Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время получение особо чистых и моноизотопных неорганических веществ играет определяющую роль в опережающем развитии современной полупроводниковой и атомной техники, квантовой электроники, промышленности оптических материалов и в других отраслях техники. Решение многих приоритетных задач, таких как прямое превращение тепловой энергии в электрическую, создание сверхпроводящих материалов, создание химически, механически и термически устойчивых материалов, широкое использование атомной энергии, напрямую связано с решением проблемы получения особо чистых (ОЧ) и моноизотопных веществ. Многообразие известных методов получения ОЧ веществ не снимает этой проблемы - все они требуют значительных энергозатрат. В связи с этим, актуален поиск новых, энергосберегающих методов их получения и разработка новых технологий на их основе.
Целью настоящей работы является разработка естественнонаучных основ технологии избирательного, элементного обогащения водного раствора солей редкоземельных металлов на основе процесса ориентированного переноса катионных аквакомплексов в разбавленных водных растворах солей щелочно- и редкоземельных металлов при воздействии периодического электрического поля в условиях изоляции растворов от формирующих поле электродов.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
определение параметров внешнего, периодического
электрического поля, воздействие которого на водные растворы солей вызывает селективный ориентированный перенос аквакомплексов, отличающихся инерционными свойствами, а также характеристик процессов, совокупность протекания которых образует технологию избирательного, элементного обогащения водного раствора солей редкоземельных металлов;
создание модели процесса и определение закономерностей ориентированного дрейфа катионного аквакомплекса, помещенного в периодическое электрическое поле с отличающимися амплитудами полупериодов;
создание экспериментальной базы для возбуждения и наблюдения процесса ориентированного переноса аквакомплексов в водных растворах солей металлов при наложении периодического электрического поля;
определение закономерностей формирования сольватной оболочки, позволяющие дать объяснение экспериментальным данным по её размерам;
проведение экспериментов, верифицирующих полученные теоретические положения на примере элементов третьей группы Периодической системы.
Научная новизна работы заключается в том, что:
обнаружен эффект электроиндуцированного дрейфа катионных аквакомплексов в разбавленных водных растворах солей металлов и установлены его основные особенности;
определено сочетание амплитудных и частотных параметров электрического поля, при котором проявляется эффект электроиндуцированного дрейфа катионных аквакомплексов;
разработаны модели сольватации катионов и анионов в терминах уравнений электродинамики сплошных сред и движения поляризованного аквакомплекса в асимметричном электрическом поле;
разработаны естественно-научные основы технологии элементного обогащения водных растворов солей щелочно- и редкоземельных металлов и прототип технологической установки.
Практическая значимость. Обнаруженный эффект
электроиндуцированного селективного дрейфа катионных
аквакомплексов в асимметричном электрическом поле может найти применение в энергосберегающих технологиях получения особо чистых веществ, поскольку эффект возбуждается при электрической изоляции
электродов от водных растворов солей без образования замкнутой электрической цепи.
Разработанная модель гидратации катионов позволяет корректно определить размеры надмолекулярных образований (аквакомплексов) в разбавленных водных растворах солей при различных температурах и зарядах ионов, что может быть использовано для уточнения их электрофизических и гидродинамических характеристик (свойств).
Результаты, методологические и технологические подходы, полученные и разработанные в ходе диссертационных исследований используются в учебном процессе на физико-техническом факультете Томского политехнического университета при подготовке инженеров по специальностям "Химическая технология редких, рассеянных и радиоактивных элементов" и "Безопасность и нераспространение ядерных материалов".
На защиту выносятся:
модель эффекта ориентированного дрейфа катионного аквакомплекса в периодическом электрическом поле с отличающимися амплитудами полупериодов, основанная на методе "расщепления по физическим процессам" и на корректном определении размера оболочки сольватированного катиона;
экспериментальные методы и средства формирования асимметричного периодического электрического поля в объеме водного раствора соли, обеспечивающие возбуждение селективного дрейфа аквакомплексов в гомеотропной геометрии;
параметры электрических полей, обеспечивающих возбуждение эффекта электроиндуцированного селективного дрейфа катионных аквакомплексов в водных растворах солей и закономерности процесса селективного дрейфа для случая катионов металлов II — ой и III — ей групп Периодической системы.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на 8 Международных, Всероссийских и Отраслевых научно-технических и научно-практических конференциях. В том числе:
на Отраслевой научно-технической конференции: "Технология и автоматизация атомной энергетики" (СГТИ, Северск, 2003), на IX Всероссийской (Международной) научной конференции "Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул" (Звенигород, 2004), на Международной научно-практической конференции "Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности (производство, наука, образование)" (Томск, 2004), на Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых "ВНКСФ-11" (Екатеринбург, 2005), на научной сессии МИФИ-2005 (Москва, 2005) , на XI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых "Современные техника и технологии СТТ'2005 " (Томск, 2005), на Международной научно-практической конференции "Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности (производство, наука, образование)" (Томск, 2005) , на X Всероссийской (Международной) научной конференции "Физико-химические процессы при селекции атомов и молекул" (Звенигород, 2005).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Материал работы' изложен на 124 страницах, включая 39 рисунков и 11 таблиц. Библиографический список включает 67 наименований.
Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоит в непосредственном участии в разработке модели, ' построении экспериментальной установки, проведении экспериментов и расчетов, анализе полученных результатов, а также в написании статей, докладов и тезисов докладов.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 15 печатных работах, в том числе в 5 научных статьях, 3 докладах и 7 тезисах докладов.
