[發明專利]可應用于高濃度非水性電解質的金屬離子或氧離子的監測方法和系統

有效

• 申請號: 201310080529.4
• 申請日: 2013-03-13
• 公開（公告）號: CN103308588A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 裵相垠;宋奎錫;金大賢;樸勇俊;金鐘潤;延濟元
• 申請（專利權）人: 韓國原子力研究院;韓國水力原子力株式會社
• 主分類號: G01N27/48
• 分類號: G01N27/48
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 胡嘉倩

技術背景

1.技術領域

本發明涉及一種測量電提取金屬工藝和廢棄核燃料高溫冶金處理中非水性電解質濃度的方法和系統。

2.背景技術

核電廠產生的廢棄核燃料包括大量高含量廢棄物以及大量未反應的鈾。為了再循環未反應的鈾和減少高含量廢棄物的體積，近年來特別關注高溫冶金處理。高溫冶金處理包括電解還原工藝、電解精制工藝和電提取(electrowinning)工藝。這些工藝的難點是在熔融鹽中熔化廢棄核燃料，電化學還原各種元素如鈾、超鈾等，以及將其電沉積和回收在陰極上。

高溫冶金處理從熔融鹽中回收鈾和超鈾(TRU)元素，因此在實施各種工藝(如電解精制、電提取)時精確地測量熔融鹽中存在的鈾和超鈾元素組成和濃度是關鍵。通常，采用分析技術如感應耦合等離子體原子發射分光光譜法(ICP-AES)或感應耦合等離子體質譜(ICP-MS)通過取樣(或收集)熔融鹽對鈾和超鈾元素的組成和濃度進行測量，但為了順利地進行該工藝，迫切需要現場（on?the?spot）實時監測具有相對高溫的熔融鹽的溶質濃度。

高溫冶金處理所需的實時監測方法可以分為兩種。

第一種方法是設計為將吸收光譜或激光誘導的熒光光譜等應用于高溫冶金處理的光譜測量方法。光譜方法通常使用光源、測量池和檢測器，其優點在于可根據元素的特征信號進行檢測，但缺點在于難以將這些組件安裝在處于高溫冶金處理的高溫條件下的熔融鹽池中。

第二種測量方法是將電化學測量法應用于實時監測的方法。該測量方法是通過測量電化學信號，即電流信號來測量高溫熔融鹽中存在的溶質類型和溶質量的方法。由于將工藝系統構造為電化學系統，希望該電化學測量方法能容易地施用于工藝池。目前已知的電化學測量方法包括常規脈沖伏安法、方波伏安法等。采用這些方法，當以掃描同時施加脈沖的方式重復電沉積和溶出反應來測量電極/溶液界面存在的溶質的反應時，該溶液體相中存在的溶質由于擴散現象被引至電極界面，以增加電極/溶液界面的溶質濃度，其缺點在于在大于或等于4重量％的高濃度情況下無法獲得比例關系。同樣，在使用常規循環伏安法或計時安培分析法的情況下，形成過量電沉積物的同時，電沉積反應使電極面積迅速增加，在測量高濃度溶質時會出問題。此外，采用所述測量方法，可以測量高溫熔融鹽中廢棄核燃料的粗略濃度(rough?concentration)，但由于拖延了電勢掃描時間，延長測量時間并降低電勢對于分析相鄰元素來說是不合適的。此外，高溫熔融鹽處于極其惡劣的環境，因此很多材料在高溫熔融鹽中是不穩定的，并且將電極放入高溫熔融鹽中時，出現了高溫熔融鹽的表面，改變電極的接觸面積。為了持續保持電極面積，可以使用用絕緣體纏繞(或覆蓋)電極的方法，但當減少的面積的電勢施加于高溫熔融鹽中用作絕緣體的二氧化鋁時，二氧化鋁等被還原成金屬鋁，從性質上轉變為導體，不利地增加了電極面積。此外，在對非水性溶液中的高濃度溶質進行電化學測量時，如果電極面積大，在電化學測量過程中電極的中間部分被溶質離子空穴化。因此，使用大面積電極對高濃度溶質的電化學測量導致電極的某些區域喪失能力，使得測得的值小于在與高濃度成比例的電流條件下測得的值。

同樣，使用電化學方法如循環伏安法或方波伏安法(SWV)等進行氧陰離子的濃度測量。這些方法采用氧化氧陰離子的反應得到氧。但是，在測量反應電流時，持續生成氧，氧附著在電極表面，導致電極面積減少。

作為精制天然存在的金屬礦石的方法，通常在非水性溶液中進行電解精制工藝。金屬礦石包括金屬和氧結合的金屬氧化物，在電解精制工藝過程中，金屬陽離子在陰極上被還原成電分離的金屬，以被回收，而氧陰離子在陽極被氧化生成氧。該工藝中，基于與高溫冶金處理類似的原理發生金屬電解還原反應。因此，金屬礦石精制工藝也迫切需要用于實時測量非水性溶液中包含的元素的實時測量方法，以監測該工藝的進行情況。

發明內容

因此，本發明的一個方面是提供一種在金屬電解精制工藝和高溫冶金處理過程中實時監測非水性溶液中金屬離子和氧離子濃度的方法和系統。