氧化至少一种碱金属的方法

氧化至少一种碱金属的方法

本发明涉及氧化至少一种碱金属的方法，根据该方法，处于熔融状态的这种碱金属通过与氧气反应而氧化。

该碱金属可以是放射性的，也可以是非放射性的。

放射性碱金属实质上是核试验的结果，为此可以将它们与放射性同位素接触，或者受到中子流的作用，从而进行活化。

一般说来，大量碱金属难以存放较长的一段时间，这是因为这种金属与水和氧气的反应性较大。所说的反应由于在与水反应时产生氢气或者与氧反应产生过氧化物而非常激烈并且带来爆炸的危险。另外，还可能会发生无法用常规手段控制的火灾，由于要求水被隔断。该反应的高度放热的特点还会增加由于爆炸或火灾而导致事故的危险。

但是，这种金属大量存在于采用液体钠作为冷却流体的核支链中。不管这些金属是否是放射性的，它们的安全性及有效处理均是严重的。

事实上已经有多种处理的方法，但是没有一种方法可以达到令人满意的安全水平而且也没有提出一种可以与处理后的必要调整完美配合的方案，而后一种观念对于含有杂质的碱金属来说是特别重要的。

由于当采用含有氢的氧化剂如水或醇，或容易燃烧的氧化剂如醇时，碱金属的氧化会产生严重的安全问题，因此优选的是采用一种不含有氢并且本身不易燃烧的氧化剂，即氧。

在US1685520和US2825629中描述了这种方法。这种方法是基于通过与氧或空气起反应而将该金属煅烧。但是其缺点在于由于在表面上氧化的保护作用，少量的金属不起反应，因而它不能完全使金属氧化，这样仍然存在上述危险。该煅烧过程还会导致形成过氧化物，而这种过氧化物是不稳定的并且容易引发爆炸。

根据所说的方法，碱金属的处理通常会间接地导致在氧化物和过氧化物水化以后产生氢氧化物水溶液。另外，当该氧化反应用水进行时会直接形成相同的氢氧化物，或者在用醇进行氧化的情况下在乙醇水解以后会间接地形成相同的氢氧化物。

不管该金属是否是放射性的，这些氢氧化物由于其腐蚀特性都必须进行另外的处理。这个问题对于放射性金属的处理来说是特别严重的，在这种情况下必须进行限制性处理，从而可以进行长时间的贮存。

本发明的目的准确地说在于氧化碱金属的方法，它可以在明显特别安全的条件下进行，所有这些条件均可以保证该金属的氧化并且为处理阶段作准备。

该目的是通过下列手段达到的。即将熔融碱金属分散在流化床中并且在该床中与氧气进行氧化反应，通过与供应到上述床中的含碳气体起反应而使由此形成的氧化物碳化。

当由于金属的氧化而形成氧化物和过氧化物时，立刻将它们与二氧化碳起反应以形成碳酸盐，这些碳酸盐降低了爆炸的危险性。

该床的湍流特点可以确保该反应进行完全。事实上由于该金属颗粒与该床的不断振动使得可能会对该金属形成保护的最终的氧化物层连续地破裂。

该床的流化作用优选地通过与氧气和/或含碳气体混合的惰性气体的向上流动而获得。

该金属通过一种雾化器以液滴的形式喷入流化床的中部。因此该反应的热控制极好。

流化床的温度可以在50-700℃之间。

所形成的碳酸盐根据它们的后处理情况而从床中萃取或者与至少一部分形成该床的固体颗粒一起进行后处理。

尤其是在后一种情况下，该流化床含有二氧化硅固体颗粒和可能的一种或多种氧化物或碳酸盐，如CaO、CaCO3、B2O3、Al2O3、MgO、MgCO3、BaO、ZnO、ZnCO3、PbO、PbCO3、Fe2O3、TiO2和ZrO2。

由于上述反应的结果，碱金属的碳酸盐会聚在该床中，这就使后者具有适合下面的玻璃化过程的理想组成。反应以后，将床中的物质在流化反应器中玻璃化或者可以将它们移送到另一个反应器以进行所说的玻璃化。

这种调整处理特别适用于放射性的碱金属。对于非放射性的碱金属来说，该玻璃化过程可以免去，并且处理开始时的床颗粒可以是砂粒。

在处理结束时，通过使碳酸盐进入水溶液而从反应器中将碳酸盐萃取。以这种方式获得的流出物没有腐蚀性的缺点，因而可以确保处理安全。最后可以将砂子与碳酸盐的混合物再次恢复，特别是当该碱金属是钠时。

