Abtrennung von Zirkonium und Hafnium

Was ist Zirkonium?

Zirkonium, Zr, ist ein Element mit der Ordnungszahl 40 und einem Atomgewicht von 91,224. Das meiste Zirkonium wird durch Raffinieren des Minerals Zirkon gewonnen. Zr wird in der Nuklearindustrie verwendet, da das Zirkonium einen geringen Neutroneneinfangquerschnitt hat. Zr wird in Form von Zirkoniumlegierungen, in der Regel Zircaloy-2 und Zircaloy-4, zur Herstellung von Brennstäben für Kernreaktoren verbraucht.

Da Zirkonium eine sehr gute chemische Korrosionsbeständigkeit aufweist, werden Zirkoniumformen wie Zirkoniumrohre und -platten zur Herstellung von Ausrüstungen für die chemische Industrie verwendet. Zr wird auch als Zusatzstoff für Stahl verwendet, und Zirkoniumoxid, manchmal auch als Zirkoniumdioxid bezeichnet, wird bei der Herstellung von Keramik verwendet.

Was ist Hafnium?

Hafnium, das Element, das zur gleichen Gruppe wie Zr gehört, hat eine höhere Dichte und einen viel größeren Neutroneneinfangquerschnitt. Der Gehalt an Hf-Verunreinigungen in Zirkaloy-Produkten muss sehr gering sein, wenn sie in der Nuklearindustrie eingesetzt werden sollen.

Was ist Zirkon?

Zirkon, eine wichtige Ressource für reines Zr, enthält in der Regel auch etwas Hf, und die Trennung von Zr und Hf ist äußerst schwierig. Da diese beiden Elemente zur gleichen Gruppe gehören, haben sie ähnliche chemische Eigenschaften.

Normalerweise wird für die Trennung von Zirkonium und Hafnium eine Flüssigextraktionsmethode angewandt, und es wurden mehrere Systeme entwickelt. Auch die Destillation von geschmolzenem Salz wurde für den Trennungsprozess entwickelt. Alle diese Verfahren sind jedoch im Vergleich zu herkömmlichen Metallreinigungsverfahren teuer. Außerdem wird bei der Flüssigextraktion eine große Menge Wasser verbraucht und es fällt viel Abfall an.

In der Regel besteht keine Notwendigkeit, das gesamte Hafnium aus Zirkonium zu entfernen, es sei denn, es wird für die Atomindustrie verwendet. Daher könnten Produkte mit niedrigem Hafniumgehalt auf dem normalen Markt schwer zu beschaffen sein. Obwohl der Prozess der Reduktion von Zirkonium durch Magnesium in der Regel billiger ist, wird hochwertiges reines Zirkonium immer noch in Form von Zr-Kristallbarren hergestellt. Der Marktpreis von Zirkonium mit niedrigem Hafniumgehalt könnte 50 bis 100 % mehr kosten als der von Zirkonium mit hohem Hf-Gehalt.

Wie trennt man Hafnium und Zirkonium?

Bei der Gewinnung und Reinigung von Zirkonium aus Hafnium kommen drei Hauptverfahren zum Einsatz, die jeweils darauf zugeschnitten sind, das für bestimmte Industriezweige erforderliche hochreine Zirkonium zu erhalten. Erstens nutzt die Pyrolysetrennung den Unterschied im Dampfdruck zwischen Zirkonium und Hafniumchlorid bei erhöhten Temperaturen oder Drücken. Diese Methode bietet einen rationalisierten Produktionsprozess mit hoher Effizienz und minimalen Umweltauswirkungen. Sie ersetzt mehrere Produktionsschritte und ist damit ein vielversprechender Ansatz für die Trennung von Zirkonium und Hafnium.

Eine weitere wirksame Technik ist die Lösungsmittelextraktion, bei der Lösemittel-Leder und verschiedene Extraktionsmittel wie Keton-, phosphorhaltige und Amin-Extraktionsmittel verwendet werden. Diese Methode zeichnet sich durch ihre Skalierbarkeit, Einfachheit und ihren kontinuierlichen Betrieb aus. Sie gilt als wichtiges Mittel zur Abtrennung von Zirkonium und Hafnium, da sie in großem Maßstab hergestellt werden kann und die von verschiedenen Industrien geforderten Reinheitsgrade gewährleistet.

Bei der Ionenaustauschtechnik, die allerdings weniger häufig eingesetzt wird, werden Zirkonium und Hafnium durch Ionenaustausch voneinander getrennt. Dieses Verfahren wird nur in begrenztem Umfang eingesetzt, vor allem bei kleineren Produktionsmengen. Sie wurde beispielsweise in der ehemaligen Sowjetunion zur weiteren Abtrennung von Hafnium aus hafniumreichem Material eingesetzt, das durch die Zirkonium-Hafnium-Umkristallisationsmethode gewonnen wurde. Dieses gereinigte Hafniumoxid diente als Vorprodukt für die Herstellung von Hafniumschwämmen auf atomarer Ebene. Diese unterschiedlichen Methoden bieten gezielte Lösungen, um die strengen Reinheitsanforderungen zu erfüllen, die für Zirkoniumanwendungen in verschiedenen Branchen erforderlich sind. Weitere umfassende Informationen finden Sie unter https://www.samaterials.de/.

Fazit

Stanford Advanced Materials bietet hochreine kristalline Zirkoniumbarren als Ihre Zr-Quelle. Es sind sowohl Produkte mit niedrigem Hafniumgehalt als auch mit hohem Hafniumgehalt erhältlich. Der Hf-Gehalt unseres Kristallbarrens kann weniger als 250 ppm betragen.