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INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES AUTARQUIA ASSOCIADA À UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO NORMALIZAÇÃO DOS DADOS DE EQUILÍBRIO DO ACIDO NITRICO, DO RUTÊNIO E DO ZIRCÔNIO NO SISTEMA DE EXTRAÇÃO LIQUIDO-LÍQUIDO TBP 20% - DILUENTE/HNO 3 /H 2 O Christina Aparecida Leio Guedes de Oliveira Dissertação apresentada como parte dos requisitos para obtenção do Grau de "Mestre na Área de Concentração em Reatores Nucleares de Potência e Tecnologia do Combustível Nuclear". Orientadora: Dra. Bertha Floh de Araújo SAO PAULO 1984

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INSTITUTO DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES

AUTARQUIA ASSOCIADA À UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

NORMALIZAÇÃO DOS DADOS DE EQUILÍBRIO DO ACIDO NITRICO, DO

RUTÊNIO E DO ZIRCÔNIO NO SISTEMA DE EXTRAÇÃO

LIQUIDO-LÍQUIDO TBP 20% - DILUENTE/HNO3/H2O

Christina Aparecida Leio Guedes de Oliveira

Dissertação apresentada como parte dos

requisitos para obtenção do Grau de

"Mestre na Área de Concentração em

Reatores Nucleares de Potência e

Tecnologia do Combustível Nuclear".

Orientadora: Dra. Bertha Floh de Araújo

SAO PAULO

1984

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INST5TUT0 DE PESQUISAS ENERGÉTICAS E NUCLEARES

AUTARQUIA ASSOCIADA A UNIVERSIDADE DE SÂC PAULO

NORMALIZAÇÃO DOS DADOS DE EQUILÍBRIO DO ÁCIDO NÍTRICO, DO

RUTÊNIO E DO ZIRCÕNIO NO SISTEMA DE EXTRAÇÃO

LfQUIDO-LfQUIDO TBP 20% - DILUENTE/HNO3/H2O

Christina Aparecida Leão Guedes de Oliveira

Dissertação apresentada como parte dos

requisitos para obtenção do Grau de

"Mestre na Área da Concentração em

Reatores Nucleares de Potência e

Tecnologia do Combustível Nuclear".

