离的方法可分为湿法冶金分离和火法冶 金分离两大类。 。但由 核辐射;且能保证核反应堆中有足够的热中子数量以 维持核裂变反应的连续进行,成为当今核电站高性能 燃料元件包壳的首选材料。与锆相反,铪具有较大的 热中子俘获面(105 b),中子吸收系数高,常用于核反应 收稿日期:2016-o4.25 基金项目:国家自然科学基金资助(51274005) 于锆和铪的化学性质非常相似,分离很困难。因此, 作者简介:柴延全(1991一),男,河南信阳人,硕士研究生,主要从 事稀贵金属分离与提取研究。 1 锆铪湿法冶金分离技术 湿法冶金分离锆铪技术主要有分步结晶法、 通信作者:赵卓(1979一),男,河南南阳人,副教授,博士,主要从 事稀贵金属分离与提取研究。 第2期 柴延全等:锆铪分离技术的研究现状及发展趋势 31 分级沉淀法、离子交换法和溶剂萃取法等 。其 中分步结晶法和分级沉淀法都是利用锆铪的某一 种化合物在某特定溶液中溶解度不同的特点达到 H sO 溶液体系中树脂对锆和铪的络阴离子均有很 好的吸附效果,但在HNO 溶液体系中基本无吸附。 在HC1溶液体系中,树脂对锆铪的吸附率随盐酸浓 锆铪分离的目的。与其他湿法分离锆铪的方法相 比,溶剂萃取法具有产量大、设备简单、便于自动 化、成本低等优点,是工业上分离锆铪的主要 方法。 1.1分步结晶法 度的增加而增加,但与在HC1溶液体系中不同,在 H,sO 溶液体系中,树脂对锆铪的吸附率在低浓度 H,sO 溶液中反而更大。三种树脂相比,D296 7 型树脂对锆铪的吸附效果最好。SMOLIK等 研 究了Diphonix ̄螯合树脂吸附分离锆铪的效果,考 分步结晶法主要是利用锆和铪化合物溶解度的 不同达到锆铪分离的目的。其中对K ZrF 和 K。HfF 的研究较多,由于K:HfF 在水中的溶解度是 K ZrF 的2倍,最终可将铪富集在母液中 。 分步结晶法曾被俄罗斯应用于工业上分离锆铪 制备核级锆,但至少要经过18步的结晶分离才能得 到核级锆,并且整个分离过程不连续、效率低 。 经过改进,将分步结晶法与甲基异丁酮(MIBK)萃 取法相结合,先用氟硅酸钾溶化分解锆砂,再通过分 步结晶法将锆结晶出来,而铪富集在母液中,随后用 MIBK萃取法更进一步地分离锆铪,最终可得到核 级锆,但改进后的方法仍无法摆脱操作不连续、效率 低等缺点。 1.2分级沉淀法 分级沉淀法主要是利用锆和铪可与某些阴离子 形成溶解度不同的沉淀物来实现锆铪分离。由于锆 的焦磷酸盐在盐酸中的溶解度较大,会优先溶于盐 酸溶液,形成含铪较少的溶液,早期研究较多的是设 法形成锆铪的焦磷酸盐… 。近年来,解西京等¨ 研究了新的沉淀剂——柠檬酸,发现在中性或弱酸 性条件下,柠檬酸与锆和铪形成沉淀的速度差别很 大,并且锆铪沉淀率都随着金属离子与柠檬酸摩尔 比的增加先增加后减小,最佳摩尔比为1.7时锆铪 分离系数可达到9.3。 1.3离子交换法 离子交换法主要是利用锆和铪能够水解成几种 不同形式的阳离子,或者与某些特定的离子形成稳 定的络阴离子的特性,通过相应的阳离子或阴离子 交换树脂吸附分离锆铪。 目前对不同阴阳离子交换剂分离锆铪的研究已 有很多。STREET和SEABORG¨ 早在1948年就对 苯基磺酸型强酸性阳离子交换树脂Dowex.50进行 了研究,虽然当初研究规模很小,但具有指导意 义。刘黎等¨ 研究了三种强碱性阴离子交换树脂 D296¥7、D290 7、201 7分别在HC1、H2 SO4、 HNO 溶液体系中对锆铪的分离吸附,发现在HC1和 察了介质、流速、温度等因素对分离效果的影响。