Utafiti huu unapendekeza mbinu ya hatua mbili ya kuondoa ioni za zirconium na lanthanidi zinazobaki katika chumvi iliyoyeyushwa wakati wa uchakataji upya wa pyrometallurgical wa mafuta ya nyuklia yaliyotumika. Katika hatua ya kwanza, zirconium hupunguzwa kwa njia ya kielektrokemia pamoja na zinki na kukusanywa kwenye cathode ya tungsten katika umbo la kiwanja cha intermetali Zn₁₄Zr. Katika hatua ya pili, Zr(IV) inayobaki katika chumvi baada ya elektrolisisi huadsorbiwa na kichujio cha molekuli 5A kinachostahimili joto la juu kupitia ubadilishanaji wa ioni na uenezaji ndani ya matundu.

Katika jaribio la elektrolisisi ya mkondo usiobadilika, kiwango cha urejeshaji wa zirconium kiliripotiwa kuwa %95,83. Katika majaribio ya halijoto ambapo kichujio cha molekuli 5A kilitumika peke yake, uondoaji wa Zr(IV) ulibaki juu ya %96 katika halijoto zote na thamani ya juu zaidi ilifikia %99,91. Usawa wa adsorpsheni ulifikiwa ndani ya takriban dakika 40-50. Katika mfumo wa mfano wa chumvi iliyoyeyushwa wenye vipengele vingi uliokuwa na zirconium, neodymium, terbium, holmium na thulium, kiwango cha uondoaji wa ioni zote lengwa kilikuwa zaidi ya %91; kwa Tm, Ho na Tb kilikuwa zaidi ya %95.

Mbinu iliyopendekezwa na utafiti inaunganisha utenganishaji wa haraka unaopatikana kwa elektrolisisi katika viwango vya juu vya awali na kunasa kwa kichujio cha molekuli katika viwango vya chini vya mabaki. Mchakato huu wa mfululizo unalenga kupunguza tatizo la ufanisi mdogo wa mkondo linalojitokeza katika hatua za mwisho za elektrolisisi kadiri mkusanyiko wa ioni unavyopungua. Hata hivyo, utafiti haujatoa matumizi ya moja kwa moja ya nishati, gharama ya mchakato au mikunjo ya ufanisi wa elektrolisisi-mkondo.

Majaribio hayakufanywa kwa mafuta halisi yaliyotumika, chumvi yenye mionzi au mfumo wenye aktinidi. Mazingira yaliyotumika yalikuwa ni kiyeyusho cha mfano cha LiCl-KCl kilichoongezwa ZrCl₄, ZnCl₂ na lanthanidi zilizochaguliwa. Kwa hiyo, mbinu bado haijathibitishwa kwa utenganishaji wa kuchagua kutoka kwa uranium na plutonium katika mkondo halisi wa uchakataji wa mafuta, ustahimilivu wa mionzi, uendeshaji endelevu, urejeshaji wa adsorbenti na kiwango cha viwandani.

Kwa muktadha wa Uturuki: Utafiti una umuhimu wa kisayansi kwa tafiti nchini Uturuki zinazohusu kemia ya nyenzo za nyuklia, elektrokemia ya joto la juu, usafishaji wa chumvi za taka zenye mionzi, ubadilishanaji wa ioni unaotegemea zeolite na tafiti za baadaye za mzunguko wa mafuta ya nyuklia. Ili mbinu itathminiwe katika mazingira ya Uturuki, kwanza inahitajika marudio huru ya maabara kwa kutumia chumvi za mfano zisizo na mionzi, kisha majaribio yenye aktinidi katika vituo vilivyoidhinishwa, tathmini ya uthabiti dhidi ya mionzi, kutu, urejeshaji wa adsorbenti, uzalishaji wa taka za sekondari, usalama wa mchakato na uchambuzi wa mzunguko wa maisha. Utafiti huu hauonyeshi moja kwa moja kwamba Uturuki ina kituo kinachoweza kutumika cha kuchakata upya mafuta yaliyotumika, kwamba mbinu inakidhi kanuni zilizopo, kwamba itafanya kazi kwa gharama nafuu katika kiwango cha biashara au kwamba taka halisi zenye mionzi zinaweza kusafishwa kwa usalama.

Kwa nini zirconium inahitaji kuondolewa?

Aloi za zirconium ni miongoni mwa nyenzo za kimuundo zinazotumika katika vifuniko vya vijiti vya mafuta ya nyuklia. Wakati wa uchakataji upya wa mafuta yaliyotumika, zirconium inayotokana na vifuniko inaweza kuingia katika mazingira ya mchakato. Kulingana na utafiti, zirconium hii inaweza kufanya utenganishaji na utakaso wa aktinidi kuwa mgumu zaidi na kuongeza ugumu wa muundo wa chumvi ya taka na usimamizi wake wa muda mrefu.

