RU2478128C2 - Способ очистки висмута от полония - Google Patents
Способ очистки висмута от полония Download PDFInfo
- Publication number
- RU2478128C2 RU2478128C2 RU2011120535/02A RU2011120535A RU2478128C2 RU 2478128 C2 RU2478128 C2 RU 2478128C2 RU 2011120535/02 A RU2011120535/02 A RU 2011120535/02A RU 2011120535 A RU2011120535 A RU 2011120535A RU 2478128 C2 RU2478128 C2 RU 2478128C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bismuth
- sodium
- melt
- polonium
- purified
- Prior art date
Links
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 152
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 151
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 92
- 229910052699 polonium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 76
- HZEBHPIOVYHPMT-UHFFFAOYSA-N polonium atom Chemical compound [Po] HZEBHPIOVYHPMT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 76
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 title description 12
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims abstract description 65
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 63
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims abstract description 62
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 60
- VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N sodium nitrate Chemical compound [Na+].[O-][N+]([O-])=O VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 235000010344 sodium nitrate Nutrition 0.000 claims abstract description 22
- 239000004317 sodium nitrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- FSAJRXGMUISOIW-UHFFFAOYSA-N bismuth sodium Chemical compound [Na].[Bi] FSAJRXGMUISOIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 32
- 239000000155 melt Substances 0.000 claims description 28
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 11
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 11
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N Sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 6
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 6
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 41
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 12
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 10
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 10
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 8
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910000416 bismuth oxide Inorganic materials 0.000 description 6
- TYIXMATWDRGMPF-UHFFFAOYSA-N dibismuth;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Bi+3].[Bi+3] TYIXMATWDRGMPF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 6
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 6
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 5
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Chemical class 0.000 description 4
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 4
- UJJHRNKIXYUHSD-UHFFFAOYSA-N [Bi].[Po] Chemical compound [Bi].[Po] UJJHRNKIXYUHSD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004857 zone melting Methods 0.000 description 3
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 2
- MSBGPEACXKBQSX-UHFFFAOYSA-N (4-fluorophenyl) carbonochloridate Chemical compound FC1=CC=C(OC(Cl)=O)C=C1 MSBGPEACXKBQSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000000655 Distemper Diseases 0.000 description 1
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000528 Na alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DLFWIFNRAUYTHF-UHFFFAOYSA-N [Ra].[U] Chemical group [Ra].[U] DLFWIFNRAUYTHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001479 atomic absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000001636 atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001621 bismuth Chemical class 0.000 description 1
- 150000001622 bismuth compounds Chemical class 0.000 description 1
- WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N bismuth(III) oxide Inorganic materials O=[Bi]O[Bi]=O WMWLMWRWZQELOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004949 mass spectrometry Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000012803 melt mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000011403 purification operation Methods 0.000 description 1
- 239000013014 purified material Substances 0.000 description 1
- 238000009853 pyrometallurgy Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- SYUHGPGVQRZVTB-UHFFFAOYSA-N radon atom Chemical compound [Rn] SYUHGPGVQRZVTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N sodium oxide Chemical compound [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001948 sodium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу очистки висмута от радиоактивного загрязнения полонием. Способ очистки висмута от полония включает расплавление висмута. При этом висмут расплавляют с флюсом гидроокиси натрия. Затем в расплав висмута вводят металлический натрий или висмут-натриевую лигатуру. Количество натрия или натрия в висмут-натриевой лигатуре составляет 0,1-0,3 мас.%. Затем ведут перемешивание расплава при температуре 340-360°С, после чего очищенный от полония расплав отстаивают и щелочной плав удаляют. Перемешивание расплава при температуре 340-360°С ведут в течение 2-3 час, а отстаивание расплава - в течение не менее одного часа. Очищенный от полония расплав висмута дополнительно обрабатывают смесью гидроокиси натрия и нитрата натрия. Техническим результатом изобретения является повышение выхода висмута, очищенного от полония до 98,8-99%, а также увеличение производительности. 3 з.п. ф-лы, 10 пр.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам глубокой очистки висмута от элемент-примесей, в частности к способу очистки металлического висмута от радиоактивного загрязнения полонием.
Высокочистый висмут используется для синтеза широкого класса соединений и материалов: фармацевтических препаратов, катализаторов, магнито-, фото-, и сверхпроводников, оксида висмута для производства оксидных кристаллов, в том числе монокристаллов ортогерманата висмута Bi4Ge3O12 (сокращенно BGO) [Ю.М.Юхин, Ю.И.Михайлов. Химия висмутовых соединений и материалов. Новосибирск., Издательство СО РАН, 2001, глава 1.2; стр.100; глава V].