Orientadora: Dra. Bertha Floh de Araújo

V

SA PAULO

1034

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AOS MEUS PAIS

A MINHA IRMÃ

í

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AGRADECIMENTOS

Bertha Floh de Araújo

Joeé Adroaldo de Araújo

Barko Tamura Matsuda

Alddio Abrão

Antonio Soares de Gouveia

Todoe os colegas da Divisão de

Reproceesarr.ento e do Departamento

de Engenharia Química

Pela oiizntaçao, colaboração e

Inczntivo na íxtcução dti>£t

trabalho

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SUMARIO

Página

RESUMO i

ABSTRACT ií

I. INTRODUÇÃO 1

1.1. O processo PUREX 6

1.2. Objetivo 9

II. CARACTERÍSTICAS NUCLEARES E COMPORTAMENTO QUlHICO 12

II. 1. Rutênio 12

II. 1.1. O mecanismo de extração com

solvente 15

II. 2. Zircônio 19

II.2.1. O mecanismo de extração comsolvente 22

11.3. O mecanismo de' extração do ácido nítricôcom TBP 25

11.4. O TBP livre 28

III. REAGENTES. EQUIPAMENTOS. MÉTODOS ANALÍTICOS. TÊÇ

NICA EXPERIMENTAL 30

III.1. Reagentes 30

111.1.1. Soluções de rutênio 30

111.1.1.1. Síntese dos complexos do nitra

to de nitrosil-rutinio 30

111.1.1.2. Soluções estoque de rutênio .. 31

111.1.2. Solução de zircõnio 33

111.1.2.1. Preparação do hidroxinitratode zircônio 33

111.I.2.2. Solução estoque de zircônio .. 33

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111.1.3. Traçadores 34

HI . 1.3.1. Traçador 106Ru - 106Rh 34

III.1.3.2. Traçador 95Zr - ' Nb 35

111.1.4. Fase orgânica 35

111.1.5. Outros reagentes 37

111.2. Equipamentos 37

111.3. Métodos Analíticos 39

111.3.1. Determinação do 95Zr 39

111.3.2. Determinação do 106Ru 39

111.3.3. Determinação da concentração

do zircônio 39

1II.3.4. Determinação complexométrica

do rutênio por espectrofotonre

tria de absorção molecular ... 40

111.3.5. Determinação da acidez livre . 40

111.3.6. Determinação da densidade .... 40

111.3.7. Determinação das tensões supe£

ficial e interfacial 41

111.4. Técnica Experimental 41

111.5. Abreviação dos termos utilizados 43

III.5.1. 0 tratamento matemático dos da

dos experimentais 44

IV. DADOS EXPERIMENTAIS 47

IV. 1. Determinação do tempo de equilíbrio para

a extração do nitrato de nitrosil-rutênio

e do hidroxinitrato de zircônio com TBP

201 - n-dodecano 48

IV.2. Estudo da influência do tempo de envelhe

cimento da solução de nitrato de nitrosil

-rutinio na extração com TBP 20% - n-dode

cano 48

' IV H Ü

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IV. 3. Diagrama de equilíbrio do nitrato de rvi

trosil-rutênio 50

IV.4. Diagrama de equilíbrio de hidroxinitrato

de zircônio 54

IV.5. Diagrama de equilíbrio do ácido nltricô . 54

IV.6. Densidade das fases aquosa e orgânica apósa extração do rutênio e do zircônio 57

IV.7. Tensões superficial e interfacial após a

extração do rutênio e do zircônio 62

V. MODELO MATEMÁTICO 68

V.. 1. A regressão 68

V.2. Seleção dos dados de literatura 73

V.3. Organização da tabela dos dados de equili

brio 74

V.4. A constante aparente de equilíbrio 76

V.4.1. Cálculo da concentração de TBPlivre 78

V.4.2. Cálculo da concentração de Ions

nitrato 79

V.5. Resultados 80

V.5.1. Modelo matemático da distribui

ção do ácido nítrico na extra

ção com TBP 20% em diluente .. 84

V.5.2. Modelo matemático da distribui^

ção do rutênio na extração com

TBP 20% em diluente 88

V.5.3. Modelo matemático da distribui

ção do zirrônio na extração can

TBP 20% em diluente 92

VI. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES 98

VI.1. Comparação entre os dados experimentais

e os dados teóricos de distribuição ..... 101

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ANEXO 1 - Tabela dos dados de equilíbrio do ácido nítricô,

do rutênio e do zircônio no sistema ÍBP 20% - di

luente/KNO3/K20 112

ANEXO 2 - Referências bibliográficas utilizadas na organiza

çio da Tabela do ANEXO 1 119

VII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS " 122

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NORMALIZAÇÃO DOS DADOS DK EQUILÍBRIO DO ÁCIDO HlTRICO, DO

RUT'MIO E DO ZIPCCLJIO NO SISTEMA DE EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LlQUI

DO TliP 205 - DILUENTE / HNO3/H2O

Christina Aparecida Leão Guedes de Oliveira

RESUMO

Estudou-se o comportamento de extração do ácjl

do nxtrico, do nitrato de nitrosil-rutênio e do hidroxinitra

to de zircõnio no sistema fosfato de tri-n-butila (TBP) 20%-

diluente, visando a obtenção de dados para a elaboração de

fluxogramas de processo para o tratamento de combustíveis de

urânio irradiados.

A parte experimental consistiu na determina

ção dos diagramas de equilíbrio do ácido nltricô, do rutênio

e do zircônio, a partir dos quais verificou - se a influência

da concentração destes e dos íons nitrato, presentes na fase

aquosa, sobre a distribuição. Determinou - se? ainda, a densi

dade e a tensão superficial das fases aquosa e orgânica, bem

como a tensão interfacial apôs o contacto entre as fases»

Com os dados de equilíbrio obtidos nos experi.

mentos, juntamente com os dados colhidos da literatura, ela

boraram-se modelos matemáticos para expressar o comportamen

to da distribuição do ãcido nítrico, do rutênio e do zircô

nio em função da concentração dos íons nitrato na fase aquo

sa.