Elektrolisisi ya chumvi iliyoyeyushwa inategemea kupunguzwa kwa ioni za metali kwenye elektrodi ndani ya mazingira ya ioni ya joto la juu. Wakati mkusanyiko wa zirconium uko juu vya kutosha, elektrolisisi inaweza kuwa na ufanisi; lakini kiasi cha ioni kinapopungua, kasi ya ioni lengwa kufika kwenye cathode hupungua, umuhimu wa jamaa wa athari za pembeni huongezeka na ufanisi wa mkondo hupungua. Kwa sababu hiyo, watafiti waliongeza hatua ya adsorpsheni baada ya elektrolisisi badala ya kuendelea na elektrolisisi pekee hadi kufikia mkusanyiko wa mabaki ulio chini sana.

Kanuni ya kufanya kazi ya mchakato wa hatua mbili

Kielelezo 1 kwenye ukurasa wa 5 wa utafiti kinaweka mchakato uliopendekezwa ndani ya mtiririko wa uchakataji mkavu wa mafuta yaliyotumika. Mbinu ina hatua mbili kuu:

1. Urejeshaji wa kielektrokemia: Zn(II) na Zr(IV) hupunguzwa pamoja kwenye cathode ya tungsten katika kiyeyusho cha LiCl-KCl. Zinki huunda awamu ya intermetali Zn₁₄Zr pamoja na zirconium na hivyo kurahisisha kushikiliwa kwa zirconium kwenye elektrodi.
2. Adsorpsheni ya joto la juu: Baada ya elektrolisisi, kichujio cha molekuli 5A huongezwa kwenye Zr(IV) iliyobaki katika kiyeyusho. Zr⁴⁺ hubadilishana na ioni za Ca²⁺ na Na⁺ katika muundo wa kichujio, husonga ndani ya matundu na kuunda vifungo vya Zr-O na oksijeni za muundo.

Mantiki kuu ya mbinu hii ni kurejesha zirconium yenye mkusanyiko wa juu kwa elektrolisisi na kuondoa mabaki ya mkusanyiko wa chini, ambapo elektrolisisi huwa isiyo na ufanisi, kwa adsorpsheni.

Mazingira ya majaribio na mfumo wa elektrodi

Mchanganyiko usio na maji wa LiCl-KCl uliandaliwa katika crucible ya corundum na kukaushwa chini ya utupu kwa saa 48 katika 453 K, yaani takriban 180 °C, ili kuondoa unyevunyevu uliobaki. Kisha mchanganyiko ulipashwa hadi 773 K, takriban 500 °C, na kuyeyushwa. ZrCl₄ na ZnCl₂ za kiwango cha uchambuzi zilitumika kama vyanzo vya zirconium na zinki.

Ili kupunguza spishi zisizohitajika zinazofanya kazi kielektrokemia katika chumvi iliyoyeyushwa, elektrolisisi ya awali ilifanywa kwa saa mbili katika potenshali ya −2,20 V kabla ya majaribio. Majaribio ya kielektrokemia yalifanywa katika mfumo wa elektrodi tatu:

• Elektrodi ya kazi: waya wa tungsten wenye usafi wa %99,99, eneo tendaji 0,312 cm².
• Elektrodi pinzani: fimbo ya grafiti ya usafi wa juu yenye kipenyo cha 4 mm.
• Elektrodi rejea: mfumo wa Ag/AgCl.
• Kituo cha kazi cha kielektrokemia: PARSTAT 4000A.
• Halijoto kuu ya majaribio: 773 K, takriban 500 °C.

Uwiano kamili wa moli au uzito wa LiCl na KCl haukutolewa wazi katika maandishi makuu; imeelezwa tu kuwa ni mchanganyiko wa eutectic. Upungufu huu unapunguza uwezo wa kurudia jaribio kwa usahihi kabisa.

Tabia ya kielektrokemia ya ioni za zinki

Kielelezo 2(a-c) kwenye ukurasa wa 11 wa utafiti kinaonyesha tabia ya Zn(II) kwenye elektrodi ya tungsten. Katika mfumo tupu wa LiCl-KCl, ishara za redox zinazohusishwa na jozi ya Li(I)/Li zilionekana karibu −2,5 V. Baada ya kuongeza ZnCl₂, jozi mpya ya vilele ilitokea kati ya −0,86 na −0,63 V, ikihusishwa na kupunguzwa kwa Zn(II) na kuoksidishwa tena kwa zinki ya metali.

Uhusiano wa mstari kati ya mkondo wa kilele cha cathodic na mzizi wa mraba wa kasi ya uchanganuzi ulitafsiriwa kuwa unaonyesha kwamba kupunguzwa kwa Zn(II) kunadhibitiwa na uhamishaji wa molekuli na uenezaji. Plateau ya karibu −0,73 V katika open-circuit chronopotentiometry pia ilihusishwa na usawa wa Zn(II)/Zn.

