锆铪水基分离工艺获突破

Oregon State University的研究人员在Journal of the American Chemical Society上发表了一篇论文，介绍了一种分离锆和铪的新方法。这两种元素对核能都很重要，但由于性质相似，通常很难分离。

论文指出，从硅酸锆（锆石）中提取的锆和铪有90%以上用于核工业，其中高纯锆广泛用于核燃料棒包壳。高纯铪也用于核领域，通常用于特种控制棒，例如核潜艇上的控制棒。

论文称：“尽管二者的化学性质相似，但锆原子核基本不吸收中子，而铪具有较高的中子俘获截面。”

这些性质在其核应用中得到利用，但这也意味着，对于这些难以分离的元素，“高纯度”至关重要：对于锆，这意味着其中的铪含量低于0.01%；对于铪，则意味着其中的锆含量低于1%。

目前工业规模的锆/铪分离工艺能耗较高，并使用大量甲基异丁基酮。这是一种有毒有机溶剂，其中约4%最终会逸散到空气中，形成有害污染。

据Oregon State University介绍，由该校化学教授May Nyman和研究生助理Alex Roseborough牵头，在JACS论文中描述的工艺采用水基溶液，其中混合了含有百分之几个百分点铪杂质的天然锆、可与铪离子和锆离子结合的硫氰酸根配体，以及胆碱——一种价格低廉、无毒且常用作食品添加剂的化学物质。

演示结果表明，该工艺不再使用有机溶剂，并降低了能源需求，最终使富铪物种沉淀。该工艺实现的分离因子——衡量工艺分离混合物中两种组分能力的指标——在优化的实验室条件下比行业标准高出四倍以上。

Nyman向Nuclear News表示，要将该工艺从台架实验转化为示范电站演示，还需要开展进一步工作，以了解如何将其放大至工业生产水平。

她说：“这可能需要一家初创公司和/或行业投资，以研究工艺放大及其对自动化流程的适配。”

Nyman表示，这可能需要将其转化为一种可实现自动化的沉淀工艺。然而，当前的工业分离工艺并非以沉淀为基础，因此，如果现有设施要采用这种新工艺，就需要进行大规模改造。

Nyman说：“我们从原子尺度详细阐述了这种分离如何实现，以及沉淀分离如何与溶剂萃取相竞争。我们仍有一些问题需要解答，也有一些里程碑需要实现，但这些发现确实令人振奋且影响重大，尤其是在社会必须转向更多无碳、高密度发电方式——包括核能——的背景下。”