Zn和Sm共电沉积提取Sm及ZnCl2对Sm2O3氯化效果的研究

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熔盐电解领域中,熔盐电化学分离乏燃料中镧系和锕系元素已经成为研究热点。因此,获得镧系元素在熔盐中的基础化学数据是熔盐电解分离镧系元素和锕系元素的一项基础研究工作。所以,本文以稀土Sm为研究对象,考察Sm(III)离子在LiCl–KCl熔盐体系中电化学行为和电沉积过程,并采用共沉积法从熔盐中提取Sm。MOX燃料是氧化物燃料,通常在HCl–Cl2混合气体喷射下才能熔解在熔盐中,本文尝试采用氯化物既作为氯化剂又作为合金化元素来提取氧化物燃料。因此,除了采用SmCl3作为原料,本文还尝试以Sm2O3作为原料在LiCl–KCl熔盐体系中提取Sm。同时探究了ZnCl2(MgCl2、AlCl3)对Sm2O3的氯化效果,为分离和提取镧系元素提供基础数据和有效的提取方法。  本文第一部分在LiCl–KCl熔盐中,通过循环伏安、方波伏安、计时电位和开路计时电位等电化学方法研究了LiCl–KCl–ZnCl2–SmCl3熔盐体系中 Zn(II)和Sm(III)的共沉积机理,其中首先研究了Zn(II)在LiCl–KCl熔盐体系中的电化学行为。结果表明:Zn(II)还原为金属Zn的过程是一步还原,这一步还原反应为准可逆反应。Zn(II)还原为金属Zn的过程是受扩散控制的,在低扫速下,该还原反应可看作是可逆反应,Zn(II)在低扫速下的扩散系数为1.28×10-5cm2·s-1。当电极电位为-1.56、-2.16和-2.29 V时,Zn(II)和Sm(III)发生共沉积,生成三种金属间化合物。在773 K下对LiCl–KCl–ZnCl2–SmCl3熔盐体系进行恒电位电解来有效地提取钐,计算出提取效率为99.87%;通过恒电流电解得到了块状的Zn–Sm合金,并通过XRD、SEM和EDS对合金的组成和形貌进行分析。  本文第二部分采用循环伏安、方波伏安、计时电位和开路计时电位等电化学方法研究了Sm2O3在LiCl–KCl–ZnCl2(MgCl2、AlCl3)熔盐体系的电化学行为和氯化效果。通过不同温度下Sm2O3在LiCl–KCl–ZnCl2(MgCl2、AlCl3)三种熔盐体系中的溶解度的对比,结果发现:ZnCl2和MgCl2对Sm2O3的氯化作用十分微小,而AlCl3对Sm2O3的氯化作用比较明显,且随着温度的升高Sm2O3在LiCl–KCl–AlCl3熔盐体系中的溶解度增大,在923 K时达到最大。ZnCl2(MgCl2、AlCl3)和Sm2O3的混合物在673 K下反应2.5 h后冷却到室温后对其进行XRD表征,XRD分析结果表明:ZnCl2(MgCl2、AlCl3)和Sm2O3混合物加热到673 K后,有新的化合物SmOCl、SmCl3和ZnO、MgO、Al2O3生成,证明ZnCl2、MgCl2和AlCl3对Sm2O3有氯化作用,且ZnCl2和MgCl2的氯化作用弱,对Sm2O3氯化不完全,而AlCl3的氯化作用比较强。
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