Upunguzaji wa hatua mbili wa zirconium

Baada ya kuongeza ZrCl₄, jozi mbili tofauti za redox zilitambuliwa kati ya −1,08 na −0,75 V. Watafiti walieleza ishara hizi kwa utaratibu mfululizo ufuatao:

\[ \mathrm{Zr(IV)} \rightarrow \mathrm{Zr(II)} \rightarrow \mathrm{Zr(0)} \]

Hatua ya kwanza ya kielektrokemia ilihusishwa na jozi ya Zr(IV)/Zr(II), huku hatua ya pili katika potenshali hasi zaidi ikihusishwa na jozi ya Zr(II)/Zr(0). Kuonekana kwa plateau mbili mfululizo za potenshali zinazohusishwa na zirconium katika vipimo vya open-circuit pia kuliunga mkono tafsiri ya upunguzaji wa hatua mbili.

Katika majaribio ya kasi ya uchanganuzi, mabadiliko ya mstari ya mkondo wa kilele cha cathodic dhidi ya mzizi wa mraba wa kasi ya uchanganuzi yalitafsiriwa kuwa yanaonyesha kwamba kupunguzwa kwa Zr(IV) kwenye tungsten pia kunadhibitiwa na uenezaji wa ioni ndani ya kiyeyusho.

Upunguzaji wa pamoja wa Zn-Zr na uundaji wa Zn14Zr

Wakati Zn(II) na Zr(IV) zilikuwepo katika kiyeyusho kimoja, pamoja na ishara tofauti za redox za Zn na Zr, plateau mpya ya open-circuit ilionekana karibu −0,77 V. Ishara hii ilihusishwa na uundaji na kuyeyuka kwa awamu ya intermetali ya Zn-Zr.

Kuweka kikomo cha potenshali ya cathodic hadi −1,20 V kulizuia uwekaji wa lithiamu ambao ungeweza kutokea katika potenshali hasi zaidi na kuwezesha ishara lengwa za Zn, Zr na spishi za Zn-Zr kuonekana kwa uwazi zaidi.

Kutokana na vipimo katika halijoto mbalimbali na tafsiri ya mchoro wa awamu wa Zn-Zr, awamu iliyoundwa ilielezwa kuwa Zn₁₄Zr. Uhusiano kati ya shughuli ya kiwanja cha intermetali na potenshali ulitolewa kama ifuatavyo:

\[ \mathrm{emf}=\Delta E=-\frac{RT}{nF}\log \gamma_{\mathrm{Zr}} \]

Hapa R ni konstanti ya gesi, T ni halijoto, n ni idadi ya elektroni zinazohamishwa, F ni konstanti ya Faraday na \(\gamma_{\mathrm{Zr}}\) ni shughuli ya zirconium ndani ya awamu ya intermetali. Haijaelezwa ikiwa “log” katika mlinganyo ni logaritimu asilia au ya msingi kumi; iwapo logaritimu ya msingi kumi imetumika, mgawo wa ubadilishaji unahitajika.

Nishati huru ya Gibbs ya uundaji wa Zn₁₄Zr:

\[ \Delta G_{\mathrm{Zn_{14}Zr}}=-nF\Delta E \]

ilihesabiwa kwa mlinganyo huu. Utafiti unaripoti enthalpy na entropy za uundaji wa Zn₁₄Zr kuwa −158,13 kJ/mol na −15,869 J/(mol·K), mtawalia. Kwa sababu thamani za kati za potenshali ziko katika Jedwali S1, hesabu haiwezi kurudiwa kutoka faili kuu pekee.

Thamani za thermodynamic za zirconium

Potenshali sanifu inayoonekana ya jozi ya Zr(IV)/Zr(II) ilitolewa kama utegemezi wa halijoto kwa uhusiano ufuatao:

\[ E_{\mathrm{Zr(IV)/Zr(II)}}^{*0} =-2{,}330+6{,}16\times10^{-4}T \]

Hapa potenshali iko katika volt ikilinganishwa na jozi ya Cl₂/Cl⁻, na halijoto iko katika kelvin.

Katika hesabu za thermodynamic:

\[ \Delta G^{*0}=-nFE^{*0} \]

na

\[ \Delta G^{*0}=\Delta H^{*0}-T\Delta S^{*0} \]

zilitumika. Maandishi yanatoa mabadiliko ya enthalpy kwa upunguzaji wa ZrCl₄ kuwa −647,306 kJ/mol na mabadiliko ya entropy kuwa −177,900 J/(mol·K). Hata hivyo, katika Kielelezo 3(b) kwenye ukurasa wa 15, thamani ya kiingilio cha mstari inaonekana kuwa karibu −673,306 kJ/mol. Kwa hiyo, thamani ya enthalpy inahitaji kuthibitishwa kati ya maandishi na grafu.

Vigawo vya uenezaji vilihesabiwaje?

