Роботу присвячено розробці технологій переробки техногенних залишків вирощування монокристалів на основі йодидів цезію і натрію у сировину високої чистоти для вирощування монокристалів, що є екологічно безпечними.
Для переробки техногенних залишків монокристалів на основі йодиду цезію розроблено метод багаторазової низькотемпературної мішаної кристалізації (БНМК) водних розчинів йодиду цезію, одержаних з техногенних залишків, і досліджено вплив температури на ефективність очищення розчинів від домішок лужних металів, талію, міді, сульфатів тощо.
Проведення багаторазової низькотемпературної мішаної кристалізації розчинів йодиду цезію, що включає масову кристалізацію і кристалізацію водно-сольової евтектики (ВСЕ), є простим і зручним методом для суттєвого зниження концентрації практично всіх техногенних домішок, у тому числі ізоморфних (Na, K, Rb). Однак у процесі кристалізації продукт збагачується домішкою талію, який входить у закристалізовану частину розчину.
Встановлено, що при проведенні БНМК при температурі -14 °С домішка натрію заважає ефективному видаленню інших домішок з йодиду цезію при кристалізації. При зменшенні концентрації іонів натрію до (5÷9)·10-2 мас. % інтенсивність витіснення інших домішок значно зростає.
Проведено оцінку коефіцієнтів очищення для основних домішок у процесі мішаної кристалізації йодиду цезію. Для Na+ ефективний коефіцієнт очищення β знаходиться в межах 0,6-0,7 для перших трьох циклів кристалізації, а потім знижується до 0,5, відповідні значення β для калію 0,74 і 0,5-0,53. Для рубідію значення β майже однакове впродовж усіх циклів БНМК і знаходиться в межах 0,65-0,75. Для міді значення β близьке до одиниці, для талію β>1, що робить неможливим очищення розчину йодиду цезію від домішок Tl і Cu кристалізаційними методами.
При зростанні зниженні температури в робочій камері від -14 °С до -19 °С значення β для ізоморфних домішок (Na, K, Rb) наближається до 1 (0,87-0,89) і практично не залежить від радіусу катіону-домішки.
Для очищення техногенного розчину йодиду цезію було здійснено 20 циклів низькотемпературної мішаної кристалізації. Починаючи з 13 циклу низькотемпературної мішаної кристалізації рівень домішок важких металів, калію та рубідію у йодиді цезію стає меншим від вимог ТУ У 24.13.31331736-002-2004.
Після проведення 25, 30 і 35-кратної низькотемпературної мішаної кристалізації (НМК) були відібрані дослідні зразки сировини – йодиду цезію і проведене дослідне вирощування монокристалів йодиду цезію. Аналіз сировини показав, що рубідій видаляється з йодиду цезію краще, ніж калій. Проведення 30-кратної кристалізації дає можливість повністю, нижче межі виявлення, позбутись домішки рубідію, концентрація калію знаходиться на рівні 1,5∙10-5 мас.%.
Розроблений метод БНМК дає змогу проводити очищення техногенних водних розчинів йодиду цезію до рівня чистоти, який відповідає сировині для одержання сцинтиляційних монокристалів при значно більшому виході кінцевого продукту, ніж при трикратній масовій кристалізації за стандартною технологією: після 20 циклів низькотемпературної мішаної кристалізації прямий вихід CsI складає 53 % проти 20-25 % після трикратної масової кристалізації.
Виробничі можливості методу БНМК складають 100-150 кг/рік йодиду цезію «ос. ч.» у розрахунку на одну морозильну камеру типу «BEKO HSA 40520».
Відпрацьований метод дає можливість за допомогою 10-12 стадій БНМК одержати продукт, що відповідає технічним умовам для особливо чистого йодиду цезію зі зниженим вмістом калію та рубідію – домішок, які спричиняють власний радіоактивний фон у сцинтиляційних монокристалах.
Встановлено, що метод БНМК не дає змогу очистити залишки монокристалів йодиду цезію від міді та важких металів, а концентрація домішки талію навіть зростає. Вказані домішки особливо небажані при вирощуванні монокристалів неактивованого йодиду цезію.
Розроблено спосіб видалення домішок талію і міді з розчинів йодиду цезію, одержаних з відходів виробництва монокристалів на основі йодиду цезію. Він полягає у попередній обробці техногенного розчину йодиду цезію металічним магнієм, що веде до зниження вмісту домішок Tl і Cu до значень, нижчих за межі визначення аналітичними методами, одночасно знижується вміст інших важких металів. У розчині залишаються лише домішки, що в процесі подальшої БНМК відтісняються з продукту у маточний розчин.
Було відпрацьовано технологічні режими обробки розчинів залишків монокристалів на основі йодиду цезію з метою видалення домішок важких металів і талію. В лабораторних умовах відпрацьовано режими обробки розчинів залишків монокристалів на основі йодиду цезію магнієм, які показали, що протягом однієї операції обробки досягається 4-5-кратне очищення розчинів від домішок важких металів.
Результати досліджень впроваджено на дослідному виробництві Інституту сцинтиляційних матеріалів НАН України.
