СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ И ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СИСТЕМА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ И ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2016 года по МПК C25C3/26 C25C7/06 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Для настоящего изобретения испрашивается приоритет от 5 июля 2013 по дате подачи японской патентной заявки JP 2013-141820, полное содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу выделения и извлечения металлов, а также к системе для выделения и извлечения металлов.

Уровень техники

Когда на атомной электростанции вследствие аварии нарушается работа систем охлаждения, существует вероятность того, что топливная сборка и конструкция активной зоны реактора нагреются до температуры плавления за счет тепла распада ядерного топлива, приводя, тем самым, к получению расплавленного материала активной зоны реактора. В расплавленном материале активной зоны реактора сосуществуют различные неравномерно распределенные материалы, такие как материалы на основе железа, формирующие внутреннюю конструкцию реактора и т.д., циркониевый материал, который является материалом оболочки и каналов, оксидное топливо, такое как оксид урана и оксид плутония, содержащиеся в ядерном топливе и т.п.

Стоимость и трудовые затраты на хранение и обращение с радиоактивными отходами возрастают с увеличением объема этих отходов. Соответственно, при обработке расплавленного материала активной зоны реактора в качестве радиоактивных отходов существует потребность в способе выделения и извлечения нерадиоактивных компонентов таких отходов с целью уменьшения количества высокоактивных радиоактивных отходов, подлежащих хранению и переработке; см. публикацию японской патентной заявки JP 2013-88117А.

Краткое изложение сути изобретения

Целью настоящего изобретения является создание способа выделения и извлечения металлов и системы для выделения и извлечения металлов, предназначенные для эффективного выделения и извлечения искомых металлов из твердого материала, содержащего несколько металлов, например из расплавленного материала активной зоны реактора.

Для достижения вышеописанной цели способ выделения и извлечения металлов по изобретению является способом выделения и извлечения металлов, в котором смесь, содержащая по меньшей мере первый металл и второй металл, где второй металл имеет более высокий стандартный электродный потенциал, чем стандартный электродный потенциал первого металла, соединена с анодом в расплаве солей, и первый металл и второй металл осаждаются на катоде в расплаве солей в результате электролиза, где указанный способ выделения и извлечения металлов включает: стадию детектирования изменения концентрации ионов первого металла и второго металла в расплаве солей с помощью блока детектирования изменения концентрации; первую стадию электролиза первого металла; первую стадию извлечения осажденного вещества в соответствии со стадией детектирования, на которой детектируется уменьшение концентрации первого иона металла, соответствующее значению, заранее заданному в блоке детектирования изменения концентрации; вторую стадию электролиза второго металла; и вторую стадию извлечения осажденного вещества после первой стадии извлечения.

Кроме того, для достижения вышеописанной цели система для выделения и извлечения металлов по изобретению представляет собой систему для выделения и извлечения металлов, в которой смесь, содержащую по меньшей мере первый металл и второй металл, где второй металл обладает более высоким стандартным электродным потенциалом, чем первый металл, подвергают электролизу в расплаве солей, что приводит к осаждению и выделению первого металла и второго металла, причем указанная система выделения и извлечения металлов включает: сосуд для электролиза в расплаве солей; анод, помещенный в расплав солей в сосуде для электролиза и соединенный с целевым объектом; катод, помещенный в расплав солей в сосуде для электролиза; блок детектирования изменения концентрации для детектирования изменения концентрации ионов первого металла и второго металла в расплаве солей; и блок извлечения осажденного вещества для извлечения вещества, осажденного на катоде, на основе информации от блока детектирования изменения концентрации, где при детектировании заранее заданного уменьшения концентрации первого иона металла в расплаве солей, блок детектирования изменения концентрации передает сигнал в блок извлечения осажденного вещества в соответствии с результатом детектирования, и блок извлечения удаляет осажденное вещество, полученное на катоде, на основе сигнала на извлечение.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой схематический вид устройства для разделения и извлечения металлов в первом варианте осуществления изобретения;

фиг. 2А представляет графики изменения концентрации ионов Zr в сосуде для электролиза в первом варианте осуществления изобретения, фиг. 2В представляет собой графики изменения концентрации ионов Fe в сосуде для электролиза в первом варианте осуществления изобретения, фиг. 2С представляет собой графики изменения анодного потенциала в первом варианте осуществления изобретения, и фиг. 2D представляет собой графики тока, протекающего между анодом и катодом, в первом варианте осуществления изобретения;

фиг. 3 представляет собой блок-схему способа разделения и извлечения металлов в первом варианте осуществления изобретения;

фиг. 4А представляет собой графики изменения концентрации ионов Zr в сосуде для электролиза во втором варианте осуществления изобретения, фиг. 4В представляет собой графики изменения концентрации ионов Fe в сосуде для электролиза во втором варианте осуществления изобретения, и фиг. 4С представляет собой графики изменения анодного потенциала во втором варианте осуществления изобретения;

фиг. 5 является схематическим видом устройства для разделения и извлечения металлов в третьем варианте осуществления изобретения;

фиг. 6А представляет собой графики изменения концентрации ионов Zr в сосуде для электролиза в третьем варианте осуществления изобретения, фиг. 6В представляет собой графики изменения концентрации ионов Fe в сосуде для электролиза в третьем варианте осуществления изобретения и фиг. 6С представляет собой графики изменения анодного потенциала в третьем варианте осуществления изобретения;

фиг. 7 представляет собой блок-схему способа разделения и извлечения металлов в третьем варианте осуществления изобретения;

фиг. 8А представляет собой графики изменения концентрации ионов Zr в сосуде для электролиза в четвертом варианте осуществления изобретения, фиг. 8В представляет собой графики изменения концентрации ионов Fe в сосуде для электролиза в четвертом варианте осуществления изобретения, фиг. 8С представляет собой графики изменения анодного потенциала в четвертом варианте осуществления изобретения; и

фиг. 9 представляет собой блок-схему способа разделения и извлечения металлов в четвертом варианте осуществления изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Далее варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны со ссылкой на чертежи.