Verifico\i-se que não há alteração do comporta

mento de extração dos elementos estudados com a redução do

TBP de 305 v/v (concentração normalmente empregada) para 20%

v/v. Notou-se/ apenas, uma diminuição nos valores da distri.

buição, fator este importante na descontaminação do urânio

dos seus contaminantes rutênio e zircônio.

j l*r;ilTU .. , .' f.t;r;, t r.. - fTj

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TB? 2QZ - DILür.NT/IINO3/II2O LIQUID-LIQUID EXTRACTION SYSTSK:

EQUILIBRIUM DATA KCRMAI.I NATION OF KITRIC ACID, RUTHEKIUM •

AND ZIRCONIUM.

Christina Aparecida Leão Guedes de Oliveira

ABSTRACT

The extraction behavior of nitric acid,

nitrosyl-ruthenium nitrate and zirconium hydroxide nitrate

in the system tri-n-butyl phosphate (TBP) 20% - diluent was

studied. The main purpose was to obtain enough data to

elaborate process flowsheets for the treatment of irradiated

uranium fuels.

During the runs, the equilibrium diagrams of

nitric acid, ruthenium and zirconium were settled. From the

achieved data, the influence of nitric acid, ruthenium,

zirconium and nitrate ions concentration in the aqueous

phase was checked. Furthermore, the density and the surface

tension of the aqueous and organic phases were determined,

gathering the interfacial tension after the contact between

the phases.

A comparison among the obtained equilibrium

data and the existing one from literature allowed the

elaboration of mathematical models to express the dis

tribution behavior of nitric acid, ruthenium and zirconium

as a function of nitrate ions concentration in the aqueous

phase.

The reduction of TBP concentration from 30%

v/v (normally used) to 20% v/v, has shown no influence in

the extraction behavior of the elements. A decreasing in the

distribution values was observed and that means an important

factor during the decontamination of uranium from its

contaminants, ruthenium and zirconium. __

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I. INTRODUÇÃO

O ciclo do combustível nuclear compreende to

das as fases do material nuclear, antes, durante e apôs a

sua permanência no reator nuclear (Figura 1)*. De um modo ge

ral, envolve fases bem definidas que vão desde a prospecção

do mineral, passando pela fabricação do elemento combustível*

sua utilização no reator até a sua recuperação para um poste

rior reaproveitamento.

A recuperação do elemento combustível gasto,

de interesse neste trabalho, é denominada reprocessamento.

Consiste na separação dos elementos físseis e férteis dos

produtos de fissão formados durante a utilização do combust!

vel no reator. Desta forma, o urânio e o plutônio são descon

taminados e novamente reutilizados.

Muitos processos de separação foram sendo e£

tudados ao longo dos anos (Tabela I).

0 processo de precipitação foi utilizado em

larga escala na purificação do plutônio pelo fosfato de bis

mu to, primeiro processo industrial de produção do plutônio.

No entanto, devido â ineficiência em relação â purificação

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. 2 .

REATOR

ELEMENTOCOMBUSTÍVEL

FABRICAÇÃO

DE

ENRIQUECIMEN1O

CONVERSÃOA UF6

PURIFICAÇÃO

URÂNIONATURAL

URÂNIO

RECUPERADO

REPROCESSAMENIC

u Pü

FABRICAÇÃO DE

ÓXIDOS MISTOS

COMBUSTÍVELMISTO

<U-Pu)O2

REJEITO DE

ALTA ATIVIDADE

FIGURAI: DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DO CICLO DO COMBUSTÍVEL.

\ t u - : \ -.I': •

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do urânio e recuperação dos materiais físseis, este processo

não ê mais utilizado. •

TABELA I. Principais métodos de separação35

Técnicas Fator de Descontaminação

(F.D.)»

Extração com solvente IO6 - IO8

Troca iônica IO6 - 10a

Volatilização de fluoretos IO6 - IO8

Pirometalúrgico IO2 - IO1*

Precipitação y 1 - 2 0

Os processos a alta temperatura (pirometalür

gicos) são utilizados somente em instalações de pequeno por

te. Apresentam como desvantagens a alta temperatura de fusão

(1.100 - 1.2009C) e os baixos níveis de descontaminação em

produtos de fissão.

