СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ИОНОВ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2011 года по МПК G21F9/28 

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.

Известен способ (патент РФ №2192918), предназначенный для химической, медицинской промышленности и ядерной техники и представляющий собой разделение изотопов ⁶Li и ⁷Li 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.

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 MgCl₂ и CaCl₂ с концентрацией 2 г/литр наблюдается ориентированный дрейф сольватированных катионов. В зависимости от амплитуды напряженности и коэффициента асимметрии наблюдается преимущественный дрейф катионов Mg²⁺ или Са²⁺.

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:

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(NО₃)₃ и Се(NО₃)₃ катионами церия наблюдается у потенциального электрода при частоте поля 1,6÷1,7 кГц и отношении амплитуд напряженности поля Е^-/Е⁺≈0,8.

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)^-1 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^-4 с, и скважности 2 обогащение водного раствора смеси солей Y(NO₃)₃ и Се(NО₃)₃ 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.

Обогащение катионов в водном растворе представлено на примере разделения Се и Y. Внутренний объем многосекционной ячейки заполняют водным раствором смеси солей Се(NО₃)₃ и Y(NО₃)₃ 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 Се³⁺ в сторону электродов и повышение их концентраций в центральной секции. Обогащение водного раствора смеси солей Се(NО₃)₃ и Y(NO₃)₃ 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.

На вход элемента (патрубок поз.1, фиг.1) поступает исходная смесь (водный раствор смеси солей металлов Me₁ и Ме₂) - поток питания L с концентрациями С_i и C_j соответственно. Из элемента выходят два потока: отбор L' (водный раствор, обогащенный по Me₁, патрубок поз.2, фиг.1) и отвал L" (водный раствор, обедненный по Me₁, патрубок поз.3, фиг.1).

Концентрации металлов в растворе в отборе равны: Me₁ - С_i'; Ме₂ - C_j', а в отвале - С_i" и С_j" соответственно. При этом отбор обогащается катионами Me₁ и обедняется катионами Ме₂, а отвал, наоборот, обедняется катионами Me₁ и обогащается катионами Ме₂.

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_Cе+С_Y 0,99284 1,00000 1,00179 С_Y 0,99254 1,00249 1,00000

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. Используют метод индуцированного селективного дрейфа катионных аквакомплексов в растворах солей под действием асимметричных электрических полей. Поля формируют изолированными от раствора потенциальным и заземленным электродами, при этом достигается разделение катионов редкоземельных элементов. При воздействии поля в интервале частот 1,6-7 кГц с напряженностью Е⁺=14,3 В/см и отношении амплитуд напряженности поля в отрицательном и положительном полупериодах (коэффициенте асимметрии) А^-/А⁺=0,66 в результате разделения наблюдается обогащение у потенциального электрода аквакомплексов церия в водном растворе смеси солей Се(NО₃)₃ и Y(NО₃)₃. Технический результат - повышение эффективности разделения сольватированных ионов в растворах. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Способ обогащения аквакомплексами церия в водных растворах смеси солей Се(NО₃)₃ и Y(NO₃)₃, включающий воздействие электромагнитным полем в интервале частот 1,6-7 кГц с напряженностью Е⁺=14,3 В/см и коэффициенте асимметрии А^-/А⁺=0,66 изолированными от раствора потенциальным и заземленным электродами.

2. Способ обогащения по п.1, отличающийся тем, что используется многосекционная установка обогащения.