(Первый вариант осуществления изобретения)

Способ разделения и извлечения металлов и система разделения и извлечения металлов по первому варианту осуществления изобретения будут описаны с использованием фиг. 1-3.

(Целевой объект)

Целевой объект, подвергаемый процедуре разделения и извлечения металлов, содержит по меньшей мере два вида металлов. Каждый металл может присутствовать в целевом объекте в равномерно перемешанном состоянии, или может присутствовать в неоднородном состоянии. Кроме того, должно иметь место определенное соотношение благородный-обычный между металлами в целевом объекте по отношению к их соответствующим стандартным электродным потенциалам. Металл, имеющий более высокий стандартный электродный потенциал, называется благородным металлом, а металл, имеющий более низкий стандартный электродный потенциал, называется обычным металлом.

В данном варианте осуществления изобретения целевой объект является расплавленным топливом, содержащим Fe и Zr, причем стоит задача разделить и выделить Fe и Zr. Fe имеет более высокий стандартный электродный потенциал, чем Zr, и поэтому Fe является благородным металлом по отношению к Zr, a Zr является обычным металлом по отношению к Fe. Металлы, подобные Fe и Zr, которые содержатся в целевом объекте и становятся предметом извлечения, относятся к целевым извлекаемым металлам.

Обычно расплавленное топливо содержит большое количество Zr и Fe. Чтобы уменьшить объем той части расплавленного топлива, которая должна контролироваться и храниться как высокоактивные радиоактивные отходы, предпочтительно отделить от расплавленного топлива Fe и Zr, предназначенные для хранения и контроля в качестве низкоактивных радиоактивных отходов. Кроме того, когда дозы облучения выделенного Fe и Zr являются достаточно низкими, они могут быть повторно использованы в качестве материала для внутренних конструкций реакторов и оболочек ТВЭЛ′ов.

(Реакция электролиза)

Разделение и извлечение металлов в данном варианте осуществления изобретения выполняют посредством электролитической обработки в расплаве солей. В реакции электролиза в расплаве солей, когда анодный потенциал металла, который подключен к аноду, выше, чем стандартный электродный потенциал, а катодный потенциал меньше, чем стандартный электродный потенциал, металл окисляется на аноде до иона с растворением в расплаве солей и восстанавливается с осаждением на катоде. Кроме того, когда к аноду присоединена смесь различных металлов, обычный металл, имеющий более низкий стандартный электродный потенциал, подвергается электролизу первым, в силу этого растворяется и затем осаждается. В случае рассматриваемого целевого объекта Zr растворяется и осаждается раньше, чем Fe.

Так, фиг. 1 является схематическим видом устройства для разделения и извлечения металлов в данном варианте осуществления изобретения. Устройство 10 для разделения и извлечения металлов имеет анод 12 и катод 14 в сосуде для электролиза 11, и анод 12 соединен с целевым объектом 13. Фиг. 2А представляет собой график изменения концентрации ионов Zr в сосуде для электролиза в первом варианте осуществления изобретения, фиг. 2В представляет собой график изменения концентрации ионов Fe в сосуде для электролиза в первом варианте осуществления изобретения, фиг. 2С представляет собой график изменения анодного потенциала в первом варианте осуществления изобретения, и фиг. 2D представляет график тока, протекающего между анодом и катодом в первом варианте осуществления изобретения. В данном варианте осуществления изобретения величину тока между электродами контролируют так, чтобы он всегда был постоянным. Фиг. 3 представляет собой блок-схему способа разделения и извлечения металлов в данном варианте осуществления изобретения.

Электролитическая обработка в расплаве солей в данном варианте осуществления изобретения будет описываться в основном с использованием фиг. 2. Когда электролиз начинают подачей напряжения между электродами, Zr, который является обычным металлом по сравнению с Fe, будет первым подвергаться электролизу с растворением и осаждением. Соответственно, в течение некоторого времени после начала электролиза сохраняется равновесие с высокой концентрацией ионов Zr в расплаве солей. В это время, количество Zr, растворяющегося на аноде, компенсируется количеством Zr, осаждающимся на катоде. Концентрация ионов Zr в расплаве солей будет постоянной до тех пор, пока анодная зона не станет обедненной по Zr. Кроме того, пока концентрация ионов Zr в расплаве солей является постоянной, потенциал анода 12 также является постоянным.

Через некоторое время, если целевой объект 13, соединенный с анодом 12, обедняется по Zr, концентрация Zr в расплаве солей начинает снижаться. Хотя плотность тока между электродами уменьшается в результате уменьшения концентрации Zr в расплаве солей, потенциал анода 12 растет, поскольку значение тока между электродами поддерживается постоянным. Таким образом, процесс, в котором Zr подвергается электролизу, как описано выше, называется первой стадией электролиза S1.

