[发明专利]可应用于高浓度非水性电解质的金属离子或氧离子的监测方法和系统

说明书

技术背景

1.技术领域

本发明涉及一种测量电提取金属工艺和废弃核燃料高温冶金处理中非水性电解质浓度的方法和系统。

2.背景技术

核电厂产生的废弃核燃料包括大量高含量废弃物以及大量未反应的铀。为了再循环未反应的铀和减少高含量废弃物的体积，近年来特别关注高温冶金处理。高温冶金处理包括电解还原工艺、电解精制工艺和电提取(electrowinning)工艺。这些工艺的难点是在熔融盐中熔化废弃核燃料，电化学还原各种元素如铀、超铀等，以及将其电沉积和回收在阴极上。

高温冶金处理从熔融盐中回收铀和超铀(TRU)元素，因此在实施各种工艺(如电解精制、电提取)时精确地测量熔融盐中存在的铀和超铀元素组成和浓度是关键。通常，采用分析技术如感应耦合等离子体原子发射分光光谱法(ICP-AES)或感应耦合等离子体质谱(ICP-MS)通过取样(或收集)熔融盐对铀和超铀元素的组成和浓度进行测量，但为了顺利地进行该工艺，迫切需要现场（on the spot）实时监测具有相对高温的熔融盐的溶质浓度。

高温冶金处理所需的实时监测方法可以分为两种。

第一种方法是设计为将吸收光谱或激光诱导的荧光光谱等应用于高温冶金处理的光谱测量方法。光谱方法通常使用光源、测量池和检测器，其优点在于可根据元素的特征信号进行检测，但缺点在于难以将这些组件安装在处于高温冶金处理的高温条件下的熔融盐池中。

第二种测量方法是将电化学测量法应用于实时监测的方法。该测量方法是通过测量电化学信号，即电流信号来测量高温熔融盐中存在的溶质类型和溶质量的方法。由于将工艺系统构造为电化学系统，希望该电化学测量方法能容易地施用于工艺池。目前已知的电化学测量方法包括常规脉冲伏安法、方波伏安法等。采用这些方法，当以扫描同时施加脉冲的方式重复电沉积和溶出反应来测量电极/溶液界面存在的溶质的反应时，该溶液体相中存在的溶质由于扩散现象被引至电极界面，以增加电极/溶液界面的溶质浓度，其缺点在于在大于或等于4重量％的高浓度情况下无法获得比例关系。同样，在使用常规循环伏安法或计时安培分析法的情况下，形成过量电沉积物的同时，电沉积反应使电极面积迅速增加，在测量高浓度溶质时会出问题。此外，采用所述测量方法，可以测量高温熔融盐中废弃核燃料的粗略浓度(rough concentration)，但由于拖延了电势扫描时间，延长测量时间并降低电势对于分析相邻元素来说是不合适的。此外，高温熔融盐处于极其恶劣的环境，因此很多材料在高温熔融盐中是不稳定的，并且将电极放入高温熔融盐中时，出现了高温熔融盐的表面，改变电极的接触面积。为了持续保持电极面积，可以使用用绝缘体缠绕(或覆盖)电极的方法，但当减少的面积的电势施加于高温熔融盐中用作绝缘体的二氧化铝时，二氧化铝等被还原成金属铝，从性质上转变为导体，不利地增加了电极面积。此外，在对非水性溶液中的高浓度溶质进行电化学测量时，如果电极面积大，在电化学测量过程中电极的中间部分被溶质离子空穴化。因此，使用大面积电极对高浓度溶质的电化学测量导致电极的某些区域丧失能力，使得测得的值小于在与高浓度成比例的电流条件下测得的值。

同样，使用电化学方法如循环伏安法或方波伏安法(SWV)等进行氧阴离子的浓度测量。这些方法采用氧化氧阴离子的反应得到氧。但是，在测量反应电流时，持续生成氧，氧附着在电极表面，导致电极面积减少。

作为精制天然存在的金属矿石的方法，通常在非水性溶液中进行电解精制工艺。金属矿石包括金属和氧结合的金属氧化物，在电解精制工艺过程中，金属阳离子在阴极上被还原成电分离的金属，以被回收，而氧阴离子在阳极被氧化生成氧。该工艺中，基于与高温冶金处理类似的原理发生金属电解还原反应。因此，金属矿石精制工艺也迫切需要用于实时测量非水性溶液中包含的元素的实时测量方法，以监测该工艺的进行情况。

发明内容

因此，本发明的一个方面是提供一种在金属电解精制工艺和高温冶金处理过程中实时监测非水性溶液中金属离子和氧离子浓度的方法和系统。