При этом далеко не всегда контролируется содержание радионуклидов, например полония, которые могут быть внесены металлическим висмутом в процессе синтеза его соединений, и иметь естественное (попадание полония в висмут как продукта распада эманации радия по цепочке ряда урана-радия) и/или искусственное происхождение (например, из облученного висмута, побывавшем в ядерном реакторе). Недостаточно по времени вылежавшийся металлический висмут с не распавшимся еще полонием (период полураспада 210Ро составляет 138,3 суток) может попасть на коммерческий рынок, как сырье и для производства оксида висмута.
Кристаллы BGO применяются в качестве сцинтиллятора в приборах для регистрации γ-излучения, используемых в том числе и для проведения низкофоновых измерений. Наличие же собственного радиоактивного фона кристаллов BGO, выращенных с использованием оксида висмута, загрязненного радиоактивными примесями, существенно ухудшает качество сцинтилляционного материала и характеристики регистрации излучений BGO-детекторами и делает невозможным использование кристаллов в приборах для низкофоновых измерений.
Практика показывает, что высокий собственный радиоактивный фон обусловлен случаями загрязнения монокристаллов BGO α-активным 210Ро [D.N.Grigoriev, V.F.Kazanin, G.N.Kuznetcov, I.I.Novoselov, P.Schotanus, B.M.Shavinskiy, S.N.Shepelev, V.N.Shlegel, Ya.V.Vasiliev "Alpha radioactive background in BGO crystals" Nuclear Instruments and Methods in Physics research A 623 (2010) 999-1001], что заставляет искать способы очистки висмута от элемент-примеси полония.
Известные способы выделения полония из висмута, в том числе промышленно освоенный метод дистилляции для производства полония [Ершова З.В., Волгин А.Г. Полоний и его применение. М., Атомиздат, 1974], касаются в основном выделения полония из облученного нейтронами металлического висмута, причем при высоком содержании полония как в облученном висмуте (75 мг/кг висмута), так и в висмуте после выделения полония, [Ершова З.В., Волгин А.Г. Полоний и его применение. М., Атомиздат, 1974, стр.197] и не решают задачу глубокой очистки висмута от загрязнений полонием.
Наиболее близким по технической сущности решением - прототипом является очистка чернового висмута от полония многократной направленной кристаллизацией и зонной плавкой [А.Н.Киргинцев, В.И.Косяков, Л.А.Прохоров, А.С.Алой и И.М.Селиванов. Исследование очистки чернового висмута от полония. Радиохимия, 14, 2, 1972].
Данный способ путем пятикратной направленной кристаллизацией или однократной кристаллизацией с последующими 12 проходами зоны при зонной плавке слитка чернового висмута позволяет уменьшить α-активность получаемого висмута с 50 имп./ 100 сек в черновом висмуте до 1-2 имп./ 100 сек (до уровня фона прибора измерения активности) [А.Н.Киргинцев, В.И.Косяков, Л.А.Прохоров, А.С.Алой и И.М.Селиванов. Исследование очистки чернового висмута от полония. Радиохимия, 14, 2, 1972, см. Таблицы 1 и 3, стр.297, стр.301].
Основным недостатком этого способа является низкий выход очищенного от полония висмута (50-60%).
Кроме того, кристаллизационные методы очистки характеризуются малой производительностью, обусловленной как небольшим выходом очищенного материала, так и большой длительностью процесса, так как процесс осуществляют путем многократного повторения операций очистки и при небольших скоростях кристаллизации или движения зоны при зонной плавке, порядка доли см/час, и при этом ограничиваются количеством загрузки исходного металла. Также требуется специальное оборудование для оформления процесса (например, вакуум для защиты висмута от окисления, вращающийся контейнер) [А.Н.Киргинцев, В.И.Косяков, Л.А.Прохоров, А.С.Алой и И.М.Селиванов. Исследование очистки чернового висмута от полония. Радиохимия, 14, 2, 1972].
Задачей предлагаемого изобретения является повышение выхода висмута, очищенного от полония, увеличение производительности процесса очистки и упрощение аппаратурного оформления процесса за счет сокращения длительности процесса, увеличения исходной загрузки металла и использования простых металлургических установок.
Техническим результатом изобретения является повышение выхода висмута, очищенного от полония до 98,8-99%, а также увеличение производительности.
