ارزیابی پارامترهای مؤثر در فرآیند تجزیه قلیایی زیرکن و تعیین شرایط عملیاتی بهینه جهت استحصال زیرکونیم

فرآیندهای نوین در مهندسی مواد

دوره 15، شماره 3 - شماره پیاپی 58، آبان 1400، صفحه 49-63   

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/apme.2021.1919216.2021

نویسندگان

علی یداللهی¹؛ میثم تراب مستعدی²؛ کمال صابریان^{* 3}؛ امیر چرخی³

¹استادیار، پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران.

²استاد، پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران.

³دانشیار، پژوهشکده چرخه سوخت هسته‌ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران.

چکیده

فرآیند تجزیه قلیایی با سدیم­هیدروکسید یکی از متداول‌ترین روش­ها جهت استحصال زیرکونیم از کانی زیرکن می­باشد. این فرآیند شامل سه مرحله ذوب با قلیا، آب‌شویی و فروشویی اسیدی است. در این پژوهش روش طراحی آزمایش تاگوچی به همراه تحلیل رابطه­ای خاکستری، جهت آنالیز و بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر بر فرآیند تجزیه قلیایی، جهت استحصال زیرکونیم از کانی زیرکن بکار گرفته شد. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که ذوب قلیایی در شرایط بهینه دمای 650 درجه سانتی‌گراد، نسبت مولی سدیم هیدروکسید به زیرکن 6:1 و غلظت سدیم هیدروکسید 30 درصد، منجر به تجزیه 6/98 درصدی زیرکن اولیه می­شود. به‌نحوی‌که هیچ پیکی از زیرکن در الگوی پراش اشعه ایکس محصول به‌دست‌آمده از واکنش ذوب قلیایی در این شرایط مشاهده نشد. در مرحله آب‌شویی، سه مرتبه شستشوی محصول به‌دست‌آمده از واکنش ذوب قلیایی با نسبت مایع به جامد 5 در دمای 30 درجه سانتی‌گراد منجر به حذف 9/98 درصد از سدیم و 9/77 درصد از سیلیسیم موجود در ترکیب شد. در این شرایط بهینه، طیف پراش اشعه ایکس جامد به‌دست‌آمده از آب‌شویی پس از حرارت دهی در دمای 800 درجه سانتی‌گراد، حضور پیک­های ZrO₂ و SiO₂ را نشان داد. در مرحله اسیدشویی، فروشویی با سولفوریک اسید 4 مولار با نسبت مایع به جامد 20 و در دمای 60 درجه سانتی‌گراد منجر به بازیابی 7/92 درصدی زیرکونیم موجود در زیرکن اولیه شده و مقدار سیلیسیم در محلول فروشویی اسیدی 31 میلی‌گرم بر لیتر به دست آمد. یافته­های این پژوهش شرایط بهینه عملیاتی برای روشی آسان، کم‌هزینه و مناسب در مقیاس صنعتی برای استحصال زیرکونیم از کانی زیرکن را ارائه می­دهد.

کلیدواژه‌ها

زیرکن؛ تجزیه قلیایی؛ زیرکونیم؛ طراحی آزمایش تاگوچی؛ تحلیل رابطه‌ای خاکستری

مراجع

[1] J. Gamboge, "Zirconium and Hafnium. U.S.Geological Survey", Mineral Commodity Summaries, pp. 192-193, 2008.

 

[2] م. ا. شافعی، س. ج. حسینی پور و م. رجبی، "اثر افزودن زیرکونیم بر ریزساختار و سختی آلیاژ Al-6Zn-2.5Mg-1.5Cu تولیدی به روش آلیاژسازی مکانیکی"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 9، شماره 4، صفحه 235-225، 1394.

 

[3] س. پرویزی، ز. احمدی، م. شاهدی اصل و م. جابری زمهریر، "تأثیر افزودنی نانو گرافیت بر رفتار چگالش کامپوزیت‌های دی‌بورید زیرکونیم-کاربید سیلیسیم ساخته شده به روش تفجوشی پلاسمای جرقه‌ای"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 12، شماره 4، صفحه 65-53، 1397.

 

[4] س. م. امامی، ا. صلاحی، م. ذاکری و س. ع. طیبی فرد، "سینتر نانوکامپوزیت ZrB₂-SiC-ZrC با استفاده از جرقۀ پلاسما (SPS) از پودرهای سنتز شده به روشMASPS"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 14، شماره 2، صفحه 11-1، 1399.