发 现在硫酸介质中,较高的温度和较慢的流速有利于 得到更好的锆铪分离效果。 离子交换法的缺点在于单次过柱吸附分离不能 得到核级锆,且过程不连续、效率不高。并且从经济 方面考虑,昂贵的离子交换树脂不利于工业应用。 1.4溶剂萃取法 溶剂萃取法是目前工业上分离锆铪的主要方 法。目前,工业上应用的溶剂萃取法主要有MIBK (甲基异丁基酮)法 、TBP(磷酸三丁酯)法 、 N235(三烷基叔胺)法 、P204(二(2一乙基己 基)磷酸)法 , , ¨等。其中MIBK法具有萃取容量 大、锆铪分离效果好、分离系数大等优点,全球约三 分之二核级锆的生产均采用MIBK法,如西部锆公 司(属于美国西屋公司)和华昌公司等。 1.4.1 MIBK法 MIBK为饱和脂肪一元酮,分子式为 (CH ) CHCH COCH 。在MIBK的分子结构中, 羰基及邻接的氢原子化学性质非常活泼。MIBK 萃取剂是一种中性含氧类萃取剂,在萃取分离锆 铪过程中,萃取机理为络合萃取。在用MIBK萃取 分离锆铪时,通常都是在硫氰酸盐溶液中,原因主要 是锆和铪与SCN一生成络合物的稳定性不同,其中 铪与硫氰酸盐的络合能力更大,萃取过程中优先进 入有机相,而锆则以硫氰酸盐的形式留在水相,从而 实现二者有效分离。工业上多采用MIBK—HSCN 体系,一般水相中加NH SCN,而有机相则用HSCN 来饱和。其中,锆和铪与SCN一生成络合物的化学 反应方程式为: HfO“+2SCN~+H2O=Hf(OH)2(SCN)2 (1) ZrO“+2SCN~+H2O=Zr(OH)2(SCN)2 (2) 此外,锆铪的分配比及分离系数都随溶液中 SCN一含量的增加而增大。同时,硫酸盐对MIBK萃 取分离锆铪的能力有促进作用。 工业上通常先将锆英石在流态化床反应器内加 炭直接氯化,得到粗zr(Hf)cl ,再将粗Zr(Hf)C1 32 有色金属工程 第7卷 转移到MIBK—HSCN体系中进行萃取分离,锆铪分 离因子能达到80。由于MIBK在水中具有较高的溶 解度,在水中的溶解损失较大,而MIBK易挥发,容 锆离子化合物,再经过淋洗得到较纯的锆液,后经过 多次萃取分离,最终得到核级氧化锆,锆铪分离系数 在3左右。体系中游离酸浓度对分离系数影响很 大,随着酸浓度的增加,锆铪分离系数急剧增加。侯 嵩寿等 对N235法进行了改进,如改变有机相的 易引起火灾或爆炸,且配合物硫氰酸不稳定,易分解 出硫化氢、氢氰酸等有毒气体等,对环境污染较大。 随后,国内外学者对MIBK法进行了一系列的改进 浓度及组成,降低N235的浓度,并由届一支链伯醇 代替二辛醇作添加剂;改变洗涤液用无铪硫酸锆溶 研究 ,如调整水相条件减少MIBK的溶解,提高 锆料液的浓度且降低酸度,降低萃取剂及配合物的 液代替纯硫酸作洗涤剂,这样既可得到高质量的产 浓度等。通过改进,在一定程度上减少了该工艺污 染环境的问题。 1.4.2 TBP法 TBP是一种磷酸酯,分子式为(C H。) PO ,是 一种中性含氧类萃取剂,在萃取分离锆铪机理也 为络合萃取。TBP法是除MIBK法以外,工业上用 的最多的方法。在用TBP萃取分离锆铪时,通常 都是在溶液中,主要是因为锆的离子半径略 小于铪,与NO;的结合能力比铪大,萃取分配比大 于铪的萃取分配比。萃取过程中锆以盐的形 式转入有机相中,而铪则留在萃余液中,最终实现 锆铪分离。 工业上采用的萃取体系多是TBP—HNO 一HC1 体系,此体系中锆铪的分离系数可达到30。