Технический результат достигается тем, что в способе очистки висмута от полония, включающем расплавление висмута, висмут расплавляют с флюсом гидроокиси натрия, затем в расплав висмута вводят металлический натрий или висмут-натриевую лигатуру, при этом количество натрия или натрия в висмут-натриевой лигатуре составляет 0,1-0,3 мас.%, и ведут перемешивание расплава при температуре 340-360°С, после чего очищенный от полония расплав отстаивают и щелочной плав удаляют, причем в качестве висмут-натриевой лигатуры используют очищенный от полония висмут с остатком не прореагировавшего натрия, перемешивание расплава при температуре 340-360°С ведут в течение 2-3 час с отстаиванием расплава в течение не менее одного часа, а также тем, что очищенный от полония расплав висмута дополнительно обрабатывают смесью гидроокиси натрия и нитрата натрия в массовом соотношении гидроокиси натрия и нитрата натрия, равном 3:1, соответственно, при этом берут избыток нитрата натрия 50-100 мас.% от стехиометрического количества, необходимого для окисления не прореагировавшего натрия, а обработку ведут при 340-360°С при перемешивании с последующим отстаиванием и удалением щелочно-нитратного плава.
Отличительные от прототипа признаки: расплавляют висмут с флюсом гидроокиси натрия, вводят металлический натрий или висмут-натриевую лигатуру, при этом количество натрия или натрия в висмут-натриевой лигатуре составляет 0,1-0,3 мас.%, в качестве лигатуры используют очищенный от полония висмут с остатком не прореагировавшего натрия, ведут перемешивание расплава при температуре 340-360°С в течение 2-3 час с отстаиванием расплава в течение не менее одного часа и удаление щелочного плава;
дополнительная обработка расплава висмута от остатков не прореагировавшего натрия путем дополнительной обработки расплава висмута смесью гидроокиси натрия и нитрата натрия в массовом соотношении гидроокиси натрия и нитрата натрия, равном 3:1, соответственно, при этом берут избыток нитрата натрия 50-100 мас.% от стехиометрического количества, необходимого для окисления не прореагировавшего натрия, а обработку ведут при 340-360°С при перемешивании с последующим отстаиванием и удалением щелочно-нитратного плава.
Метод интерметаллидного рафинирования, заключающийся в обработке расплава очищаемого металла реагентом, способным образовывать с элемент-примесями твердые малорастворимые фазы интерметаллидных соединений с последующим их удалением, широко используется в пирометаллургии цветных металлов. Например, при рафинировании чернового свинца в качестве интерметаллид-образующего реагента применяют щелочные и щелочноземельные металлы, цинк, сурьму [Диев Н.П., Гофман И.П. Металлургия свинца и цинка. М., Металлургиздат, 1961, глава VI].
Выделение полония из расплавленного висмута предлагаемым способом можно объяснить также образованием прочных интерметаллидных соединений натрия с элемент-примесью полония. Эти соединения - полониды устойчивы до 700°С, то есть выше температуры расплавления висмута, причем имеют плотность в два с лишним раза меньше плотности висмута [Ершова З.В., Волгин А.Г. Полоний и его применение. М., Атомиздат, 1974, стр.139,140; А.Н.Киргинцев, В.И.Косяков, Л.А.Прохоров, А.С.Алой и И.М.Селиванов. Исследование очистки чернового висмута от полония. Радиохимия, 14, 2, 1972, стр.299].
Натрий образует интерметаллидные соединения и с висмутом - висмутиды Na3Bi и NaBi [Диаграммы состояния двойных металлических систем, под ред. Лякишева Н.П., Машиностроение, 1996]. Поэтому, при введении натрия в висмут по предлагаемому способу, образуются полониды натрия, которые захватываются образующимися интерметаллидными соединениями висмута с натрием и в виде твердой фазы интерметаллидов всплывают к поверхности жидкого расплава висмута и затем удаляются в расплав щелочи, которая служит коллектором полония, а также защищает висмут от окисления кислородом воздуха, что позволяет вести процесс в стальном рафинировочном котле без применения вакуума.
Содержание полония даже в черновом α-активном висмуте очень мало, порядка 10-13 вес.% [А.Н.Киргинцев, В.И.Косяков, Л.А.Прохоров, А.С.Алой и И.М.Селиванов. Исследование очистки чернового висмута от полония. Радиохимия, 14, 2, 1972, стр.297] и на несколько порядков ниже пределов обнаружения традиционно используемых аналитических методов - масс-спектрометрии, атомно-эмиссионной и атомно-абсорбционной спектрометрии. Поэтому единственно возможным на настоящий момент методом контроля очистки висмута от полония (Ро) в висмуте является α-спектрометрия.
Эффективность удаления полония из расплава металлического висмута предлагаемым способом контролировали измерением α-активности специально отлитых в виде диска образцов диаметром 23 мм и толщиной 2,4 мм. Поверхность образца с торцов диска перед измерением тщательно отшлифовывалась.