Vigawo vya uenezaji vya Zn(II) na Zr(IV) vilihesabiwa kwa mlinganyo wa Berzins-Delahay unaotumika kwa tabia ya voltammetric ya spishi zinazoyeyuka-zisizoyeyuka:

\[ I_p=-0{,}61AC_0(nF)^{3/2} \left(\frac{Dv}{RT}\right)^{1/2} \]

Hapa \(I_p\) ni mkondo wa kilele cha cathodic, \(A\) ni eneo la elektrodi, \(C_0\) ni mkusanyiko wa awali, \(D\) ni mgawo wa uenezaji na \(v\) ni kasi ya uchanganuzi.

Vigawo vya uenezaji vinavyotegemea halijoto vilitathminiwa kwa mlinganyo wa Arrhenius:

\[ D=D_0\exp\left(-\frac{E_a}{RT}\right) \]

\[ \ln D=\ln D_0-\frac{E_a}{RT} \]

Kwa kuwa Kielelezo S1 na Kielelezo S2 havipo katika faili kuu, voltammogramu zote ghafi katika halijoto na kasi mbalimbali za uchanganuzi hazikuweza kuchunguzwa kwa kujitegemea.

Elektrolisisi ya potenshali isiyobadilika

Ili kuthibitisha uundaji wa Zn₁₄Zr, elektrolisisi ilifanywa kwa saa 15 katika 773 K na potenshali isiyobadilika ya −0,80 V. Katika Kielelezo 4 kwenye ukurasa wa 17 wa utafiti:

• ramani za SEM-EDS zilionyesha usambazaji wa Zn na Zr kwenye uso wa elektrodi,
• muundo wa XRD ulionyesha vilele vya Zn ya metali na Zn₁₄Zr,
• vipimo vya XPS vilionyesha ishara za Zn 2p na Zr 3d

ziliripotiwa. Mbinu hizi tatu kwa pamoja zinaunga mkono kwamba bidhaa yenye Zn₁₄Zr iliundwa kwenye elektrodi.

Elektrolisisi ya mkondo usiobadilika na urejeshaji wa %95,83

Jaribio la pili lilifanywa katika 773 K kwa mkondo usiobadilika wa 100 mA kwa saa 18. Matokeo ya SEM-EDS, XRD na XPS katika Kielelezo 5 kwenye ukurasa wa 18 pia yanaonyesha bidhaa ya elektrolisisi yenye Zn na Zn₁₄Zr.

Kiasi cha zirconium katika kiyeyusho kabla na baada ya elektrolisisi kilipimwa kwa ICP-OES na kiwango cha wastani cha urejeshaji wa zirconium kiliripotiwa kuwa %95,83. Hata hivyo:

• Idadi ya marudio haijaelezwa.
• Mkengeuko sanifu au muda wa kujiamini haujatolewa.
• Mabadiliko ya ufanisi wa mkondo kwa muda hayajaonyeshwa.
• Matumizi ya nishati ya umeme hayajapimwa.
• Usawa kamili wa wingi kati ya wingi wa jumla wa Zn-Zr kwenye cathode na uchambuzi wa kiyeyusho haujawasilishwa.

Kwa hiyo, thamani ya %95,83 ni matokeo muhimu kwa masharti ya majaribio ya utafiti; lakini haitoshi peke yake kueleza ufanisi wa nishati au uwezo wa kuongeza kiwango cha mchakato.

Adsorpsheni ya joto la juu kwa kichujio cha molekuli 5A

Katika majaribio ya adsorpsheni, 6 g ya kichujio cha molekuli 5A kilichokaushwa awali kiliongezwa kwenye chumvi iliyoyeyushwa na mfumo ukachanganywa kwa kasi ya 110 rpm. Sampuli zilichukuliwa kutoka awamu ya juu kwa nyakati maalum, zikapimwa uzito, zikapunguzwa hadi ujazo usiobadilika na viwango vya ioni za metali vikapimwa kwa ICP-OES.

Uwezo wa adsorpsheni ulihesabiwa kwa mlinganyo ufuatao:

\[ Q=\frac{(C_0-C)v}{m} \]

Hapa \(C_0\) na \(C\) ni viwango vya awali na vya mwisho vya metali katika chumvi iliyoyeyushwa; \(v\) ni wingi wa sampuli au suluhisho; \(m\) ni wingi wa adsorbenti; na \(Q\) ni kiasi kilichoadsorbiwa kwa mg/g.

Kiwango cha uondoaji kiliandikwa katika utafiti kama:

\[ R=\frac{C_0-C}{C_0} \]

Ili kutoa matokeo kwa asilimia, mlinganyo unahitaji kuzidishwa kwa \(100\):

\[ R(\%)=\frac{C_0-C}{C_0}\times100 \]

Athari ya halijoto kwenye adsorpsheni

Majaribio yaliyofanywa katika 773, 798, 823 na 848 K yalionyesha mkunjo wa adsorpsheni uliokuwa wa haraka mwanzoni na kisha kupungua kasi. Usawa ulifikiwa ndani ya takriban dakika 40.