其中, 酸根的种类对TBP萃取分离锆铪的影响非常明显, 如用20%的TBP溶液分别在和硫酸溶液中萃 取分离锆铪,锆的分配比分别为4.25和2.15,锆铪 的分离系数随TBP的浓度增大而增大,但高浓度的 TBP黏度太大,不利于分相,一般TBP的浓度选在 50%左右。 分配比受锆初始浓度的影响也较大,浓度越大 分配比越小,由于浓度增加,锆离子在水相中易于聚 合,使得分配比降低。 TBP法具有萃取容量大、锆铪分离系数大、产能 大等优点。但由于强酸的存在,对设备腐蚀太严重。 此外,该工艺最致命的弱点是会产生乳化现象,导致 生产不能连续进行。 1.4.3 N235法和P204法 N235是一种对称直链饱和叔胺,分子式为 [CH (CH ) ] N,在分离锆铪过程中,萃取机理为 离子缔合萃取。我国在l9世纪70年代开始对 N235一H SO 体系在萃取分离锆铪方面进行了研 究,80年代又对其进行了改进,90年代才将其成功 应用于工业生产。 工业上多是先将锆英石碱溶,再用N235一H,SO 体系进行萃取。N235萃取剂会优先萃取溶液中的 品,也能保证萃取有机相中锆的浓度等。通过改进 后,锆的萃取率达到了94.7%。 N235法虽具有萃取分相好,劳动环境优良,环 境污染小等优点,但由于N235萃取容量小,为了更 好地分相,需较小浓度的N235,由此导致萃取设备 大,生产车间占地面积大。 P204分子式为(C H。 ) POOH,是一种磷酸类 树脂。由于P204在H,SO 介质中对铪的萃取能力 远大于锆,因此通常用N235法萃取分离锆铪制备 核级氧化锆的萃余液作P204法的原料来制备核级 氧化铪。有机相中氧化铪的浓度与原水相中氧化铪 的浓度成正比,体系中P204的浓度和水相中氧化铪 的浓度对分离效果影响较大,萃铪能力随P204浓度 的增大而增大 。考虑到分相效果,P204的浓度 在10%~15%为宜,分离效果比较理想,分离系数 最小值大于4.5” 。P204法的缺点是萃取所需 P204的浓度较低,导致萃取设备较大,而且萃取过 程中需消耗大量硫酸,因此中和废水所需的碱量也 很大。 1.4.4其他溶剂萃取法 虽然现有的溶剂萃取法能实现锆铪的有效分 离,但仍存在生产周期长、投资较大、三废处理难、环 境污染严重等缺点,因此成本低、t亏染小的新型萃取 体系是近年来溶剂萃取分离技术的研究热点。如 DIBK(二异丁基甲酮)体系 、PSO(石油亚砜)体 系 、Cyanex272体系 、1,3一二氰丙烷体系 等,这为污染小、分离高效萃取技术的研究提供了新 思路。此外,新的协同萃取体系的研究,充分利用不 同萃取剂之间的协同效应 ,提高锆铪的分离系数 也应是研究的重点。 2锆铪火法冶金分离技术 火法分离锆铪主要是基于锆铪及其化合物物化 性质上的差异,如锆铪氯化物的相对挥发性,锆铪及 其化合物的氧化还原性,锆铪的电化学特性和锆铪 及其卤化物在熔盐与金属相之间迁移等,相对应的 第2其¨ 柴 伞 :锚铪分离牲水的伸f究现状及发 趋势 方法lj』似括为熔盐精船法、选择性还原法、熔 电解 法和熔盐举取法。 2.1熔盐精馏法 熔盐精{.f}i法主要 r ZrCI 和HCC1 蒸汽 的不 同来实观错铪分离。住523 K时,Hf(:1 的挥发性约 是ZrCl 的1.7倍。研究 叫气固反应分离效率低 且产 l J】质 差 ,通过熔盐体系中I,I勺 C液反幔可取 得较好的分离效果 、!“1法国塞佐 d(CEZUS)公 司采川熔盐气液分离法于l981年在AICI 一KC1和 FeC1 一KCI熔盐体系成功实现了工、l 化分离锆铪, 这也是火法冶金分离锗铪方法中成功川于 I 、 生产 的唯一力‘法。