Измерение α-активности проводили на альфа-спектрометре 7184 (EURISYS MESURES, Франция) с использованием низкофонового кремниевого детектора UBL 450 площадью 450 мм2 и разрешением 19 кэВ на линии 5000 кэВ. Установка размещена в камере низкого фона.
Входному анализу на α-активность подвергались разные партии товарного висмута с содержанием висмута 99,99%. В отдельных партиях измеренная исходная α-активность товарного висмута обнаруживалась в диапазоне 2,71·10-1-4,49·10-1 имп./сек при фоне прибора при измерении 5,71·10-4 импульс/сек. Висмут этих партий подвергался очистке от полония предлагаемым способом.
Экспериментально установлено, что наиболее эффективно полоний удаляется при введении в расплав висмута 0,1-0,3 мас.% металлического натрия и оптимальной длительности ведения процесса в течение 2-3 час. Ведение процесса в течение менее 2 час не позволяет полностью очистить висмут от полония (пример 2). Уменьшение количества вводимого натрия меньше 0,1 мас.% приводит к увеличению длительности ведения процесса, что снижает его производительность (пример 3), а увеличение количества вводимого натрия больше 0,3 мас.% существенно не повышает эффективность очистки и нецелесообразно из-за увеличения расхода натрия и увеличения его содержания в висмуте в виде не прореагировавшего остатка (пример 4). Увеличение длительности процесса больше 3 час нежелательно из-за снижения производительности процесса и приводит к загрязнению висмута элемент-примесью железа (до 1,8-2,4·10-4 мас.%) из-за коррозии стального котла рафинирования, что осложняет последующие операции рафинирования висмута (пример 5).
Установлено, что полоний удаляется из висмута и при введении натрия в расплав висмута в виде висмут-натриевой лигатуры. В качестве лигатуры может быть использован висмут-натриевый сплав, полученный известными способами, при условии, что он не содержит полония и количество натрия в висмут-натриевой лигатуре составляет 0,1-0,3 мас.%. Одно из преимуществ предлагаемого способа в том, что в качестве лигатуры используют очищенный от полония висмут с остатком не прореагировавшего натрия после удаления полония (пример 6).
Перемешивание расплавов (механическое или инертным газом) выравнивает распределение вводимого в висмут натрия по всему объему металла, что существенно повышает эффективность удаления полония и сокращает длительность процесса очистки, тем самым повышая его производительность (примеры 7, 8).
Нижний предел температуры ведения процесса 340°С обусловлен хорошей жидко-текучестью расплавов вблизи температур плавления металлического висмута (271°С) и гидроокиси натрия (323°С). Увеличение температуры ведения процесса выше 360°С нежелательно из-за увеличивающейся с температурой коррозии стального рафинировочного тигля и загрязнения вследствие этого висмута элемент-примесью железа. Кроме того, для существования в расплаве висмута интерметаллидов в виде твердой фазы и для эффективного ее удаления температура процесса не должна превышать температуру плавления интерметаллидов.
Установлено, что отстаивание расплава в течение не менее одного часа позволяет практически полностью отделить очищенный от полония висмут от щелочного плава-коллектора полония. Более быстрый отстой расплава снижает эффективность очистки висмута от полония (пример 9).
Для удаления из очищенного от полония висмута остатка не прореагировавшего натрия по предлагаемому способу расплав висмута дополнительно обрабатывают смесью гидроокиси натрия и нитрата натрия в массовом соотношении 3:1, соответственно, при избытке расхода нитрата натрия в количестве 50-100 мас.% от стехиометрического количества, необходимого на окисление натрия по реакции:
2Na+NaNO3=Na2O+NaNO2
Гидроокись натрия в смеси выполняет функцию флюса, защищая висмут от окисления атмосферой воздуха, а нитрат натрия, являясь окислителем, переводит остаток не прореагировавшего натрия в виде оксида натрия в щелочной плав. При этом методом рентгенофазового анализа установлено, что увеличение расхода нитрата натрия в смеси более 100 мас.% от стехиометрии приводит к заметному окислению металлического висмута с образованием порошка оксида висмута (III), и, в результате, снижает выход очищенного от полония висмута. При расходе нитрата натрия меньше 50 мас.% от стехиометрии ухудшается очистка висмута от натрия (пример 10). Массовое соотношение гидроокиси натрия и нитрата натрия составляет 3:1, установлено опытным путем и является оптимальным для термоустойчивости расплава смеси и снижения летучести паров и газо-выделения. Температура при очистке от остатков натрия 340-360°С обусловлена так же как и в процессе очистки от полония с одной стороны хорошей жидко-текучестью расплавов висмута и смеси гидроокиси натрия с нитратом натрия вблизи температуры плавления металлического висмута, а с другой - нежелательностью увеличения температуры из-за разложения нитрата натрия (температура разложения 380°С). Перемешивание расплавов (механическое или инертным газом) выравнивает распределение вводимых реагентов по всему объему металла, а последующее отстаивание расплава способствует полному удалению щелочно-нитратного плава.