Следует отметить, что соль Zr заранее добавляют в расплав солей, так чтобы осаждение металла, который является более электроотрицательным чем Zr, подавлялось и электролиз Zr начинался немедленно без задержки после начала электролиза. В результате концентрация ионов Zr является постоянной непосредственно после начала электролиза на фиг. 2А, и потенциал анода также является постоянным непосредственно после начала электролиза на фиг. 2С.

В результате расходования Zr, подключенного к аноду 12, потенциал анода 12 растет, и начинается электролиз Fe. Одновременно с началом электролиза Fe концентрация ионов Fe в расплаве солей увеличивается и когда количество растворенного и осажденного железа приходит в равновесие, концентрация ионов Fe в расплаве солей достигает равновесия и становится постоянной. После начала электролиза Fe и до израсходования Fe, соединенного с анодом 12, потенциал анода 12 остается постоянным. Затем, когда Fe в целевом объекте 13, соединенным с анодом 12, будет израсходовано, концентрация Fe в расплаве солей начинает снижаться. Тогда потенциал анода 12 повышается, как и в случае Zr. Процесс, в котором Fe подвергается электролизу, как указано выше, обозначается как вторая стадия электролиза S4.

Период от момента, когда концентрация ионов Zr начинает снижаться на первой стадии электролиза S1, до повышения концентрации ионов Fe до достижения равновесия на второй стадии электролиза S4, обозначается как переходный период. На переходном периоде последний этап стадии электролиза S1 и начальный этап стадии второго электролиза S4 перекрываются.

Далее будет описан переходный период электролитической обработки в расплаве солей согласно данному варианту осуществления изобретения. Предполагается, что время, когда концентрация ионов Zr начинает снижаться относительно состояния равновесия, указывает на начало переходного периода. В непосредственной близости от анода 12 сразу после начала переходного периода, поскольку Zr в целевом объекте 13 будет израсходован, концентрация ионов Zr становится по существу равной нулю, а с другой стороны, концентрация ионов Fe возрастает, поскольку начинает растворяться Fe. Кроме того, ионы Zr, которые не были осаждены, остаются в непосредственной близости от катода, и ионы железа не достигают непосредственно катода 14. По этой причине, на ранней стадии переходного периода, растворение Fe усиливается на аноде 12, а осаждение Zr продолжается на катоде 14.

В течение переходного периода концентрация ионов Fe в расплаве солей возрастает и концентрация ионов Fe начинает расти также и в непосредственной близости от катода. Затем количество Zr, осаждаемого на катоде 14, снижается, а количество железа, осаждаемого на катоде 14, увеличивается.

Если количество Fe, которое растворяется на аноде, приходит в равновесие с количеством Fe, которое осаждается на катоде, концентрация ионов Fe в расплаве солей достигает равновесия и становится постоянной. Предполагается, что время, когда концентрация ионов Fe в расплаве солей переходит от увеличения к равновесию, указывает на конец переходного периода.

Далее будет описано осажденное вещество. Перед началом переходного периода, в основном, осаждается Zr. После окончания переходного периода, в основном, осаждается Fe. Кроме того, поскольку электролиз Zr и Fe происходит также и в течение переходного периода, Zr и Fe сосуществуют в осажденном веществе. Следует отметить, что после окончания переходного периода, в основном, осаждается Fe, даже если ионы Zr все еще остаются в расплаве солей, поскольку Fe является более электроположительным металлом и будет осаждаться с большей вероятностью.

(Электролизер)

Далее, система 10 для разделения и извлечения металлов согласно данному варианту осуществления изобретения будет описана с использованием фиг. 1. Система 10 для разделения и извлечения металлов является электролизером, предназначенным для осуществления электролитической обработки в расплаве солей, и включает сосуд для электролиза 11 в расплаве солей. Анод 12, размещенный в расплаве солей, является корзиной из электрического проводника, который является более благородным, чем первый и второй металлы, и целевой объект 13 размещают в корзине. В данном варианте осуществления изобретения корзина выполнена из никеля или углерода. Катод 14, находящийся в расплаве солей, может быть любым электрическим проводником и может быть изготовлен из нержавеющей стали, кроме никеля и углерода.

На анод 12 и катод 14 подают напряжение от источника питания 22, и регулируют с помощью блока контроля тока 16 таким образом, чтобы значение тока, проходящего между электродами, было постоянным. Кроме того, разность потенциалов между анодом 12 и катодом 14 измеряется блоком контроля межэлектродного потенциала, который не показан.

Кроме того, предусмотрен электрод сравнения 17 для измерения потенциала анода 12 в расплаве солей, и блок контроля потенциала анода 18, измеряющий потенциал анода 12 по разности потенциалов относительно электрода сравнения 17. Потенциал анода 12 зависит от изменения концентрации иона целевого металла, извлекаемого в расплав солей. По этой причине в данном варианте осуществления изобретения можно обнаружить изменение концентрации иона целевого металла, извлекаемого в расплав солей, с использованием блока контроля потенциала анода 18.

Кроме того, электролизер 10 снабжен блоком контроля концентрации 19 для измерения концентрации целевого иона металла, извлекаемого в расплав солей. Блок контроля концентрации 19 определяет концентрацию иона целевого металла, извлекаемого в расплав солей посредством, например, периодического отбора проб расплаве солей и выполнения анализа компонентов и спектроскопических исследований.