该法主要利用HfCI zrCl 熔剐l KC1一AIC1 熔盐体系 f,饱和蒸汽 的蓐肄进行分离, 最终Ii『得到核级ZrC1 , 时得到 (HfCl )禽量为 30%~50%的富集物 该法的优点足讧弋剂消耗少、 三废污染少、流程短等,缺点足工作泓俊高,对没备 材料要求高、 2.2选择性还原法 选择性还原法主 培于zrCl 和HfCI 还原性的 同,J(- t 最具有指导崽义的就是Newn]ibm法 ,该 法选川ZrC1 或金属锆作还原剂,将其 ZrCI 和HfCI 的混合物一起加热,保持Hf(:l 发生反 ,ZrC1 被还 原成不 挥发性的zrcl ,然后通过升华分离得到 ZrC1 ,Z r CI 发生歧化反心生成ZrC1 和ZrCI ,副产品 z ’Cl,被『fl1收作为还原剂进行循环利月J 研究发现Newnham法存住一些缺点,如zrcl 的还原反啦及ZrC1 的歧化反应都需特定的恒定温 度,控制比较 难,而I_L原料易发牛川聚,f-气 同反』、 速率。 2.3熔盐电解法 研究发现在728 K,l,iCl—KC1熔盐【fJ,Zr“/Z]’ 与H /Hf的还原电他分别为1.86 V和1.88 V 、 管锆铪的电化学特性比较相近, 通过熔盐电解 法分离错铪的研究也订报道,其中最』 彳『指导意义 的是KIRIHARA的研究 。‘“’、陔法将zl’cl。和HfC1 混合}{:f入熔盐巾,控制电压,ZrC1 被还原成z CI ,并 覆盖 极表而,达到一定程度的销铪分离,继续 I州一熔盐体系进行电斛,以覆盖有ZrCl 的阴极作『5H 极,加入新的阴极,阴极会附着新的zt’Cl , 时『5几极 产牛气念的ZrC1 ,通过冷凝进行收集 电解过程中 电解柑『人】ZrCl 的质量稳定可通过不断『J【j入ZrC1 进 行保Ⅲ0所得ZrC1 中的Hf含量低于0.0l%, 但由 于操作复杂不连续、产率低等缺点,该法术能虚用于 II\ J 2.4熔盐萃取法 熔盐苹取法义称为熔盐一金属平衡法。 原 主要是基于铪比钴 l 电性强的特点,利刖熔盐相与 金属合金柚问平衡将铪分离到盐相,而锆保留在金 属合金相,然后将金属合金蒸馏净化,得到纯的金属 锆。MEGY于l978年和l979年就已经连续报道_『 利Ⅲ熔盐t 金属锌相平衡进行锆铪分离的方 法 。 。 ‘先将锆和铪溶于熔融金属锌中,形成合 金,冉将熔融合金相与含锆的熔融氯/氟盐相接触, 合金卡f{中的金属铪会转移到熔融盐相,并 换熔盐 qt的锆离子从 得到金属锆,随后金属锆转移到熔 融金属相,从I『lf实现锆铪分离。实验室获得的锆铪 分离系数达到了300,但在随后蒸馏提取锆的过程 中,锆与锌易形成金属问化合物,获得纯错难度较 大,影响了核级锆的纯度 基于MEGY的 [艺,XIAO等 采刚低熔点非 活泼CuSn合金取代金属锌,再溶入锆干¨铪,作金 属合金相,以禽CuCI,的熔融氯盐混合物作为熔盐 _1:¨。往平衡反应过程中,熔融合金相中的金属铪 被选择性地氧化以HfCI 的形态转入熔盐棚,而熔 盐相中的CuCI !J!IJ被还原成金属铜进入熔融合金 4:【1,同时也会有部分锆不n丁避免的被氧化损失进 入熔盐相。最后采用电解精炼,将锆与(:u—Sn合 金进行分离,得到纯的金属锆。其基本原 如网l 所 、 图1 熔盐萃取法分离锆铪的基本原理示意图 Fig.1 Prin(‘ilple diagram zi r(、oni/lnl and ha1.nilllN' sl ̄|)al’ation by mo]ten salt extraction 式(3)~(6)给 了Hf、zr CuC1 反』、 的方程 式及反应平衡常数..