Гришечкин Михаил Борисович. Применение газофазных технологий для глубокой очистки веществ на основе редких элементов

Краткое описание

Гришечкин Михаил Борисович. Применение газофазных технологий для глубокой очистки веществ на основе редких элементов;[Место защиты: ФГУП «Институт химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»], 2021

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева
На правах рукописи
Гришечкин Михаил Борисович
ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОФАЗНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ОЧИСТКИ
ВЕЩЕСТВ НА ОСНОВЕ
РЕДКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
2.6.7 - Технология неорганических веществ
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Научный руководитель д.х.н., проф. Аветисов И.Х.
Москва - 2021 год
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ 5
Публикации по теме диссертации 12
1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ И
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОГО ТЕЛЛУРА И ОКСИДА ТЕЛЛУРА (IV) (обзор литературы) 14
1.1 Основные физико-химические свойства теллура и оксида теллура (IV)
и области его применения 14
1.2 Способы получения высокочистого теллура и оксида теллура (IV) 22
1.3 Характеристика примесного состава промышленных препаратов
теллура и оксида теллура (IV) 30
1.4 Выводы по разделу 1 35
2 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОЧИСТОГО ТЕЛЛУРА
МЕТОДОМ ДИСТИЛЛЯЦИИ 37
2.1 Характеристика использованных веществ и материалов 37
2.2 Разработка методики определения примесного состава препаратов Те
и ТеО2 методом МС-ИСП 41
2.3 Разработка технологии получения высокочистого теллура методом
вакуумной дистилляции 56
2.3.1 Дистилляция теллура в вакууме 60
2.3.2 Дистилляция теллура в атмосфере инертного газа 64
2.3.3 Дистилляция теллура с добавлением хемосвязывающего агента.. 66
2.4 Выводы по разделу 2 73
3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА ВЫСОКОЧИСТОГО ОКСИДА ТЕЛЛУРА (IV) МЕТОДОМ ГАЗОТРАНСПОРТНОЙ РЕАКЦИИ .... 74
3.1 Исследование процесса синтеза оксида теллура (IV) в условиях
диффузионного массопереноса 74
3.2 Исследование процесса синтеза оксида теллура (IV) при атмосферном
давлении в условиях вынужденного массопереноса.
3.3 Разработка технологии синтеза оксида теллура (IV) при пониженном
давлении (вакууме) в условиях вынужденного массопереноса 82
3.3.1 Численное моделирование реактора синтеза высокочистого
оксида теллура методом газотранспортной реакции 86
3.3.2 Синтез высокочистого ТеО2 методом газотранспортной реакции
при пониженном давлении 92
3.4 Выводы по разделу 3 103
4 РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
УЛЬТРАНИЗКОФОНОВОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ГАДОЛИНИЯ ... 105
4.1 Области применения ультранизкофоновых препаратов на основе
гадолиния и методы их получения (обзор литературы) 106
4.1.1 Применение соединений гадолиния (III) в экспериментах по
поиску темной материи DarkSide 20k 106
4.1.2 Обзор методов снижения концентрации примесей урана и тория
в препаратах на основе гадолиния 107
4.1.3 Методы анализа содержания урана и тория 114
4.2 Характеристика использованных веществ и материалов 116
4.3 Разработка методики определения примесного состава препаратов на
основе Gd методом МС-ИСП 118
4.4 Исследования по снижению концентраций урана и тория в
химических препаратах на основе гадолиния 128
4.4.1 Обзор коммерчески доступных препаратов на основе гадолиния128
4.4.2 Получение ультранизкофонового препарата на основе гадолиния130
4.5 Получение ультранизкофонового гибридного материала для защиты
детекторов от тепловых нейтронов 138
4.5.1 Анализ коммерческих препаратов полимеров 138
4.5.2 Изготовление гибридного материала на основе ПММА и
препарата гадолиния 139
4.5.3 Механические испытания гибридного материала 143

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 145
6 ИТОГИ РАБОТЫ 149
СПИСОК ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ 151
ПРИЛОЖЕНИЕ А 165
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 177
ПРИЛОЖЕНИЕ В 205
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 234

Список литературы

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований были разработаны способы получения высокочистых теллура, оксида теллура (IV), хлорида гадолния (III), основанные на протекании гетерофазных процессов между газовой и конденсированной фазами.
В случае с получением высокочистого теллура реализуется процесс испарения жидкого теллура в динамическом вакууме с последующим его переносом и осаждением в виде поликристаллов в средней части реактора. Снижение концентрации селена достигается путем его связывания с металлическим цинком, предварительно добавленным к исходному теллуру. В результате образуется малолетучий побочный продукт селенид цинка, который концентрируется в кубе и не переносится с паровой фазой. С целью снижения остаточного содержания кислородных примесей процесс реализуется в реакторе с внутренней оснасткой из высокочистого графита. Полученный в результате работы высокочистый элементарный теллур с суммарной концентрацией примесей не более 1*10-4 мас. %, включая примесь селена, может использоваться не только в качестве исходного компонента для синтеза высокочистого оксида теллура (IV), но и как компонент полупроводниковых соединений AIIBVI. Также представляет интерес получение монокристаллов теллура, демонстрирующего перспективные свойства в качестве акустооптического материала ИК- диапазона [127, 128].
Разработан метод получения высокочистого оксида теллура (IV), основанный на окислении паров теллура высокочистым кислородом в условиях контролируемых парогазовых потоков. Первоначально процесс происходит путем формирования твердых зародышей из паровой фазы, которые осаждаются на стенки реактора и разращиваются в виде ограненных кристаллитов. Контролируемое парциальное давление кислорода позволяет управлять не только кинетикой реакции, но и нестехиометрией получаемого продукта. Процесс протекает при температурах, не допускающих
145
расплавление оксида теллура (IV), поэтому химическое взаимодействие между стенками реактора из кварцевого стекла и поликристаллическим ТеО2 отсутствует. Достоинством реакции является попутная очистка продукта от примеси селена, так как образующийся оксид селена, обладая высоким давлением пара, выводится из зоны осаждения продукта с потоками кислорода и газа-носителя, в качестве которого выступает высокочистый аргон. Получаемый конечный порошковый кристаллический препарат оксида теллура (IV) имеет химическую чистоту не ниже 99,9997 мас. % (при определении 64 примесных элементов с учетом пределов определения) и в силу технологических особенностей процесса имеет пониженную концентрацию ОН-групп. Последнее важно для использования данного препарата в технологиях изделий ИК техники. Следует отметить, что синтезированный препарат состоит из мелкодисперсного порошка с частицами размером до 5 мкм и дендритных кристаллитов размером сотни мкм. Варьируя технологические параметры и геометрию реактора, возможно достичь преимущественного образования той или иной фракции. Мелкодисперсный порошок высокочистого ТеО2 может быть перспективным сырьем в стекловолоконной технологии ИК-диапазона.
Важной особенностью разработанного процесса получения высокочистых теллура и оксида теллура (IV) является значительно сниженная экологическая нагрузка по сравнению с используемыми в настоящее время «мокрыми» методами их получения и очистки, так как в разработанных способах отсутствуют стадии растворения, осаждения и перекристаллизации материалов, требующие большого расхода концентрированных минеральных кислот.