电化学还原提取与熔盐/液态金属萃取分离金属镨

摘要

核电因其高效性、清洁性、安全性而受到人们青睐，但其乏燃料中的一些放射性产物构成了对地球生物和人类环境的巨大的潜在危害，然而裂变产物中很大一部分物质，例如稀土元素是可以被回收利用的，因此对乏燃料的正确管理具有重要的意义。镧系元素是乏燃料中需要清除的重要元素，因此研究镧系元素在熔盐中的物理化学性质对于乏燃料后处理具有重要的意义。本文的主要研究了熔盐电解和熔盐/液态金属萃取分离稀土元素镨的两种乏燃料干法后处理方法。
　　（1）熔盐电解：在共晶LiCl-KCl熔盐中，采用循环伏安、方波伏安法、计时电流法、计时电位法和开路计时电位法研究了Pr(III)离子在活性电极Ni上的电化学行为，结果表明在-2.15V(vs Ag/AgCl)时Pr(III)离子还原为金属Pr，是一步转移3电子的还原过程；在-2.02V、-1.8V、-1.45V、-1.05V电位出现了四个还原峰，表明Pr(III)离子在Ni电极上发生欠电位沉积。Pr(III)/Pr(0)氧化还原是一个可逆的过程，受扩散速度控制，计算了Pr(III)离子的扩散系数及扩散活化能。对不同恒电位下电解制备的合金样品采用XRD、SEM和EDS等技术表征，分别形成PrNi2、PrNi3、Pr2Ni7和PrNi5金属间化合物。通过热力学计算，PrNi2的合金化热效应为-83.9kJ mol-1，以及合金化反应的瞬时电极温度可达到1903.9K。
　　（2）熔盐/液态金属萃取分离：研究了LiCl-KCl共晶熔盐/液态Al-Li合金萃取稀土元素。首先利用液态Al为阴极制备了Al-Li合金，然后在LiCl-KCl共晶熔盐/液态Al-Li合金中萃取稀土，分析了反应温度、还原剂的量、相比、氯化稀土的加入量、反应搅拌的时间对萃取结果即分配比的影响，发现在一定范围内提高温度、增加还原剂与氯化稀土的量、延长搅拌时间、增大相比这些措施能够提高稀土的分配比，通过提高分配比、降低相比能提高稀土的萃取率。对多组分稀土的萃取时，发现该体系能够对多种稀土同时萃取，轻稀土的分配比要高于重稀土；同时研究了LiCl-KCl共晶熔盐/液态Al-Li萃取体系对变价稀土元素的萃取，发现在LiCl-KCl共晶熔盐/液态Al-Li萃取体系中，变价元素Sm的分配比高于Pr，利于变价元素的分离，分离因素可以达到23.30。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 熔盐和熔盐电解

1.3乏燃料干法后处理

1.4 本文研究意义与研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验药品及仪器

2.2 实验装置

2.3 电化学实验方法

2.4 熔盐/液态金属还原萃取

2.5 样品表征与分析

2.6 本章小结

第3章 LiCl－KCl体系中在镍电极上还原提取金属镨

3.1 引言

3.2 Pr(III)离子在LiCl－KCl熔盐中Ni电极上的电化学行为

3.3 Pr－Ni合金化合物的制备及表征

3.4 PrNi2的合金化反应的去极化机理研究和微区热效应计算

3.5 本章小结

第4章 熔盐/液态金属还原萃取分离稀土

4.1 引言

4.2 熔盐/液态Al－Li合金还原萃取分离单一稀土镨

4.3 熔盐/液态Al－Li合金还原萃取分离多组分稀土

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