Установлено опытным путем, что перемешивание аргоном расплава 20 кг товарного висмута с измеренной исходной активностью 2,73·10-1 импульс/сек (фон прибора при измерении составляет 5,71·10-4 импульс/сек) и 5 кг гидроокиси натрия в течение 16 час при температуре 350°С без введения в расплав висмута металлического натрия не приводит к очистке висмута от полония: измеренная активность висмута после опыта составляет 2,65·10-1 импульс/сек (фон прибора при измерении составляет 5,71·10-4 импульс/сек).
Примеры осуществления предлагаемого способа.
Пример 1 - реализация заявленного способа.
В стальной обогреваемый рафинировочный котел загружают 6 кг предварительно обезвоженной гидроокиси натрия и 50 кг товарного металлического висмута чистотой 99,99%, с измеренной α-активностью 4,46·10-1 импульс/сек (фон прибора при измерении активности составляет 5,71·10-4 импульс/сек). Загруженные продукты расплавляют. Затем в расплав висмута под слоем расплава щелочи вводят 50 г (0,1 мас.%) металлического натрия. После введения натрия проводят перемешивание расплава аргоном в течение 3 час при температуре 350°С. После чего расплав отстаивают в течение 1 час, щелочной плав сливают и отбирают пробу металла на измерение α-активности висмута и содержания натрия. Активность висмута составляет 5,76·10-4 импульс/сек, а фон при измерении активности составляет 5,71·10-4 импульс/сек, то есть практически на уровне фона. Остаточное содержание не прореагировавшего натрия в очищенном висмуте составляет 0,083 мас.%.
Технологические потери висмута при проведении процесса незначительны и не превышают 1 мас.%, т.е. выход очищенного от полония висмута составляет 99,0%.
Далее в стальной обогреваемый котел загружают 50 кг расплава очищенного от полония висмута, содержащего остаток не прореагировавшего натрия в количестве 0,083 мас.%, наплавляют 0,460 кг смеси гидроокиси натрия и нитрата натрия в массовом соотношении 3:1 с избытком нитрата натрия 50 мас.% от стехиометрии на окисление не прореагировавшего натрия и в течение 1 час проводят перемешивание расплава аргоном при температуре 350°С. После чего расплав отстаивают в течение 1 час, щелочно-нитратный плав сливают и анализируют содержание натрия в висмуте. Содержание натрия составляет 1,5·10-4 мас.%. Технологические потери на окисление висмута составляют 0,1-0,2 мас.%.
Таким образом, суммарная длительность процесса очистки 50 кг висмута, включая очистку от элемент-примеси полония (3 часа) и очистку от остатка не прореагировавшего натрия (2 часа), составляет 5 часов с выходом очищенного висмута 98,8-99,0%.
Пример 2 - реализация заявленного способа за пределами заявленного диапазона.
Проводят процесс очистки от полония 20 кг товарного висмута с измеренной исходной активностью 2,71·10-1 импульс/сек (фон прибора при измерении активности составляет 5,71·10-4 импульс/сек). При этом висмут предварительно расплавляют с флюсом обезвоженной гидроокиси натрия в количестве 3 кг, затем в расплав висмута под слоем щелочи вводят 20 г металлического натрия (0,1 мас.%) и процесс осуществляют при тех же условиях, как описано в примере 1, но процесс ведут в течение 1 часа. Измеренная активность висмута по окончании процесса составляет 1,42·10-3 импульс/сек при фоне прибора 5,71·10-4 импульс/сек, то есть очистка от полония в течение одного часа протекает не полностью. Остаточное содержание натрия в висмуте составляет 0,073 мас.%.
Пример 3 - реализация заявленного способа за пределами заявленного диапазона.