Можно детектировать изменение концентрации иона целевого металла для извлечения в расплав солей с использованием блока контроля концентрации 19.

Следует отметить, что все, и блок контроля тока 16, и блок контроля межэлектродного потенциала, и блок контроля потенциала анода 18, и блок контроля концентрация 19, подключены к секции управления 20. Секция управления 20 контролирует работу блока извлечения 21 осажденного вещества, которое происходит на катоде, на основе информации блока контроля потенциала анода 18 и блока контроля концентрации 19. Кроме того, секция управления 20 контролирует работу источника питания 22 и блока контроля тока 16 для управления состоянием вкл./выкл. электролитической обработки в расплаве солей на основе информации блока контроля потенциала анода 18 и блока контроля концентрации 19.

Блок извлечения 21 является, например устройством для замены катода 14, на который присоединилось осажденное вещество, на электрод, на котором отсутствует присоединенное осажденное вещество. В альтернативном варианте это может быть устройство для удаления осажденного вещества с катода 14, или устройство для извлечения осажденного вещества, которое было отделено от катода 14 и которому дали отстояться. Кроме того, это может быть комбинация нескольких подобных устройств извлечения.

Далее будет описано взаимодействие между блоком контроля потенциала анода 18 и секцией управления 20. Информация о потенциале анода 12, измеренном блоком контроля потенциала анода 18, передается в секцию управления 20, и секция управления 20 контролирует потенциала анода 12. Потенциал анода 12 растет в результате снижения концентрации ионов металла в процессе электролиза.

Соответственно, секция управления 20 может детектировать снижение концентрации целевого иона металла по информации от блока контроля потенциала анода 18, с использованием предварительно введенного в секцию управления 20 значения увеличения потенциала анода, соответствующего снижению концентрации целевого иона металла. Таким образом, секция управления 20 может определить начальный момент переходного периода, и время, когда концентрация ионов Fe начинает снижаться.

Далее будет описана взаимосвязь между блоком контроля концентрации 19 и секцией управления 20. Информация о концентрации каждого целевого иона металла, извлекаемого в расплав солей, которая измеряемой блоком контроля концентрации 19, передается в секцию управления 20, и секция управления 20 контролирует эту концентрацию и изменения каждого извлекаемого целевого иона металла.

Таким образом секция управления 20 может детектировать начало переходного периода по информации от блока контроля концентрации 19 с использованием предварительно заданного в секции управления 20 изменения концентрации ионов Zr, соответствующего моменту времени, когда концентрация ионов Zr в расплаве солей начинает уменьшаться относительно равновесия. Аналогичным образом секция управления 20 может определять момент времени, когда Fe в области анода 12 начинает расходоваться, по информации от блока контроля концентрации 19 с использованием предварительно заданного в секции управления 20 изменения концентрации ионов Fe, соответствующего времени, когда концентрация ионов Fe в расплаве солей начинает снижаться относительно равновесия.

Кроме того, секция управления 20 может детектировать конец переходного периода с использованием предварительно заданного в секции управления 20 изменения концентрации ионов Fe, соответствующего времени, когда концентрация ионов Fe в расплаве солей приходит к равновесию после увеличения.

Следует отметить, что секция управления 20 может быть выполнена отдельно от блока контроля потенциала анода 18 и блока контроля концентрация 19 или может быть включена в блок контроля потенциал анода 18 и блок контроля концентрации 19, соответственно.

Конфигурация, необходимая для обнаружения изменения концентрации ионов извлекаемого целевого металла в расплаве солей, такая как блок контроля потенциала анода 18, блок контроля концентрации 19 и секция управления 20, в целом относится к устройству детектирования изменения концентрации.

Далее будет описан расплав солей, предназначенный для использования в данном варианте осуществления изобретения. Осуществление электролиза в расплаве солей дает возможность эффективно электролизовать металлы, имеющие высокую способность к ионизации, такие как Zr и Fe. Предполагается, что расплав солей, используемый в данном варианте осуществления изобретения, состоит, например, из расплава солевого материала, такого как NaCl, KCl, RbCl, CsCl, MgCl₂, NaF, KF, LiF и NaF. Кроме того, расплав солей может быть не одной солью, а смесью солей. Например, он может включать комбинацию NaCl-KCl, RbCl-NaCl, CsCl-NaCl, RbCl-KCl, CsCl-KCl, NaCl-MgCl₂, NaCl-CaCl₂, KCl-SrCl₂, KCl-CaCl₂, NaF-KF, LiF-KF, NaF-LiF, NaCl-NaF-KCl-KF, и т.п. Кроме того, расплав солей может быть расплавом солей, в котором смешаны три или более видов солей. Следует отметить, что расплав солей, используемый в данном варианте осуществления изобретения, является NaCl-KCl, температура которого составляет около 700 градусов.

(Методика)

Далее будет описан способ разделения и извлечения металлов с отсылкой на фиг. 2 и 3. Во-первых, начинают электролиз подачей напряжения между электродами и выполнением первой стадии электролиза S1. Значение тока между электродами во время электролиза контролируется блоком контроля тока 16. Процесс, в котором блок контроля тока 16 управляет значением тока между анодом 12 и катодом 14, называется стадией при контролируемом токе. Кроме того, процесс, в котором изменение концентрации иона извлекаемого целевого металла определяется блоком детектирования изменения концентрации, называется стадией детектирования S2. В расплаве солей для электролитической обработки стадию детектирования S2 выполняют по мере необходимости.