Apesar dos processos de volatilização de fluo

retos não provocarem degradação dos reagentes, exigirem um

menor tempo de resfriamento do combustível irradiado e apre

sentarem um menor custo de processamento, a sua maior difi

culdade reside na preparação da solução de alimentação.O con

* 0 fator de dee contaminação refere-ee a redução da ativid<z

âe especifica dos produtoe de fissão, do início para o

fim do processo.

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.4.

trole da reação de fluoretaçio do urânio metálico ê muito

complexo e extremamente perigoso devido" à dificuldades na

dissipação do calor durante a reação.

Os processos de troca iônica encontram muitas

aplicações nos programas de energia nuclear, principalmente,

em separações complexas. São, também, eficientes na concen

tração do plutônio, do urânio - 235 e do urânio - 233. Em

comparação com as demais técnicas mencionadas,apresentam cer

tas vantagens, como a redução de volume de reagentes e de

produtos, uma introdução de impurezas praticamente nula e ura

bom fator de descontaminação. São, ainda, utilizados no tra

tamento de resíduos líquidos de baixa atividade.Devido à sua

degradação e difícil regeneração, as resinas de troca iônica

não são utilizadas quando a taxa de atividade é alta.

No entanto, os processos de extração com sol

vente são os que apresentam resultados realmente satisfatô

rios31'"0'55.

Em 19 48/49 foram realizados testes em escala

piloto do primeiro processo de extração com solvente,chamado

REDOX**8'56. Mas, somente em 1952, foi conduzido em escala in

dustrial (Hanford, U.S.A.). 0 agente extrator era a hexona e

o agente salificador o nitrato de alumínio. Apesar de apre

sentar algumas vantagens sobre o processo de precipitação

com fosfato de bisnuto, o processo REDOX foi abandonado devi

do aos problemas relacionados com formação de volumes gran

des de resíduos e ao baixo ponto de fulgor do solvente50.

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Dentre os vários extratantes estudados5"»51 »

o mais conveniente para o emprego, tanto em instalações pilo

to quanto em instalações de grande porte, é o fosfato de tri

-n-butila (TBP). 0 alto poder de extração do TBP para o urâ

nio e o tôrio foi descoberto em 1945 8 0. 0 seu primeiro uso

como solvente foi na recuperação do urânio dos tanques de re

jeito do processo de precipitação com fosfato de bismuto50.

Assim, entre 1948 e 1950, desenvolveram-se e£

tudos de laboratório para a elaboração de um novo processo

de extração, denominado PUREX. Este método difere do REDOX

no uso do solvente (TBP diluído) e do agente salificador

(HNO3). Sua utilização em escala industrial data de 1954, em

Savannah River (U.S.A.) 5 0.

As principais características do TBP,as quais

levaram ã sua utilização nos processos de separação até os

dias de hoje, são as seguintes6/17/21,30,37,39,«i9,55.

(a) baixa afinidade pelos produtos de fissão e demais con

taminantes;

(b) alta afinidade pelos elementos de interesse (U, Pu e

Th);

(c) baixa solubilidade em soluções aquosas;

(d) baixa pressão de vapor e alto ponto de fulgor;

(e) alta estabilidade química e resistência as radiações;

(£) densidade, viscosidade e tensão interfacial compatJ.

veis com o sistema;

(g) baixa toxicidade;

íh) facilidade de purificação para reutilização;

K-nrru

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.6.

(i) disponibilidade no mercado a preço razoável.

Também os diluentes utilizados devem apresen

tar certas características que são fundamentais como crite

rios de escolha3s,'^,'»?,^.

(a) diferença de densidade com a fase àquosa;

(b) ponto de ebulição maior que 1709C;

(c) ponto de fulgor maior que 609C;

(d) solubilidade pequena em água;

(e) viscosidade menor que 6 cP;

(f) tensão interfacial com a água maior que 10 dina/cm.

De acordo com estes critérios, pode-se estabe^

lecer a seguinte ordem de preferência para a escolha do di

luente: hidrocarbonetos alifáticos > hidrocarbonetos aromãti^

cos > solventes dorados e oxigenados6»16.