Проводят процесс очистки от полония 20 кг товарного висмута с той же измеренной исходной активностью и при тех же условиях, как описано в примере 2, но в расплав висмута под слоем щелочи вводят 15 г (0,07 мас.%) металлического натрия, а длительность ведения процесса до полной очистки висмута от полония контролируют путем отбором проб с последующим измерением активности. Через 3 час ведения процесса измеренная активность составляет 8,45·10-4, а фон прибора при измерении активности составляет 5,71·10-4 импульс/сек. Через 4 час ведения процесса измеренная активность висмута составляет 5,95·10-4 импульс/сек (фон прибора 5,71·10-4 импульс/сек). Видно, что длительность процесса полной очистки от полония увеличивается при введении в висмут натрия меньше 0,1 мас.%. Содержание натрия в висмуте после проведения процесса составляет 0,053 мас.%.
Пример 4 - реализация заявленного способа.
Проводят процесс очистки 20 кг товарного висмута с той же измеренной исходной активностью и при тех же условиях, как описано в примере 2, но в расплав висмута вводят 60 г (0,3 мас.%) металлического натрия и контролируют длительность ведения процесса до полной очистки висмута от полония путем отбора проб с последующим измерением активности и содержание в висмуте остатка не прореагировавшего натрия. Через 2 часа ведения процесса измеренная активность висмута составляет 5,91·10-4 импульс/сек, т.е на уровне фона (фон измерения 5,71·10-4 импульс/сек), а содержание натрия в висмуте составляет 0,15 мас.%. Выход очищенного висмута составляет 99,1%.
Пример 5 - реализация заявленного способа за пределами заявленного диапазона.
Проводят процесс очистки от полония 20 кг товарного висмута с той же измеренной исходной активностью и при тех же условиях, как описано в примере 2, но в расплав висмута под слоем щелочи вводят 80 г (0,4 мас.%) металлического натрия и контролируют длительность ведения процесса до полной очистки висмута от полония путем отбора проб с последующим измерением активности и содержание в висмуте остатка не прореагировавшего натрия. Через 2 часа ведения процесса измеренная активность висмута составляет 5,86·10-4 импульс/сек (фон измерения 5,71·10-4 импульс/сек), а содержание натрия в висмуте составляет 0,21 мас.%. Выход очищенного висмута составляет 99,2%.
Таким образом, увеличение количества вводимого натрия более 0,3 мас.% существенно не повышает эффективность очистки и выход очищенного висмута, но увеличивает расход натрия и остаточное содержание не прореагировавшего натрия (до 0,21 мас.%).
Пример 6 - реализация заявленного способа.
В рафинировочный котел загружают 54 кг очищенного от полония предлагаемым способом висмута с измеренной активностью 6,01·10-4 импульс/сек (фон прибора при измерении 5,71·10-4 импульс/сек), содержащего остаток не прореагировавшего натрия в количестве 0,15 мас.% (81 г), и 46 кг товарного висмута с измеренной активностью 4,46·10-1 импульс/сек (фон прибора при измерении активности составляет 5,71·10-4 импульс/сек), добавляют 4 кг обезвоженной гидроокиси натрия, расплавляют и проводят процесс в течение 2 час при тех же условиях, как описано в примере 1. По окончании процесса щелочной плав удаляют и из 100 кг висмута отбирают пробу на измерение активности и содержание остатка не прореагировавшего натрия. Измеренная активность составляет 6,21·10-4 импульс/сек (фон прибора при измерении 5,71·10-4 импульс/сек), а остаточное содержание натрия составляет 0,066 мас.%, то есть очистка висмута от полония предлагаемым способом осуществляется и при введении натрия в расплав висмута в виде висмут-натриевой лигатуры (из расчета 0,17 мас.% на 46 кг активного висмута). При этом выход очищенного висмута составил 98,9%.
Пример 7 - реализация заявленного способа за пределами заявленного диапазона.
Проводят процесс очистки от полония 50 кг товарного висмута с измеренной активностью 4,46·10-1 импульс/сек (фон прибора при измерении активности составляет 5,71·10-4 импульс/сек). При этом в расплав висмута под слоем 5 кг расплава гидроокиси натрия вводят 100 г (0,2 мас.%) натрия и процесс ведут в течение 3 часов без перемешивания расплавов, после чего отбирают пробу висмута на измерение активности.
Измеренная активность составляет 1,02·10-2 импульс/сек (фон прибора при измерении активности составляет 5,71·10-4 импульс/сек), то есть без перемешивания расплавов рафинирующий эффект полной очистки висмута от полония не достигается в заявленном интервале длительности ведения процесса.
Пример 8 - реализация заявленного способа.