В ходе первой стадии электролиза S1 концентрация ионов Zr в расплаве солей начинает снижаться, и на стадии детектирования S2 обнаруживается начало переходного периода. Время, с которого определяется начало переходного периода, будет временем t1.

После детектирования начала переходного периода секция управления 20 незамедлительно передает сигнал в блок извлечения 21, и блок извлечения 21 извлекает вещество, осажденное на катоде 14. Начало переходного периода, то есть стадия, на которой детектируется снижение концентрации ионов Zr, с использованием предварительно заданного в блоке детектирования изменения концентрации, детектируется на стадии детектирования S2, и осажденное вещество извлекают в соответствии с данным детектированием, что называется первой стадией извлечения S3. Время, когда выполняется первая стадия извлечения S3, будет временем t2. В данном варианте осуществления изобретения время t2 предпочтительно идет сразу после момента времени t1, и, предполагается, что оно наступает по меньшей мере до достижения равновесия концентрации ионов Fe.

Хотя переходный период начинается практически одновременно с началом второй стадии электролиза S4, лишь небольшое количество ионов Fe достигает катода сразу после момента времени t1. По этой причине количество железа, содержащегося в извлеченном веществе на первой стадии извлечения S3, невелико, так что на первой стадии извлечения S3 можно извлечь Zr высокой чистоты.

После первой стадии извлечения S3 ионы Fe в расплаве солей переходят от увеличения концентрации к равновесному состоянию, что означает конец переходного периода. Вторая стадия электролиза S4 продолжается даже после этого, и вскоре анодная область 12 обедняется по Fe так, что концентрация ионов Fe в расплаве солей начинает снижаться. Время, когда детектируется снижение концентрации ионов Fe на стадии детектирования S2, будет временем t3.

При детектировании снижения содержания Fe секция управления 20 незамедлительно передает сигнал в блок извлечения 21, и блок извлечения 21 извлекает вещество, осажденное в катодной зоне 14. То есть, стадия, на которой детектируется снижение концентрации ионов Fe, с использованием предварительно заданного в блоке детектирования изменения концентрации, на стадии детектирования S2, и осажденное вещество извлекают в соответствии с этим детектированием, что называется второй стадией извлечения S5. Время, когда выполняют вторую стадию извлечения S5, будет временем t4. Хотя большая часть вещества, извлеченного на второй стадии извлечения S5, является Fe, оно частично содержит Zr, поскольку оно содержит осажденное вещество переходного периода

Кроме того, до или после второй стадии извлечения S5 секция управления 20 передает сигнал отключения источнику питания 22 и блоку контроля тока 16 для завершения электролитической обработки в расплаве солей.

(Положительные эффекты)

В данном варианте осуществления изобретения можно непрерывно и эффективно извлекать каждый компонент из целевого объекта, содержащего несколько металлов, в одном и том же сосуде для электролиза, и может быть получен Zr высокой чистоты, поскольку осажденное вещество извлекают незамедлительно после начала переходного периода.

Следует отметить, что в данном варианте осуществления детектирование изменения концентрации иона целевого металла, предназначенного для извлечения, на стадии детектирования S2 может быть основано на значении, измеренном блоком контроля потенциала анода 18, или на значении, измеренном блоком контроля концентрации 19. По этой причине предполагается, что система 10 для разделения и извлечения металлов включает по меньшей мере один из блока контроля потенциала анода 18 и блока контроля концентрации 19.

Кроме того, когда предусмотрен и блок контроля потенциала анода 18, и блок контроля концентрации 19, изменение концентрации ионов целевого металла, предназначенного для извлечения, в расплаве солей может быть детектировано более точно путем объединения этих данных измерения.

(Второй вариант осуществления изобретения)

Второй вариант осуществления изобретения будет описан с использованием фиг. 3 и 4. Фиг. 4А является графиком изменения концентрации ионов Zr в сосуде для электролиза во втором варианте осуществления изобретения, фиг. 4В является графиком изменения концентрации ионов Fe в сосуде для электролиза во втором варианте осуществления изобретения, и фиг. 4С является графиком изменения анодного потенциала во втором варианте осуществления изобретения. Следует отметить, что в целях краткости для тех же конфигураций, что и в первом варианте осуществления изобретения, приведены те же условные обозначения.

(Методика)

Далее будет описан способ разделения и извлечения металлов согласно данному варианту осуществления изобретения. Во-первых, как и в первом варианте осуществления изобретения, выполняется первая стадия электролиза S1. Стадия детектирования S2 осуществляется по мере необходимости в ходе электролитической обработки в расплаве солей.

По мере прохождения электролиза быстро начинается переходный период, и концентрация ионов Fe в расплаве солей переходит от увеличения к равновесному состоянию на стадии детектирования S2, что позволяет детектировать конец переходного периода. Это время будет временем e1.

После этого секция управления 20 незамедлительно передает сигнал извлечения в блок извлечения 21, и в момент времени е2 выполняется первая стадия извлечения S3.

После первой стадии извлечения S3, как и в первом варианте осуществления изобретения, выполняется электролитическая обработка в расплаве солей, и детектируется изменение концентрации ионов Fe, которая в момент времени t3 переходит от состояния равновесия к снижению, так что в момент времени t4 выполняется вторая стадия извлечения S5.