A finalidade do diluente é, então,de melhorar

as características físicas e químicas da fase orgânica para

que se alcance extrações mais eficientes. 0 querosene desodo

rizado e o n-dodecano são os mais utilizados.

1.1. 0 processo PUREX

0 processo PUREX (Plutonium, Uranium Reduction

by Extraction), dentre os processos âe extração com solvente,

é o que tem demonstrado os melhores resultados-9* 4 2,149,76 m £

lc COILIIIZ n um menor volume de efluentes o uma mnior pureza

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dos produtos, além de ser suficientemente seguro quanto ao

risco de acidentes por criticalidade e inflamabilidade10»29»

30, 35, »»l,ii2f 50,73, 7 7 #

É um processo continuo de extração liquido-H

quido que usa o TBP como agente extrator diluído em querose

ne ou n-dodecano, geralmente a 30% v/v. Neste processo,os ni

tratos de urânio (VI) e de plutSnio (IV) são extraídos para

a fase orgânica enquanto que a maioria dos nitratos dos pro

dutos de fissão permanecem na fase aquosa.

A Figura 2 mostra um esquema de recuperação

do urânio e do plutônio segundo o processo PUREX35»1*1»1*5.

O processo PUREX resume-se nas seguintes fa

ses:

Operações preliminares ("Head-end"): (a) desmontagem do con

junto de elementos combustíveis, (b) dissolução do com

bustível com ácido nltrico e (c) ajuste da concentração

de actinldios e da acidez livre. Esta se constitui na

solução aquosa de alimentação para o ciclo subseqüente.

Ciclos de separação: são o conjunto de operações sucessivas

de extração, lavagem e reversão.

19 ciclo: Codescontaminação e partição: a fase aquosa

das operações preliminares é posta em contac

to com uma fase orgânica; ocorre, então, a ex

tração dos nitratos de urânio-VI e piutônio-

IV para a fase orgânica enquanto que os produ

. - : , - . < • , £ .

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FASE AQUOSA

DE

ALIMENTAÇÃO

CONCENTRAÇÃO DOS

PRODUTOS DE FISSÃO

FASE ORGÂNICA

FASE AQUOSA

RECUPERAÇÃO

DO HNO3

IESTOCAGEM DOS

PRODUTOS DE F I S S Ã O

AGENTE RCDUTOnE

HNO" HNC

<*a.

l -

.8Weuui

CONCENT.

E PURIF.

DO Pu

CONCENT.

E PURIF.

DO U

Pu

REFABR1CAÇÃO

Na CO,

1TRATAMENTO

DO

SOLVENTE

TEFLUENTEALCALINO

IGURA 2 : ESQUEMA OO PROCESSO PUREX (1? CICLO) PARA A RECUPERAÇÃO DO URÂNIO E OO PLUTÔNIO OO

COMBUSTÍVEL NUCLEAR IRRADIADO.

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tos de fissão permanecem no resíduo aquoso.Re

duz-se o plutônio-IV e plutônio-III,forma não

extraível pelo agente extrator. Com uma nova

extração, o urânio-VI ê, então,revertido para

a fase aquosa.

29 ciclo: Purificação; as soluções aquosas de urânio e

de plutônio, separadamente, são submetidas a

ciclos de extração cent partição para obtenção

da pureza requerida.

Ao final de cada ciclo, tanto o TBP quanto o HNO3 são

regenerados e reciclados.

Purificação final ("Tail-end"); consiste na descontaminação

e concentração final dos produtos, além de sua transfor

inação em formas químicas condizentes com as fases de re

fabricação.

Refabricagão; a partir dos produtos obtidos no reprocessamen

to, novos elementos combustíveis são fabricados.

1.2. Objetivo

Devido ao aprimoramento das técnicas no campo

nuclear, tanto em relação aos combustíveis quanto aos reato

res, torna-se necessário adequar os processos de tratamento

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do combustível irradiado.

Neste sentido, o uso do TBP em menor concen

tração, 20% v/v, tem mostrado uma série de vantagens, condu

zindo a uma pesquisa mais detalhada sobre o seu desempenho

durante a extração.