Проводят процесс очистки от полония 50 кг товарного висмута с той же измеренной α-активностью и при тех же условиях (в расплав висмута вводят 100 г натрия), как в примере 7, но процесс ведут с перемешиванием расплава аргоном в течение 2 часов. Через 2 часа ведения процесса измеренная активность висмута составляет 5,76·10-4 импульс/сек, т.е. на уровне фона (фон измерения 5,71·10-4 импульс/сек), а содержание натрия в висмуте составляет 0,11 вес.%. Выход очищенного от полония висмута составляет 99,2%. Таким образом, перемешивание расплавов существенно влияет на достигаемый эффект, повышая эффективность и сокращая длительность процесса очистки.
Пример 9 - реализация заявленного способа за пределами заявленного диапазона.
Проводят процесс очистки от полония 50 кг товарного висмута с той же измеренной активностью и при тех же условиях, как описано в примере 1, но отстаивание расплава после 3 часов ведения процесса осуществляют в течение менее 1 час (45 мин), после чего щелочной плав удаляют, отбирают пробу висмута и измеряют его α-активность. Измеренная активность составляет 1,05·10-3 импульс/сек (фон прибора при измерении активности составляет 5,71·10-4 импульс/сек), то есть очистка от полония произошла не полностью.
Пример 10 - реализация заявленного способа за пределами заявленного диапазона.
После операции очистки от полония предлагаемым способом проводят очистку 50 кг висмута от остатка не прореагировавшего натрия в количестве 55 г (0,11 мас.%) путем дополнительной обработки расплава висмута смесью гидроокиси натрия и нитрата натрия в массовом соотношении 3:1, но с расходом нитрата натрия 140 г (меньше 50 мас.% от стехиометрии на окисление не прореагировавшего натрия) в течение 1 час при температуре 350°С и перемешивании расплава аргоном. После чего расплав отстаивают в течение 1 час, щелочно-нитратный плав сливают и анализируют содержание натрия в висмуте. Содержание натрия составляет 8,1·10-4 мас.%, то есть при снижении расхода нитрата натрия меньше 50 мас.% от стехиометрии очистка висмута от остатка не прореагировавшего натрия ухудшается (см. пример 1).
Очищенный заявленным способом висмут поступает на дальнейшее рафинирование и синтез оксида висмута известными способами.
При тестировании на 5" ФЭУ Photonis кристаллов BGO на наличие радиоактивного фона установлено, что кристаллы, выращенные с использованием оксида висмута, полученного из висмута, очищенного от полония предлагаемым способом, не обнаруживают γ-активность в пределах чувствительности измерений. В то же время кристаллы, выращенные с использованием оксида висмута, полученного из висмута, не прошедшего предварительной очистки от полония, γ-активны на уровне 80 Бк/кг.
Предлагаемый способ обладает следующими преимуществами:
1) позволяет в 1,6-2 раза повысить выход очищенного от полония висмута;
2) сокращает длительность процесса очистки и не ограничивает количество загрузки исходного металла, что увеличивает производительность процесса;
3) упрощает аппаратурное оформление процесса очистки, позволяя использовать простые металлургические установки;
4) позволяет повышать радиационную чистоту и качество широкого спектра висмутовых материалов, произведенных с использованием висмута, очищенного заявляемым способом (низкофонового висмута), в том числе качество сцинтилляционных кристаллов BGO, что увеличивает выход низкофоновых кристаллов при их производстве.
Claims (4)
1. Способ очистки висмута от полония, включающий расплавление висмута, отличающийся тем, что висмут расплавляют с флюсом гидроокиси натрия, затем в расплав висмута вводят металлический натрий или висмут-натриевую лигатуру при этом количество натрия или натрия в висмут-натриевой лигатуре составляет 0,1-0,3 мас.%, и ведут перемешивание расплава при температуре 340-360°С, после чего очищенный от полония расплав отстаивают и щелочной плав удаляют.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве висмут-натриевой лигатуры используют очищенный от полония висмут с остатком не прореагировавшего натрия.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание расплава при температуре 340-360°С ведут в течение 2-3 ч, а отстаивание расплава - в течение не менее одного часа.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что очищенный от полония расплав висмута дополнительно обрабатывают смесью гидроокиси натрия и нитрата натрия в массовом соотношении гидроокись натрия и нитрат натрия, равном 3:1 соответственно, при этом берут избыток нитрата натрия 50-100 мас.% от стехиометрического количества, необходимого для окисления не прореагировавшего натрия, и обработку ведут при 340-360°С при перемешивании с последующим отстаиванием и удалением щелочно-нитратного плава.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011120535/02A RU2478128C2 (ru) | 2011-05-20 | 2011-05-20 | Способ очистки висмута от полония |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011120535/02A RU2478128C2 (ru) | 2011-05-20 | 2011-05-20 | Способ очистки висмута от полония |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011120535A RU2011120535A (ru) | 2012-11-27 |