(Положительные эффекты)

В данном варианте осуществления изобретения можно непрерывно извлекать каждый компонент из целевого объекта, содержащего несколько металлов в одном и том же сосуде для электролиза, и первая стадия извлечения S3 выполняется после завершения переходного периода. Таким образом можно извлекать Fe высокой чистоты.

Кроме того, в данном варианте осуществления изобретения детектирование конца переходного периода может быть выполнено путем измерения концентрации ионов Fe блоком контроля концентрации 20 и с контролем такого изменения. По этой причине предполагается, что блок определения изменения концентрации включает блок контроля концентрации 19, который может измерять концентрацию ионов Fe.

(Третий вариант осуществления изобретения)

Третий вариант осуществления изобретения будет описан с использованием фиг. 5-7. Фиг. 5 является схематическим видом системы для разделения и извлечения металлов согласно третьему варианту осуществления изобретения. Фиг. 6А является графиком изменения концентрации ионов Zr в сосуде для электролиза в третьем варианте осуществления изобретения, фиг. 6В является графиком изменения концентрации ионов Fe в сосуде для электролиза в третьем варианте осуществления изобретения, и фиг. 6С является графиком изменения анодного потенциала в третьем варианте осуществления изобретения. Фиг. 7 является блок-схемой способа разделения и извлечения металлов в третьем варианте осуществления изобретения.

Следует отметить, что в целях краткости для тех же конфигураций, что и в первом варианте осуществления изобретения, приведены те же условные обозначения.

(Электролизер)

Далее будет описана система 10 для разделения и извлечения металлов по данному варианту осуществления изобретения. Система 10 для разделения и извлечения металлов по данному варианту осуществления имеет ту же конфигурацию, что и система 10 для разделения и извлечения металлов по первому варианту осуществления изобретения. Кроме того, она включает источник подачи соли 26, сопло подачи соли 24 для подачи соли Fe из источника подачи соли 26 в расплав солей, и блок контроля подачи соли 25 для контроля подачи соли Fe. Блок контроля подачи соли 25, например клапан, предусмотрен в сопле подачи соли 24, соединен с секций управления 20 и контролируется ею. Следует отметить, что соль Fe является, например, FeCl₂, и предполагается, что она является солью металла, подвергающейся электролизу на второй стадии электролиза S4. Кроме того, сопло подачи соли 24 и источник подачи соли 26, в целом, называются устройством подачи соли. Устройство подачи соли может иметь любую конфигурацию, которая позволяет добавлять соль в расплав солей, не ограничиваясь соплом подачи соли 24 и источником подачи соли 26.

(Методика)

Далее будет описан способ разделения и извлечения металлов согласно данному варианту осуществления изобретения. Во-первых, как и в первом варианте осуществления изобретения, выполняют первую стадию электролиза S1 и при необходимости стадию детектирования S2. По мере прохождении электролиза в момент времени t1 на стадии детектирования S2 детектируется начало переходного периода. Затем секция управления 20 незамедлительно передает сигнал подачи соли в блок контроля подачи соли 25. Затем блок контроля подачи соли 25 открывается, и соль добавляется к расплаву солей из источника подачи соли 26 с помощью сопла подачи соли 24. Стадия добавления соли второго металла в расплав солей называется стадией добавления соли S6, и время, когда выполняется стадия добавления соли S6, обозначается u1. Блок контроля подачи соли 25 закрывается после фиксированного периода времени. В альтернативном варианте он может закрываться по сигналу секции управления 20. В результате добавления соли второго металла концентрация ионов Fe быстро возрастает после стадии добавления соли S6.

После стадии добавления соли S6 выполняют стадию первого извлечения S3 в момент времени t2. Здесь, как и в первом варианте осуществления изобретения, разница между временем t1 и t2, предпочтительно является минимальной, и предполагается, что время t2 по меньшей мере предшествует тому моменту, когда концентрация ионов Fe достигает равновесия. Кроме того, время u1 наступает после момента времени t1 и до момента времени t2 или является тем же моментом временем, что и t2.

После первой стадии извлечения S3, как и в первом варианте осуществления изобретения, выполняется электролитическая обработка в расплаве соли, в момент времени t3 детектируется изменение концентрации ионов Fe, которая переходит от состояния равновесия к снижению, и в момент времени t4 выполняется вторая стадия извлечения S5.

(Положительные эффекты)

В данном варианте осуществления изобретения можно непрерывно и эффективно извлекать каждый компонент из целевого объекта, содержащего несколько металлов в одном и том же сосуде для электролиза, и поскольку соль Fe добавляется в расплав солей непосредственно перед первой стадией извлечения S3 или одновременно с ней, время переходного периода становится еще короче по сравнению с первым и вторым вариантами осуществления изобретения, что приводит к уменьшению времени, необходимого для электролиза в целом. Кроме того, поскольку длительность переходного периода уменьшается, количество Zr, осаждаемого в переходный период, уменьшается, и можно извлекать Fe, имеющий более высокую чистоту по сравнению с первым вариантом осуществления изобретения. Таким образом, можно отделить и извлечь Zr и Fe высокой чистоты с более высокой эффективностью.

(Четвертый вариант осуществления изобретения)

Четвертый вариант осуществления изобретения будет описан с использованием фиг. 8 и 9. Фиг. 8А является графиком изменения концентрации ионов Zr в сосуде для электролиза в четвертом варианте осуществления изобретения, фиг. 8В является графиком изменения концентрации ионов Fe в сосуде для электролиза в четвертом варианте осуществления изобретения, и фиг. 8С является графиком изменения анодного потенциала в четвертом варианте осуществления изобретения. Фиг. 9 является блок-схемой способа разделения и извлечения металлов в четвертом варианте осуществления изобретения.

