SUPERVISOR
کیقباد شمس اسحاقی (استاد راهنما) عباس خاکسار (استاد راهنما)
STUDENT
Fateme Abdani
فاطمه عبدانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Extraction and Enrichment of Hafnium from a Simulated Aqueous Solution by Emulsion Liquid Membrane
Recently, water contamination by heavy metals is a serious environmental problem, which has been extensively discussed. One of the promising techniques for the separation of heavy metal ions from aqueous solutions is the emulsion liquid membrane (ELM). Liquid membrane technology has been widely used, because of its advantages as a very selective, low cost, and energy saving separation process. In the present study, the applicability of emulsion liquid membrane process for extraction and enrichment of hafnium (IV) from a simulated aqueous solution was investigated. Hafnium is used in control rods for nuclear reactors. It has high resistance to radiation and very high corrosion resistance. Another major application of hafnium is in alloys with other refractory metals, such as tungsten, niobium and tantalum. In this study, the liquid membrane was made up of D2EHPA ( di-2-ethylhexyl phosphoric acid ), Span 80, liquid paraffin, HCl solution and aqueous solution of hafnium as mobile carrier, surfactant, membrane phase, internal phase (stripping agent) and external phase, respectively. The Taguchi method was used to design the experiments. This method is a systematic application of design and analysis of experiments for the purpose of designing and improving product quality without increasing the cost. Taguchi method according to the number of factors and their levels offered an orthogonal array (L 16 ) which is a list of experiments must be performed in a batch extraction system. The –larger-the-better concept was used to get the optimal extraction, and the-smaller-the-better concept was used to get the lowest swelling rate. This method helped us to optimize the extraction and determine the effects of various factors as concentration of carrier, concentration of surfactant, speed of agitation, contact time, and volume ratio of membrane phase to the external phase. The analysis determined the effects of contribution of each of factor on the extraction efficiency and optimum factors to achieve the best extraction efficiency. This analysis showed the speed of agitation with a contribution of 27.133% is the most, and the volume ratio of membrane phase to the external phase with a contribution of 12.479% is the least effective operating factor in the final system response. Also, the extraction efficiency decreased with increasing the carrier, surfactant concentration and speed of agitation. The optimum conditions for hafnium extraction were found as follows: concentration of carrier, concentration of surfactant, speed of agitation, contact time and volume ratio of membrane phase and external phase were 1%v/v, 1.5% v/v, 600 rpm, 10 min, and 0.1, respectively. At these optimum conditions, 10 mL membrane could extract 81.7 % of hafnium from 100 mL aqueous solution, however, the predicted value by the Taguchi method was 86.83%. Solubility of hafnium dioxide (HfO 2 ) was another aim of this work. This colorless solid is one of the most common and stable compounds of hafnium which reacts with strong acids such as sulfuric acid . Results showed hafnium dioxide dissolves in sulfuric acid very slowly and the maximum solubility of this compound of hafnium at 75 o C was 0.467 mol/Lit, i 235 days. No major solubility change was observed after this period. Key words : Hafnium, Extraction, Emulsion liquid membrane, Di-2-ethylhexyl phosphoric acid
اخیراً آلودگی آب ها توسط فلزات سنگین به یک مشکل جدی زیست محیطی تبدیل شده و بطور گسترده مورد بحث قرار گرفته است. یکی از روش های نوید بخش برای جداسازی یونهای فلزی از محلول های آبی، غشاء مایع امولسیونی می باشد. تکنولوژی غشاء مایع به دلیل انتخاب پذیری بالا، هزینه و صرف انرژی کم در فرآیند، تاکنون بسیار مورد استفاده قرار گرفته است. در این تحقیق، قابلیت غشاء مایع امولسیونی برای استخراج و غنی سازی فلز هافنیم از محلول آبی مصنوعی مورد بررسی قرار گرفت. این فلز دارای مقاومت تشعشعی و مقاومت خوردگی بالایی می باشد و در میله های کنترلی راکتورهای هسته ای استفاده می شود. کاربرد دیگر این فلز در آلیاژهایی با سایر فلزات نسوز مانند تنگستن، نیوبیوم و تانتولیوم می باشد. در این مطالعه، غشاء مایع از دی دو اتیل هگزیل فسفریک اسید، اسپن 80، پارافین مایع، محلول هیدروکلریک اسید و محلول آبی رقیق از هافنیم، به ترتیب به عنوان ماده حامل، ماده فعال سطحی، فاز غشاء، فاز داخلی (ماده عریان ساز) و فاز خارجی تشکیل شد. از روش تاگوچی برای طراحی آزمایشها استفاده شد. روش تاگوچی یک روش اصولی برای طراحی و آنالیز آزمایش ها، با هدف طراحی و افزایش کیفیت محصولات، بدون افزایش قیمت می باشد. این روش بسته به تعداد متغیرها و سطوح آن ها یک آرایه اورتوگونال (L 16 ) را پیشنهاد داد که لیستی از آزمایش هایی است که باید در آزمایشگاه در یک سیستم ناپیوسته انجام شوند. در روش تاگوچی برای رسیدن به بالاترین میزان استخراج از طراحی هر چه بزرگتر - بهتر و به منظور رسیدن به کمترین میزان تورم از طراحی هر چه کوچکتر - بهتر استفاده شد. روش تاگوچی کمک کرد تا شرایط بهینه ی استخراج و همچنین تأثیر متغیرهایی از قبیل غلظت ماده حامل، غلظت ماده فعال سطحی، سرعت هم زن، زمان تماس و نسبت حجمی غشاء به فاز خارجی بر میزان استخراج مشخص گردد. آنالیز ها درصد تأثیر هر متغیر بر میزان استخراج و همچنین سطح بهینه ی مربوط به هر متغیر را مشخص کردند و نشان دادند که سرعت همزن با درصد توزیع 133/27 و نسبت حجمی غشاء به فاز خارجی با درصد توزیع 479/12، به ترتیب بیشترین و کمترین تأثیر را بر میزان استخراج دارند. همچنین در غلظت های بالای ماده حامل، ماده فعال سطحی و سرعت بالای همزن، میزان استخراج کاهش یافت. شرایط بهینه ای که توسط روش تاگوچی به دست آمد، عبارتند از : 1% حجمی ماده حامل، 5/1 % حجمی ماده فعال سطحی، 600 دور بر دقیقه سرعت همزن مکانیکی، 10 دقیقه زمان تماس و 1/0 نسبت حجمی فاز غشاء به فاز خارجی. در این شرایط بهینه، 10 میلی لیتر از غشاء، 7/81 % از هافنیم موجود در 100 میلی لیتر محلول آبی را استخراج کرد که در برابر مقدار پیش بینی شده توسط روش تاگوچی (83/86)، خطای ناچیزی داشت. هدف مهم دیگر در این تحقیق، حلالیت هافنیم دی اکسید بود. این جامد سفید رنگ یکی از پایدارترین ترکیب های هافنیم می باشد که با اسید های قوی مانند اسید سولفوریک واکنش می دهد. نتایج نشان داد هافنیم دی اکسید در اسیدسولفوریک حل می شود، اما حلالیت آن بسیار آرام و زمان بر می باشد، به گونه ای که غلظت هافنیم در اسیدسولفوریک در دمای 75 درجه سانتی گراد، بعد از مدت 235 روز به 467/0 مول بر لیتر رسید و بعد از این بازه زمانی تغییر خاصی در حلالیت آن مشاهده نشد. کلمات کلیدی : هافنیم، استخراج، غشاء مایع امولسیونی، دی دو اتیل هگزیل فسفریک اسید