为了清楚起见，下面将参照附图对本发明的氧化至少一种碱金属的方法的实施例进行描述，这些实施例仅仅是一个例子并且是非限制性的，该附图表示用来实施本发明的方法的反应器的截面图。

该反应器是一种流化床反应器，它包括柱1，垂直分成下部进料区2、上部区3和中间反应区4，中间反应区4其下端通过床6的支承部5和其上端通过旋风器7而封闭。

支承部5是一块穿孔的或多孔金属板或多孔陶瓷板。

用于供入流化气体的导管8向下区2敞开，而该气体的抽气管由上部区3中接出。

中间区4配有双壁并且壁之间的间隙是冷却回路的一部分。

热交换器11可以安装在中间反应区4的上部。

在该反应区4的下部，装有双流型雾化器12用于熔融碱金属。这种雾化器配有经过校准的内孔用于使碱金属预先分散以及一套经过校准的外部孔用于实现最终分散。通过加热电阻可以将其加热。可以通过与支承部5呈直角方向的两条通道13向其中供料。

在其下部或在下区2中，配有用于反应气体的喷射器14，它通过导管15与混合装置16相连。

根据本发明，当通过上述反应器对放射性碱金属或放射性碱金属的混合物进行氧化时，其过程如下：用可能与形成床6的其它氧化物和/或碳酸盐混合的氧化物颗粒，特别是二氧化硅填充反应区4至中间高度。

氧化物或碳酸盐的颗粒尺寸分布通常使得该颗粒的当量最大直径不超过1毫米。

尤其是，床6根据下面的表来组成：氧化物         数量            颗粒尺寸分布占床的质量百分比          微米SiO240-95               0-1000CaO            0-25               0-500B2O30-30               0-500Al2O30-25               0-500MgO            0-20               0-300BaO            0-10               0-300ZnO            0-20               0-300PbO            0-40               0-300Fe2O30-3                0-300Ti020-20               0-300ZrO20-20               0-300而后将反应器封闭并且将雾化器12预热至50-200℃，再将它保持在要进行处理的碱金属或碱金属混合物的熔融温度的温度以上。

通过供料通道8供入惰性气体，将其压过分散该气体的支承部5并以向上流动的方式通过床6，以及通过抽气通道9排气。

惰性气体，如氮气向上流动的流量根据处理能力为0.1-5000立方米/小时(在标准温度和压力条件下计算)并且足以使床6流态化。

通过旋风分离机7将尺寸大于5微米的床颗粒限定在反应区4。

将氧气与含碳气体定量混合。将该反应气体的定量混合物通过通道13和喷射器14在支撑部5下方喷入下区2中，在该区中与惰性流态化气体混合。

而后将熔融亦即液态的放射性碱金属通过雾化器12以雾滴形式喷入床6的中部，它们可以使反应区4的温度增加。在雾化器12中进行了预分散。碱金属的最大流量为360公斤/小时。

反应区4立刻通过热转移介质冷却，该热转移介质通过冷却回路10并且可能通过热交换器11而循环，热交换器11在反应区的内部直径超过0.3米时特别有用。

可以调整不同的流量，使得反应区4的操作温度在50-700℃之间。

在处理过程中，该碱金属被氧化并且通过与含碳气体反应而转变成碳酸盐。当由于该反应而使床6的组成含有后续制备步骤，即玻璃化步骤所需的成分时，终止处理。

当等效氧化物与碱金属的百分比达到10-45％(占床6中等效氧化物的总质量的百分比)时，通常获得该组成。

总床6被玻璃化。

为了说明起见，下面给出处理放射性钠的具体实施例。

在反应区4高度为2米、内径为0.2米的上述反应器中处理流速为360克/小时的熔融钠。

处理前床6的组成如下：84％SiO2、3％Al2O3、8％CaO和5％MgO(相对于总的等效氧化物的质量百分数，而后两种氧化物是以碳酸盐的形式引入)。

惰性流态化气体的流速为0.5立方米/小时或更高。

调整流速使反应区4内部的温度为200-350℃之间。在这种情况下，该反应器的热功率大约为1700W。

在约20小时以后停止处理。

一种或多种非放射性碱金属的处理以完全相同的方式进行，其不同之处在于处理之前床6的组成为100％SiO2，而制备过程不包括玻璃化过程，但包括投入到碱金属碳酸盐的水溶液中。

随后，在上述放射性碱金属的范围内进行处理。

很显然还可以在不超出本发明的范围的基础上还可以对上述实施例作出多种改变。

特别是可以将氧气和/或含碳气体在该反应器外面与流态化气体混合。