Следует отметить, что в целях краткости для тех же конфигураций, что и в первом варианте осуществления изобретения, приведены те же условные обозначения. Конфигурация системы 10 для разделения и извлечения металлов в настоящем варианте осуществления является такой же, как в третьем варианте осуществления изобретения.

(Методика)

Далее будет описан способ разделения и извлечения металлов согласно данному варианту осуществления изобретения. Во-первых, как и в первом варианте осуществления изобретения, выполняют первую стадию электролиза S1 и по мере необходимости стадию детектирования S2 выполняют. По мере прохождения электролиза на стадии детектирования S2 в момент времени t1 детектируется начало переходного периода. Затем сигнал незамедлительно передается из секции управления 20 в блок извлечения 21, и в момент времени t2 выполняется первая стадия извлечения S3. Когда выполняется первая стадия извлечения S3, секция управления 20 незамедлительно передает сигнал подачи соли в блок контроля подачи соли 25, и в момент времени u1 выполняется стадия добавления соли S6.

Разница во времени между моментами времени t1 и t2 предпочтительно является минимальной, и предполагается, что время t2 должно по меньшей мере предварять достижение равновесной концентрации ионов Fe. Кроме того, разница между моментами времени t2 и u1 предпочтительно является минимальной, и предполагается, что время u1 по меньшей мере предваряет достижение равновесной концентрации ионов Fe.

После стадии добавления соли S6, как и после первой стадии извлечения S3 в первом варианте осуществления изобретения, выполняется электролиз в расплаве солей. В момент времени t3 детектируется изменение концентрации ионов Fe, которая переходит от равновесного состояния к уменьшению, и в момент времени t4 выполняется вторая стадия извлечения S5.

(Положительные эффекты)

В данном варианте осуществления изобретения можно непрерывно и эффективно извлекать каждый компонент из целевого объекта, содержащего несколько металлов в одном и том же сосуде для электролиза, и поскольку Zr извлекается сразу после начала переходного периода, может быть получен Zr высокой чистоты.

Кроме того, в данном варианте осуществления изобретения, так как соль Fe добавляют сразу после первой стадии извлечения S3 с целью уменьшения длительности переходного периода, снижается количество Zr, осаждаемого за переходный период. Таким образом, можно эффективно извлекать Fe высокой чистоты.

Хотя выше были описаны некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, эти варианты представлены в качестве примеров и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Данные новые варианты осуществления могут быть выполнены и в других различных формах, кроме того, часть признаков этих вариантов можно пропускать, заменять и модифицировать без отступления от сущности данного изобретения. Эти варианты осуществления и их модификации включаются в объем притязаний по настоящему изобретению и в сущность настоящего изобретения, а также в объем изобретения и его эквивалентов, приведенных в формуле изобретения.

Например, целевой объект не ограничивается расплавленным топливом и может быть любым другим материалом, при условии, что он содержит несколько металлов.

Кроме того, когда часть основного металла присутствует в целевом объекте таким образом, что она окружена благородным металлом и не контактирует с расплавом солей, вполне вероятно, что электролиз благородного металла будет начинаться в присутствие остаточного основного металла, оставшегося в целевом объекте. В таком случае, когда заканчивается электролиз благородного металла, и основной металл приходит в контакт с расплавом солей, разделение и извлечение металлов могут повторяться с первой стадии электролиза S1, например путем замены сосуда для электролиза и расплава солей.

Кроме того, при выполнении первой стадии извлечения S3 электролиз может быть временно остановлен, и после извлечения электролиз может быть возобновлен с тем же значением тока.

Кроме того, хотя предполагается, что детектирование изменения концентрации ионов в расплаве солей и функционирование установки извлечения 21, основанное на этом детектировании, а также контроль вкл./выкл. блока питания 22, от начала до конца обеспечиваются секцией управления 20, этот контроль может также осуществляться человеком. В таком случае секция управления 20 оценивает время, необходимое для извлечения, на основе изменения концентрации ионов в расплаве солей, а оператор осуществляет контроль установки извлечения и блока питания электрода на основе оценки, предоставленной секцией управления 20.

Кроме того, для достижения искомой производительности значение тока может меняться блоком контроля тока 16 на каждой из первой стадии электролиза S1 и второй стадии электролиза S4. Например, ток с более высоким значением, чем до этого, может пропускаться между электродами в ответ на детектирование начала переходного периода. Таким образом, появляется возможность увеличения скорости осаждения извлекаемого вещества на второй стадии извлечения S5.

Кроме того, хотя было указано, что ток, протекающий между электродами, поддерживается постоянным в любом из вариантов осуществления, значение этого тока может меняться для достижения искомой скорости осаждения. Например, когда необходимо увеличить скорость осаждения Fe, значение тока от первой стадии извлечения S3 до второй стадии извлечения S5 устанавливается с более высоким значением, чем до этого.