Ufanisi wa kichujio cha molekuli 5A katika kuondoa Zr(IV) ulibaki juu ya %96 katika halijoto zote, na thamani ya juu zaidi ilikuwa %99,91. Utafiti unasema halijoto haikuwa na athari kubwa kwenye adsorpsheni. Hata hivyo, hakuna jaribio la umuhimu wa kitakwimu au uchanganuzi wa variance uliotolewa kuunga mkono tathmini hii.

Athari ya kiwango cha awali cha zirconium

Kiwango cha awali cha Zr(IV) kilibadilishwa kati ya 1,831 na 6,435 mg/g. Katika majaribio yote, usawa ulifikiwa ndani ya takriban dakika 50.

Katika mfululizo huu, kiwango cha juu zaidi cha uondoaji kilitolewa kuwa %98,62. Kuongezeka kwa karibu mstari kwa uwezo wa adsorpsheni kadiri kiwango cha awali cha zirconium kilivyoongezeka kulitafsiriwa kuwa kichujio cha molekuli hakikufikia kushiba katika masafa yaliyochunguzwa.

Hata hivyo, kwa kuwa wingi wa jumla wa chumvi iliyoyeyushwa na usawa kamili wa nyenzo katika chombo cha jaribio haujaelezwa, hatua zote za kati za hesabu ya uwezo haziwezi kujengwa upya kutoka maandishi makuu.

Kinetiki ya adsorpsheni

Data za majaribio zilitathminiwa kwa mifano ya pseudo-first-order, pseudo-second-order na Weber-Morris ya uenezaji ndani ya matundu. Iliripotiwa kuwa modeli ya pseudo-second-order ilikuwa na thamani ya juu zaidi ya R² katika viwango vyote vya awali. Watafiti walitafsiri hili kuwa linaonyesha adsorpsheni ya kikemia ndiyo hatua inayodhibiti kasi.

Hata hivyo, ukweli kwamba modeli moja ya kinetiki ina R² ya juu pekee hauwezi kuthibitisha utaratibu wenyewe. Viwango vya ioni, matokeo ya XPS na EDS katika utafiti yanaunga mkono kwa ziada tafsiri ya ubadilishanaji wa ioni.

Katika modeli ya Weber-Morris:

\[ Q_t=k_i t^{1/2}+C \]

ilitumika. Hapa \(k_i\) ni konstanti ya kasi ya uenezaji ndani ya matundu na \(C\) inaonyesha athari ya safu ya mpaka.

Adsorpsheni ilitafsiriwa kuwa na hatua tatu:

1. Kufungamana kwa haraka kwa Zr(IV) na maeneo tendaji kwenye uso wa nje wa kichujio cha molekuli.
2. Uenezaji wa polepole zaidi ndani ya matundu, ambapo ioni husonga ndani ya mtandao wa matundu.
3. Hatua ya usawa, ambapo kasi hupungua kadiri maeneo ya ndani yanavyojaa.

Utaratibu wa ubadilishanaji wa ioni

Katika muundo wa kichujio cha molekuli 5A kuna ioni za Ca²⁺ na Na⁺ zinazolinganishwa na chaji. Wakati wa adsorpsheni, mkusanyiko wa Zr(IV) katika kiyeyusho ulipungua haraka huku viwango vya Ca(II) na Na(I) vikiongezeka. Mabadiliko haya ya mwelekeo tofauti yanaunga mkono tafsiri kwamba ioni za Zr⁴⁺ hubadilishana na ioni za Ca²⁺ na Na⁺ ndani ya kichujio cha molekuli.

Katika Kielelezo 7 kwenye ukurasa wa 23 baada ya adsorpsheni:

• Zr ilionekana kusambazwa kwenye chembe ya kichujio cha molekuli,
• ishara ya Ca ilipungua kwa kiasi kikubwa,
• ishara ya Na ilishuka hadi kiwango kisichoweza kutambuliwa,
• chembe za kichujio cha molekuli zilihifadhi umbo lao la jumla

imeonyeshwa.

Matokeo ya XRD na XPS

Kielelezo 8 kwenye ukurasa wa 25 kinaonyesha mifumo ya XRD na spektra za XPS za kichujio cha molekuli 5A kilichotibiwa katika halijoto na kiasi mbalimbali cha zirconium.

Matokeo ya XRD yanaonyesha kwamba muundo mkuu wa kioo wa 5A ulihifadhiwa kwa kiwango kikubwa katika mazingira ya LiCl-KCl ya joto la juu na kwamba vilele vipya vilijitokeza baada ya adsorpsheni. Fomula ya kikemia ya awamu mpya ya kioo haikutambuliwa kwa uwazi.