从式(3)~(6)可以看ⅢHf与 CuCI,反应的平衡常数大于锆与CuCI,反心的平衡常 数, 此,II『通过优化熔盐葶取法的一些反应I人11数 (如反应时 、熔盐中CuCI,的含 等)来提高锆铪 分离系数, 热力学卜是町行的 Hf ,I+2 C11Cl2 r lf一- ̄2Cu I+HfCI 4 J.1 K =1.020×10 ’ (3) 有Hf 】]+CuC12 ]1÷C 1]+HfC12[色金属工程 第7卷 salt] [1 O]VINAROV I V.Modern methods of separating zirconium and K85o℃:3.537×10” (4) hafnium[J].Russian Chemical Reviews,1967,36(7): 522—536. 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(下转第40页,Continued on P40) 有色金属工程 第7卷 2)硫酸钠的存在(浓度≤0.15 mol/L)有利于 提高除铁率和渣中铁含量并能降低渣中硫含量。但 为防止铁矾的生成,应该控制Na 在溶液中的含量。 极少量的钠(≤0.07%)以夹带的方式进入纯净的 赤铁矿渣中,不会对赤铁矿渣造成污染。 [7]DUTRIZAC J E.Converting jarosite residues into compact hematite product[J].JOM,1990,42(1):36—39. 『8]CHENG C M.Production of hematite in acidic zinc sulfate media[D].Canada:McGill University,2002:228—245. [9]ISMAEL M R C,CARVALHO J M R.Iron recovery from sulphate leaches liquors in zinc hydrometallurgy[J]. Minerals Engineering,2003,16(1):31—39. 3)水热条件下,赤铁矿晶种的存在不仅可抑制 铁矾的生成,对提高渣中铁含量,降低硫浓度的效果 明显。 [1O]DREOSOMGER D B,PETERS E.The oxidation of ferrous sulfate by molecular oxygen under zinc pressure—leach 参考文献: f1]何静,罗超,唐漠堂,等.采用铅黄铁矾去除硫酸体 conditions[J].Hydrometallurgy,1989,22(1):101—119. [11]杨凡,邓志敢,魏昶,等.高铁闪锌矿赤铁矿法除 铁中锌、镁离子的影响及存在机理的研究[J].中国有 色金属学报,2014,24(11):2906—2913. [1 2]CLAASSEN J O,SANDENBERGH R F.Particle growth parameters in the precipitation of metastable iron phases from 系中的铁[J].中国有色金属学报,2012,22(10): 2890.2895. 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