Кроме того, в любом из вариантов осуществления изобретения вещество, осажденное на первой стадии электролиза S1, извлекается до начала переходного периода. Извлечение осажденного вещества должно осуществляться до начала переходного периода, называемого предварительной стадией извлечения. Предполагается, что предварительная стадия извлечения выполняется, например, с фиксированными интервалами времени до момента начала переходного периода, детектируемого с помощью таймера или т.п. Поскольку вещество, извлеченное на предварительной стадии извлечения, не содержит осажденного вещества переходного периода, появляется возможность извлекать осажденное вещество высокой чистоты. Кроме того, предполагается, что после детектирования начала переходного периода, можно использовать любой вариант осуществления изобретения, от первого до четвертого.

Группа изобретений относится к электролитическому разделению и извлечению металлов из смеси металлов в расплаве солей. Смесь металлов содержит, по меньшей мере, первый металл и второй металл, при этом второй металл имеет более высокий стандартный электродный потенциал, чем первый металл. Способ включает соединение указанной смеси металлов с анодом в расплаве солей, первую стадию электролиза первого металла с осаждением первого металла на катоде, стадию детектирования снижения концентрации ионов первого металла в расплаве солей с использованием блока детектирования изменения концентрации, первую стадию извлечения осажденного вещества в соответствии с детектированием на стадии детектировании, на которой определяется снижение концентрации ионов первого металла, с использованием предварительно заданного в блоке детектирования изменения концентрации, вторую стадию электролиза второго металла с осаждением второго металла на катоде, стадию детектирования снижения концентрации ионов второго металла в расплаве солей с использованием блока детектирования изменения концентрации и вторую стадию извлечения осажденного вещества. Предложена также система для реализации данного способа, содержащая блок детектирования изменения концентрации ионов металлов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ разделения и извлечения металлов, в котором смесь, содержащая по меньшей мере первый металл и второй металл, причем второй металл имеет более высокий стандартный электродный потенциал, чем первый металл, соединена с анодом в расплаве солей, и первый металл и второй металл осаждаются на катоде в расплаве солей в результате электролиза, причем указанный способ разделения и извлечения металлов включает:
первую стадию электролиза первого металла;
стадию детектирования снижения концентрации ионов первого металла в расплаве солей с использованием блока детектирования изменения концентрации;
первую стадию извлечения осажденного вещества в соответствии с детектированием на стадии детектировании, на которой определяется снижение концентрации ионов первого металла, с использованием предварительно заданного в блоке детектирования изменения концентрации;
вторую стадию электролиза второго металла;
стадию детектирования снижения концентрации ионов второго металла в расплаве солей с использованием блока детектирования изменения концентрации; и
вторую стадию извлечения осажденного вещества после первой стадии извлечения.

2. Способ по п. 1, в котором первую стадию извлечения осуществляют после того, как снижение концентрации ионов первого металла, соответствующее значению, предварительно заданному в блоке детектирования изменения концентрации, детектируется на стадии детектирования, и до достижения равновесной концентрации ионов второго металла.

3. Способ по п. 1, в котором первую стадию извлечения осуществляют после того, как концентрация ионов второго металла достигает равновесия на стадии детектирования.

4. Способ по п. 1, включающий стадию добавления соли второго металла в расплав солей, осуществляемую после снижения концентрации ионов первого металла, соответствующего значению, предварительно заданному в блоке детектирования изменения концентрации, детектируемого на стадии детектирования, и до первой стадии извлечения.

5. Способ по п. 1, включающий стадию добавления соли второго металла в расплав солей, осуществляемую после первой стадии извлечения и до достижения равновесной концентрации ионов второго металла на стадии детектирования.

6. Способ по п. 1, включающий стадию предварительного извлечения осажденного вещества до снижения концентрации ионов первого металла, соответствующего значению, предварительно заданному в блоке детектирования изменения концентрации, детектируемого на стадии детектирования.

7. Способ по п. 1, в котором на стадии детектирования блок детектирования изменения концентрации детектирует снижение концентрации ионов первого металла и второго металла в расплаве солей путем измерения изменения анодного потенциала.

8. Способ по п. 1, в котором на стадии детектирования блок детектирования изменения концентрации детектирует снижение концентрации ионов первого металла и второго металла в расплаве солей посредством анализа компонентов, содержащихся в расплаве солей.

9. Система для разделения и извлечения металлов, в которой смесь, содержащую по меньшей мере первый металл и второй металл, причем второй металл имеет более высокий стандартный электродный потенциал, чем первый металл, подвергают электролизу в расплаве солей, в результате чего осаждают и выделяют первый металл и второй металл, причем указанная система для разделения и извлечения металлов содержит:
сосуд для электролиза в расплаве солей;
анод, размещенный в расплаве солей в сосуде для электролиза и соединенный с указанной смесью металлов;
катод, размещенный в расплаве солей в сосуде для электролиза;
блок детектирования изменения концентрации для детектирования изменения концентрации ионов первого металла и второго металла в расплаве солей; и
блок извлечения вещества, осажденного на катоде, на основе информации от блока детектирования изменения концентрации,
причем указанный блок детектирования изменения концентрации выполнен с возможностью подачи сигнала на извлечение в блок извлечения осажденного вещества при детектировании предварительно заданного значения снижения концентрации ионов первого металла в расплаве солей, при этом блок извлечения выполнен с возможностью извлечения вещества, осажденного на катоде, на основе данного сигнала на извлечение.

10. Система по п. 9, включающая устройство подачи для подачи соли второго металла в расплав солей и блок контроля подачи соли, предусмотренный в установке подачи соли для контроля подачи соли второго металла, при этом блок контроля подачи соли контролируется блоком детектирования изменения концентрации.