Katika uchambuzi wa XPS:

• Baada ya adsorpsheni ishara ya Zr 3d ilitokea karibu 180 eV.
• Ishara ya Na 1s karibu ilipotea kabisa.
• Nguvu ya vilele vya Ca 2p ilipungua kwa kiasi kikubwa.
• Katika spektra ya O 1s, sehemu mpya ilitokea karibu 530,8 eV na kuhusishwa na kifungo cha Zr-O.

Matokeo haya yanaunga mkono kwamba zirconium haikushikiliwa tu kimwili kwenye uso wa nje; ilibadilishana na kationi za muundo na kuingiliana kikemia na oksijeni za kichujio cha molekuli.

Jaribio la lanthanidi zenye vipengele vingi

Ili kuwakilisha kwa kiasi ugumu wa chumvi halisi ya mafuta, lanthanidi nne za kawaida zilitumika pamoja na Zr:

• Neodymium, Nd.
• Terbium, Tb.
• Holmium, Ho.
• Thulium, Tm.

Kulingana na Kielelezo 9 na Kielelezo 10 kwenye ukurasa wa 27, kiwango cha uondoaji wa ioni zote lengwa kilibaki juu ya %91. Kwa Tm, Ho na Tb viwango vilizidi %95. Ramani za SEM-EDS zilionyesha usambazaji wa Zr, Nd, Tb, Tm na Ho kwenye kichujio cha molekuli; katika spektra za XPS, ishara mpya za elementi hizi zilionekana wakati ishara za Na na Ca zilipungua.

Jaribio hili linaonyesha kwamba kichujio cha molekuli 5A kinaweza kunasa ioni nyingi za metali katika mazingira yale yale. Hata hivyo, utafiti haujachunguza:

• vigawo halisi vya uteuzi kati ya ioni,
• uwezo tofauti wa adsorpsheni kwa kila ioni,
• ushindani ikiwa aktinidi zipo,
• bidhaa zote za mgawanyiko,
• athari ya kutu na mabadiliko ya muundo wa chumvi

.

Uondoaji wa jumla wa zirconium unaweza kuhesabiwaje?

Katika mchakato wa hatua mbili, uondoaji wa jumla huhesabiwa kwa kutumia hatua ya pili kwenye kiasi kilichobaki baada ya elektrolisisi, si kwenye zirconium yote ya awali:

\[ R_{\mathrm{toplam}} =1-(1-R_{\mathrm{elektroliz}}) (1-R_{\mathrm{adsorpsiyon}}) \]

Ikiwa ufanisi wa elektrolisisi ni %95,83 na ufanisi wa adsorpsheni unachukuliwa kuwa %96:

\[ R_{\mathrm{toplam}} =1-(1-0{,}9583)(1-0{,}96) =0{,}998332 \]

Thamani hii ni %99,8332 na inalingana na thamani ya %99,83 katika Kielelezo 1.

Ikiwa thamani ya juu zaidi ya adsorpsheni iliyoripotiwa, %99,91, inatumika:

\[ R_{\mathrm{toplam}} =1-(1-0{,}9583)(1-0{,}9991) =0{,}99996247 \]

Thamani hii ni takriban %99,996 na inaendana na kauli “zaidi ya %99,99”. Hata hivyo, haijaonyeshwa kwamba matokeo ya juu zaidi ya elektrolisisi na ya juu zaidi ya adsorpsheni yalipatikana katika jaribio lile lile la mfululizo. Thamani ya takriban %99,39 katika Kielelezo 9(b) pia haielezwi na hesabu hizi mbili.

Ujumbe mkuu wa vielelezo

• Kielelezo 1, ukurasa wa 5: Kinaonyesha matumizi ya mfululizo ya elektrolisisi na adsorpsheni ya kichujio cha molekuli 5A katika mtiririko wa uchakataji mkavu wa mafuta.
• Kielelezo 2, ukurasa wa 11: Kinaonyesha matokeo ya voltammetry na potenshali ya open-circuit kwa mifumo ya Zn(II), Zr(IV) na Zn-Zr.
• Kielelezo 3, ukurasa wa 15: Kinaonyesha vigezo vya thermodynamic vya zirconium na hesabu za uenezaji za Zn(II) na Zr(IV).
• Kielelezo 4, ukurasa wa 17: Kinathibitisha awamu za Zn na Zn₁₄Zr katika bidhaa ya elektrolisisi ya potenshali isiyobadilika kwa SEM-EDS, XRD na XPS.
• Kielelezo 5, ukurasa wa 18: Kinaonyesha muundo unaofanana wa Zn-Zr wa bidhaa ya elektrolisisi ya mkondo usiobadilika.
• Kielelezo 6, ukurasa wa 20: Kinaonyesha mikunjo ya adsorpsheni na viwango vya uondoaji vinavyotegemea halijoto na kiasi cha awali cha zirconium.
• Kielelezo 7, ukurasa wa 23: Kinaonyesha ulinganifu wa modeli za kinetiki, uenezaji wa hatua tatu, ubadilishanaji wa Ca/Na-Zr na ramani za EDS kabla na baada ya adsorpsheni.
• Kielelezo 8, ukurasa wa 25: Kinaonyesha matokeo ya XRD-XPS yanayounga mkono kuhifadhiwa kwa muundo wa 5A, kupotea kwa Na na Ca na kuundwa kwa kifungo cha Zr-O.
• Kielelezo 9, ukurasa wa 27: Kinaonyesha matokeo ya uondoaji wa Zr na lanthanidi nne pamoja na ulinganisho na fasihi.
• Kielelezo 10, ukurasa wa 27: Kinaonyesha usambazaji na ishara za kikemia za Zr, Nd, Tb, Tm na Ho baada ya adsorpsheni ya vipengele vingi.