 

[5] م. اسدی خانوکی، "مورفولوژی سطح شکست و ارتباط آن با چقرمگی/انعطاف‌پذیری در شیشه فلز حجمی آلیاژ Zr₄₆(Cu_4.5/5.5Ag_1/5.5)₄₆Al₈"، فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 13، شماره 2، صفحه 16-1، 1398.

 

[6] C. F. K. Murti & H. Aldila, "Materials Science Forum", vol. 966, pp. 89-94, 2019.

 

[7] N. D. Lestari, R. Nurlaila, N.F. Muwwaqor, S. Pratapa, Ceramics International, vol. 45, no. 6, pp. 6639-6647, 2019.

 

[8] J. C. Liu, J. Song, Y. Wang, Q. Q. Wang, T. Qi, C. Q. Zhang & J. K. Qu, "Kinetics Studies on a Novel Decomposition Method of Zircon Sand", Advanced Materials Research, vol. 953, pp. 1113-1116, 2014.

 

[9] A. Abdelkader, A. Daher & E. El-Kashef, "Novel decomposition method for zircon", Journal of Alloys and Compounds, vol. 460, no. 1, pp. 577-580, 2008.

 

[10] K. El Barawy, S. El Tawil & A. Francis, "Alkali fusion of zircon sand", Mineral Processing and Extractive Metallurgy, vol. 109, no. 1, pp. 49-56, 2000.

 

[11] C. Yamagata, J. B. Andrade, V. Ussui, N. B. De Lima & J. O. A. Paschoal, "High purity zirconia and silica powders via wet process: Alkali fusion of zircon sand", Paper presented at the Materials Science Forum, no 591-593, pp. 771-776. 2008.

 

[12] J. Song, J. F. Fan, J. C. Liu, R. Liu, J. K. Qu & T. Qi, "A Two-step Zircon Decomposition Method to Produce Zirconium Oxychloride: Alkali Fusion and Water Leaching", Rare Metals, vol 39, pp. 448–454, 2015.

 

 

[13] A. Yadollahi, A. M. Ajorloo & A. Zolfaghari, "Application of Grey-Taguchi Method for Simultaneous Optimization of Multiple Quality Characteristics in Lead-Slag Radiation Shielding Concrete", Boson Journal of Modern Physics, vol. 2, no. 1, pp. 60-72, 2015.

 

[14] S. Datta, S. Sankar & J. Mahapatra, "Risk assessment in IT outsourcing using fuzzy decision-making approach: An Indian perspective", Journal of Advanced Manufacturing Systems, vol. 9, no. 02, pp. 117-128, 2010.

 

[15] B. Zhang, J. Chen, X. Yin & Z. Gao, "Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers", Part G: Journal of Aerospace Engineering, vol. 233, no. 12, pp. 4598-4605, 2019.

 

[16] G. Taguchi & Y. Yokoyama, "Taguchi Methods: Design of Experiments," Amer Supplier Inst, 1993.

 

[17] S. L. Yingjie, Y. N.  Xie & J. Forrest, "Grey Systems", Theory and Application, vol. 6, no. 1, pp. -, 2016.

 

[18] P. A. Sylajakumari, R. Ramakrishnasamy & G. Palaniappan, "Taguchi grey relational analysis for multi-response optimization of wear in co-continuous composite", Materials (Basel), vol. 11, no. 9, pp. 1-17, 2018.

 

[19] Y. Kuo, T.  Yang & G. W. Huang, "The use of grey relational analysis in solving multiple attribute decision-making problems", Computers & Industrial Engineering, vol. 55, no. 1, pp. 80-93, 2008.

 

[20] J. T. Huang & Y. S. Liao, "Optimization of machining parameters of Wire-EDM based on Grey relational and statistical analyses", International Journal of Production Research, vol. 41, no. 8, pp. 1707-1720, 2003.

 

[21] A. Benedetti, G. Fagherazzi & F. Pinna, "Preparation and structural characterization of ultrafine zirconia powders", Journal of the American Ceramic Society, vol. 72, no. 3, pp. 467-469, 1989.

 

 

[22] A. Benedetti, G. Fagherazzi, F. Pinna & S. Polizzi, "Structural properties of ultra-fine zirconia powders obtained by precipitation methods", Journal of Materials Science, vol. 25, no. 2, pp. 1473-1478, 1990.

 

[23] J. C. C. Clayton & C. J. Sindlinger, "Method of Recovering Zirconium Values from Zircon", Google Patents, 1960.