Разработка технологии синтеза высокообогащенного изотопа B-10 из трифторида бора
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
BCl3 и 40 % при восстановлении BF3.
Методы получения бора восстановлением галогенидов водородом являются, несомненно, весьма перспективными, однако до сих пор еще не разработана приемлемая аппаратурная схема, которая могла бы обеспечить получение бора таким методом в больших количествах.
1.4.3 Электрохимические способы получения бора
Электролитический метод получения элементарного бора, основанный на патенте Купера, был использован в США для получения бора, обогащенного изотопом B-10. Электролиз проводится в герметизированной ванне в атмосфере водорода при температуре 750-800?. Плотность тока на ванне равна 85-125 А/дм2, напряжение 5-6 В. В качестве электролита служит смесь KBF4 (обогащенного по B-10) с KCl. Анодом является футерованный графитом тигель ванны, изготовленный из сплава никонель (Ni, Cr, Fe). Катод сделан из монель-металла. Выделяющийся на катоде бор периодически с него удаляется. Электролит служит около двух недель, причем в течении этого периода в него, по мере израсходования, добавляется KBF4 и KCl (5:1). За этот период проводится около 450 операции получения бора, после чего электролит полностью заменяется. Производительность описанной ванны составляет 32 кг бора в месяц, выход бора -- 70-85 % от теоретического. Снятые с катода наросты бора после измельчения (до 100 меш) подвергаются очистке, которая заключается в промывке и кипячении в холодной и горячей воде, а также обработке кипящей HCl. Полученный продукт сушится в инертной атмосфере при температуре 110?. По данным авторов, электролитический бор содержит 94 % общего бора. Содержание примеси железа не превышает 0,3 %, кроме того есть небольшие примеси C, Ni, Cr, Si, Mg, K и Cu.
2KBF4(тв) + 6KCl > 8KF + 2B + 3Cl2(4)
Дальнейшее исследование этого процесса проведено Самсоновым, Оболончиком и Куличкиной в работах. Ими показано, что в системе KBF4-KCl образуется две эвтектики при содержании KBF4 97,8 % и 87,6 % с температурами плавления соответственно 508? и 471?. Однако электролиз из ванн эвтектических составов, хотя и может производиться при более низких температурах, с чем в работах тем не менее не дает возможности получать бор с чистотой выше 93 %. Наиболее чистый бор с содержанием В выше 99 %, но с очень малым выходом получается при электролизе чистого KBF4.
В то время как сам KBF4 получают в основном двумя способами, первый это так называемый сухой метод:
(газ) + KF(тв безв)KBF4(тв)(5)
Синтез целевого продукта проводится в одну стадию, при высоких температуре и давлении. Твердофазный синтез тетрафторбората калия сопряжен со значительными технологическими трудностями:
жесткие требования к подготовке оборудования и реагентов к синтезу,
работа с высоко агрессивными, высоко токсичными реагентами при высоких температуре и давлении,
большое время реакции,
образование трудно идентифицируемых побочных продуктов,
низкий выход целевого продукта KBF4,
трудность очистки тетрафторбората.
Второй метод можно назвать мокрый:
(газ) + HFHBF4 + 3H2O(6)
HBF4 + KOHKBF4 + H2O(7)
Синтез проходит в воде в две стадии. Кислота (HBF4), получается на первой стадии, на второй стадии нейтрализуется щелочью, образуя тетрафторборат калия. Следует отметить, что побочным продуктом реакции является вода.
1.5 Выводы по аналитическому обзору
В результате можно сделать вывод о том, что в рамках данной работы целесообразно использовать метод электрохимического выделения бора из расплавов солей и при этом максимально использовать имеющиеся знания и опыт в этом направлении, полученный от контактов с коллегами из бывшего НИИСИ.
Для реакторов на быстрых нейтронах ввиду слабой зависимости сечения поглощения от энергии нейтронов и отсутствия резонансных областей наиболее применимым является B-10. Анализ ядерно-физических характеристик различных нейтронных поглотителей показывается, что в некоторой степени, альтернативными для B-10 можно считать следующие материалы (с отдельными изотопами с высокими сечениями поглощения): гадолиний, самарий, европий, кадмий и диспрозий.
Все указанные элементы существенно проигрывают B-10 в первую очередь по параметру равномерности сечения поглощения для широкого диапазона энергий нейтронов.
Приведенные выше поглотители также уступают B-10 и по ряду физико-химических свойств, в частности по термической устойчивости. Так температура плавления кадмия составляет 867,1 оС, индия 702,32 оС, гадолиния 1859 оС, а карбид бора плавится при температуре не ниже 2150 оС.
Кроме того, при поглощении B-10 нейтронов не образуется достаточно жесткого гамма-излучения, такого как практически во всех других случаях использования поглотителей с высоким атомным номером.
Рассмотрение перспектив использования альтернативных изотопов показывает, что альтернативы B-10 при прогнозируемых перспективах развития быстрой атомной энергетики и реакторов нового поколения нет по причине уникальности собственных ядерно-физических характеристик B-10.
Поэтому в данный момент актуально исследовать указанный метод получения элементарного (аморфного) бора из трифторида бора с учетом современного уровня развития материальной и аппаратурной базы.
На основании анализа результатов исследовании можно утверждать, что тетрафторборат калия проще и дешевле синтезировать жидкофазным способом. В связи с этим необходимо продолжить работы по оптимизации технологии жидкофазного синтеза тетрафторбората калия iелью увеличения его выхода при минимальных затратах сырья и энергии, с собл