Nguvu za utafiti

• Unaunganisha elektrolisisi na adsorpsheni katika mkakati mmoja wa mfululizo wa utenganishaji.
• Unachunguza tabia ya kielektrokemia ya Zn(II) na Zr(IV) kwa voltammetry na potenshali ya open-circuit.
• Unathibitisha bidhaa ya elektrolisisi kwa njia nyingi kupitia SEM-EDS, XRD na XPS.
• Unatathmini sifa za uenezaji na thermodynamic za zirconium zinazotegemea halijoto.
• Unapima uwezo wa adsorpsheni, kiwango cha uondoaji na hatua za kinetiki.
• Unaunga mkono utaratibu wa ubadilishanaji wa ioni kupitia kuongezeka kwa Ca na Na katika kiyeyusho na mabadiliko ya XPS katika awamu ngumu.
• Mbali na jaribio la elementi moja, unajaribu pia mfumo mchanganyiko wenye lanthanidi nne.

Mapungufu na hoja zinazohitaji marekebisho

• Utafiti ni preprint ambayo haijapitia mapitio ya rika.
• Mafuta halisi yaliyotumika, chumvi iliyoyeyushwa yenye mionzi au sampuli yenye aktinidi haikutumika.
• Uteuzi mbele ya uranium na plutonium haujaonyeshwa.
• Jaribio la uthabiti wa mionzi halikufanywa.
• Hakuna mtiririko endelevu, matumizi ya mizunguko au mfumo wa kiwango cha majaribio ya pilot uliowekwa.
• Matumizi tena, urejeshaji na utupaji baada ya matumizi wa kichujio cha molekuli haujachunguzwa.
• Ufanisi wa mchakato kwa muda wa elektrolisisi wa saa 15-18 haujatathminiwa.
• Matumizi ya nishati na ufanisi halisi wa mkondo hayajapimwa.
• Idadi ya marudio ya majaribio na kutokuwa na uhakika kwa kitakwimu hakijaelezwa vya kutosha.
• Uwiano kamili wa mchanganyiko wa LiCl/KCl na baadhi ya maelezo ya usawa wa wingi hayajatolewa.
• Vielelezo S1-S2 na Majedwali S1-S2 havipo katika faili kuu.
• Thamani tofauti za %99,39, %99,83 na zaidi ya %99,99 zimetolewa kwa uondoaji wa jumla wa zirconium.
• Enthalpy ya upunguzaji wa ZrCl₄ haitangamani kati ya maandishi na Kielelezo 3(b).
• Katika Mlinganyo 12, kizidishi cha asilimia kinakosekana.
• Baadhi ya marejeo yaliyotolewa kwa modeli za kinetiki za pseudo-first-order na pseudo-second-order hayaonekani kuendana na mada.
• Kauli ya “hali za irradiation” katika sehemu ya hitimisho haiungwi mkono na majaribio yaliyofanywa katika utafiti.

Utafiti unaunga mkono nini?

Utafiti unaunga mkono kwamba elektrolisisi ya pamoja ya Zn(II) na Zr(IV) katika kiyeyusho cha LiCl-KCl inaweza kuunda bidhaa yenye Zn₁₄Zr na kwamba takriban %95,83 ya zirconium inaweza kuondolewa kutoka kwenye kiyeyusho katika hali za maabara. Pia unaonyesha kwamba kichujio cha molekuli 5A kinaweza kunasa Zr(IV) iliyobaki kwa kiwango cha juu, kwamba ubadilishanaji wa ioni za Ca na Na una jukumu muhimu katika mchakato huu na kwamba lanthanidi zilizochaguliwa pia zinaweza kunaswa na adsorbenti hiyo hiyo.

Utafiti haujathibitisha nini?