| RU2478128C2 true RU2478128C2 (ru) | 2013-03-27 |
Family
ID=49151510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011120535/02A RU2478128C2 (ru) | 2011-05-20 | 2011-05-20 | Способ очистки висмута от полония |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2478128C2 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2738036C2 (ru) * | 2020-04-13 | 2020-12-07 | Виталий Евгеньевич Дьяков | Способ для очистки висмута зонной плавкой, покровный флюс и аппарат для осуществления способа зонной плавки |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5234492A (en) * | 1992-04-14 | 1993-08-10 | Asarco Incorporated | Refining of bismuth |
| RU2281979C2 (ru) * | 2004-12-14 | 2006-08-20 | Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской Академии наук | Способ очистки висмута |
| CN101886174A (zh) * | 2010-06-23 | 2010-11-17 | 郴州雄风稀贵金属材料股份有限公司 | 从阳极泥回收所产生的含铋物料中提炼高纯铋的工艺 |
-
2011
- 2011-05-20 RU RU2011120535/02A patent/RU2478128C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5234492A (en) * | 1992-04-14 | 1993-08-10 | Asarco Incorporated | Refining of bismuth |
| RU2281979C2 (ru) * | 2004-12-14 | 2006-08-20 | Институт неорганической химии им. А.В. Николаева Сибирского отделения Российской Академии наук | Способ очистки висмута |
| CN101886174A (zh) * | 2010-06-23 | 2010-11-17 | 郴州雄风稀贵金属材料股份有限公司 | 从阳极泥回收所产生的含铋物料中提炼高纯铋的工艺 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| КИРГИНЦЕВ А.Н. и др. Исследование очистки чернового висмута от полония. Радиохимия, 14, 2, 1972, с.297, 301, таблицы 2, 3. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2738036C2 (ru) * | 2020-04-13 | 2020-12-07 | Виталий Евгеньевич Дьяков | Способ для очистки висмута зонной плавкой, покровный флюс и аппарат для осуществления способа зонной плавки |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011120535A (ru) | 2012-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2436856C1 (ru) | Способ очистки висмута | |
| US11060206B2 (en) | Method for purifying an inorganic material using a tube having a bend between a first end and a second end of the tube | |
| EP1567611B1 (fr) | Preparation de blocs d'halogenure de terre rare, blocs ainsi obtenus, leur utilisation pour fabriquer des monocristaux et monocristaux ainsi obtenus | |
| Schieber et al. | Crystal growth and applications of mercuric iodide | |
| RU2478128C2 (ru) | Способ очистки висмута от полония | |
| Nagornaya et al. | Growth of ${\rm ZnWO} _ {4} $ Crystal Scintillators for High Sensitivity $2\beta $ Experiments | |
| Spirlet et al. | The preparation and purification of americium metal by evaporation | |
| RU2138585C1 (ru) | Сцинтилляционный материал на основе йодида цезия и способ его получения | |
| Kino et al. | Study on the trace elements in zone-refined aluminum | |
| EP0349117B1 (en) | Trace metals analysis in semiconductor material | |
| Oliveira et al. | Purification and crystal growth of TlBr for application as a radiation detector | |
| Tanifuji et al. | Tritium release from neutron-irradiated Li2O: Diffusion in single crystal | |
| Kaye et al. | Bioaccumulation of radioactive isotopes by herbivorous small mammals | |
| Gileva et al. | Purification and recovery of 100MoO3 in crystal production for AMoRE experiment | |
| Cheetham et al. | An investigation of the bismuth-rhenium-oxygen system by analytical electron microscopy | |
| RU2514766C2 (ru) | Способ очистки висмута | |
| Cabell | The thermal neutron capture cross section and the resonance absorption integral of Th230 (Ionium) | |
| JPH02259563A (ja) | Ｃｚ単結晶シリコン中の金属不純物濃度の定量方法 | |
| RU2647125C1 (ru) | Способ регенерации хлоридного электролита при электрохимической переработке отработавшего ядерного топлива | |
| RU2835248C1 (ru) | Способ очистки отработавшей топливной соли на основе эвтектической смеси LiF-NaF-KF | |
| Kern | Neutron‐Activation Study of Gallium Arsenide Contamination by Quartz | |
| Tkachenko et al. | Optimized Bi4Si3O12 scintillation crystals grown in dynamic atmosphere for future particle physics experiments | |
| Takeuchi et al. | Determination of trace elements in a silicon single crystal | |
| Gobrecht et al. | Determination of chlorine in selenium by neutron activation analysis | |
| Stanaway et al. | AERE, Harwell United Kingdom |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160521 |