Utafiti haujathibitisha kwamba mbinu itatoa ufanisi huo huo katika mafuta halisi ya nyuklia yaliyotumika, chini ya mionzi mikali au katika laini ya viwandani ya uchakataji upya yenye aktinidi. Pia haiwezi kuhitimishwa kwamba uondoaji wa jumla wa zaidi ya %99,99 ni thamani inayoweza kurudiwa ya mchakato wa pilot, kwamba kichujio cha molekuli 5A kinaweza kutumika tena bila kikomo, kwamba mbinu ni ya kiuchumi, kwamba inapunguza matumizi ya nishati au kwamba adsorbenti iliyojaa zirconium na lanthanidi inaweza kutupwa kwa usalama.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Nyenzo za majaribio na hali kuu

Majaribio ya kielektrokemia

Majaribio ya adsorpsheni

Muhtasari wa jaribio la elementi nyingi

Thamani hizi ni matokeo ya maabara ya mfumo mmoja mchanganyiko. Uwezo wa usawa kwa kila ioni, mgawo wa uteuzi na ushindani na aktinidi haujapimwa.

Muhtasari wa pamoja wa matokeo makuu

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti:Molten salt electrolysis coupled with 5A molecular sieve high-temperature adsorption for ultra-deep removal of zirconium and lanthanides in spent fuel pyroprocessing

Waandishi na mpangilio wao: Zepeng Wang; Zhifeng Tu; Zhimin Dong; Zhibin Zhang; Yunhai Liu; Yingcai Wang.

Taarifa ya mchango sawa: Hakuna taarifa ya mchango sawa au waandishi wenza wa kwanza iliyoainishwa katika utafiti.

Mwandishi wa mawasiliano: Yingcai Wang.

Taasisi: National Key Laboratory of Uranium Resources Exploration-Mining and Nuclear Remote Sensing, East China University of Technology, Nanchang, 330013, China.

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti wa majaribio ya preprint yenye elektrokemia ya chumvi iliyoyeyushwa, elektrolisisi ya potenshali isiyobadilika na mkondo usiobadilika, adsorpsheni ya joto la juu na uainishaji wa nyenzo kwa mbinu nyingi.

Eneo la mada: Mzunguko wa mafuta ya nyuklia, uchakataji wa pyrometallurgical wa mafuta yaliyotumika, elektrokemia ya chumvi iliyoyeyushwa, urejeshaji wa zirconium, utenganishaji wa lanthanidi na adsorpsheni ya zeolite.

Hali ya mapitio ya rika: Utafiti haujapitia mapitio ya rika. Kila ukurasa wa faili iliyopakiwa una onyo la preprint na mapitio ya rika.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Mtoa huduma wa jukwaa: Elsevier SSRN Preprint Services.

Nambari ya rekodi ya SSRN: 7194886.

DOI:10.2139/ssrn.7194886

Kiungo rasmi:Ukurasa wa rekodi wa SSRN

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Jarida: Haijathibitishwa kuwa imechapishwa katika jarida lililopitiwa na rika.

Mchapishaji wa asili wa jarida: Hakuna jarida lililothibitishwa lililopitiwa na rika au mchapishaji wa jarida. SSRN haipaswi kuwasilishwa kama jarida lililopitiwa na rika.

Ufadhili: Utafiti ulifadhiliwa na Jiangxi Provincial Outstanding Young Scientist Fund kwa ruzuku namba 20252BAC220004 na National Natural Science Foundation of China kwa ruzuku namba 22366005.

Mgongano wa maslahi: Waandishi hawajaripoti maslahi yoyote ya kifedha yanayojulikana au mahusiano binafsi yanayoweza kuathiri utafiti.

Upatikanaji wa data na msimbo: Maandishi makuu hayajaeleza hifadhi ya data iliyo wazi, kiungo cha data ghafi au kushirikishwa kwa msimbo wa programu.

Kikomo cha taarifa za ziada: Vielelezo S1-S2 na Majedwali S1-S2 vinavyorejelewa katika maandishi makuu havipo katika faili iliyopakiwa. Kwa hiyo, baadhi ya mikunjo ghafi ya voltammetric, potenshali za usawa zinazotegemea halijoto na hesabu za kati za thermodynamic hazikuweza kuthibitishwa kikamilifu.

Maelezo haya ya Kiswahili yameandaliwa kwa kutegemea maandishi yote makuu ya utafiti uliopakiwa, vielelezo 10 vikuu, milinganyo 13, majaribio ya kielektrokemia, data za adsorpsheni na matokeo ya SEM-EDS, XRD na XPS. Maudhui ya kisayansi yamewekewa mipaka kwa matokeo yaliyowasilishwa katika utafiti; vyanzo vya nje vilitumika tu kwa uthibitishaji wa bibliografia wa jina, DOI, jukwaa na hali ya uchapishaji.

Matokeo yanapaswa kutathminiwa kwa kuzingatia kwamba majaribio hayakufanywa kwa mafuta halisi yaliyotumika au chumvi yenye mionzi, uteuzi wa aktinidi haukujaribiwa, majaribio ya mionzi na uendeshaji endelevu hayapo, maelezo ya marudio na takwimu ni machache na viwango vya jumla vya uondoaji vimetolewa kwa kutokuwiana kati ya maandishi na vielelezo.