Esta redução da concentração do extratante le

va, potencialmente, as seguintes vantagens:

(a) menor degradação do solvente: o que é de grande impor

tância na recuperação dos combustíveis de reatores râ

pidos, devido à alta atividade específica que estes a

presentam; além disso, a redução dos produtos de degr£

dação influencia diretamente na regeneração do solven

te, reduzindo a. quantidade de reagentes necessários e

facilitando a descontaminaçio;

(b) redução dos riscos de criticalidade e inflamabilidade;

(c) maior diferença de densidade entre as fases: permite u

ma separação mais rápida das fases (menor tempo de de

cantação) o que é de grande importância para os contac

tores centrífugos;

(d) menor extração dos produtos de fissão: são formados me

nos solvatos dos produtos de fissão com o TBP.

Quando se pretende alterar os parâmetros de

uai dado processo, é necessário que se reunam dados experimen

tais confiáveis antes de se estabelecer um fluxograma comple

to.

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Num processo de extração é imprescindível que

se tenha à mão o maior numero possível de dados de equiH

brio, de modo a verificar a sua viabilidade. A natureza dos

fluxegramas usados em processo, o conhecimento das razoes de

fases nas quais a extração ocorrerá, a decisão sobre a quan

tidade de solvente a empregar, a temperatura de operação e

as informações detalhadas a respeito das concentrações das

soluções por todo o processo, tudo isto dependerá do diagr<*

ma de fases.

O estudo dos elementos rutênio e zircõnio du

rante a extração no sistema TBP 20%-diluente/HNO3/Ü2O ê o ob

jetivo deste trabalho. Ele faz parte de um projeto que vem

sendo desenvolvido pela Divisão de Reprocessamento do Depa£

tamento de Engenharia Química do Instituto de Pesquisas Ener

géticas e Nucleares da Comissão Nacional de Energia Nuclear

de São Paulo (IPEN-CNEN/SP), onde se determina e avalia o de

sempenho do TBP 20%-diluente como agente extrator dos procejs

sos de separação.

A escolha do rutênio e do zircõnio para o es

tudo do processo de descontarainação do combustível gasto com

TBP 20%-diluente, deve-se ao fato destes dois elementos se

rem os mais problemáticos durante â extração, pois provocam

contaminação nas linhas de urânio e de plutônio.

A partir dos dados de equilíbrio do rutênio ,

do zircõnio e do ácido nltrico, colhidos na literatura e

obtidos experimentalmente, serão propostos modelos matemãti^

cos os quais deverão expressar o comportamento de distribui

ção destes elementos durante a extração com o TBP 20% em djL

luente-

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II. CARACTERÍSTICAS NUCLEARES E COMPORTAMENTO QUÍMICO

II.1. Rutênio

Na fissão do urânio com neutrons térmicos há

a formação de dois radioisõtopos do rutênio29:

MEIA-VIDA(t y2) RENDIMENTO DE FISSÃO

103Ru 39,5 dias 2,9%

106Ru 369 dias 0,4%

O rutênio-106, de maior importância devido â

sua meia-vida longa, é somente emissor de partículas beta en

quanto seu descendente, ródio-106, emite radiação gama. Suas

propriedades nucleares podem ser observadas na Tabela Ti.

O rutênio pertence ao grupo da platina e apre

senta uma das maiores séries de estado de Valencia: de 8, em

RuOt,, até zero, nas carbonilas, inexistindo na Valencia I78.

Os principais estados de Valencia e os mais relevantes para

o processo PUREX são o 2+ e o 3+72.

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TABELA II. Características nucleares do 106Ru - 1C6Rh

Energia Beta Energia GamaRadionuclídeo Meia-Vida

(MeV) (MeV)

106Ru 369 dias 0,039 :100 %

106Rh 30,4 s 1,98 : 1,7% 0,512:20,6%

2,41 i 10,5% 0,616 : 0,7%

3,03 : 8,4% 0,622 : 9,9%

3,54 : 78,9% 0,874 : 0,4%

outros: 0,5% 1,050 : 1,5%

1,123 : 0,4%

1,562 : 0,2%

outros: 0,1%

A espécie RuNO3+ (nitrosil-rutênio), forma sob

a qual o rutênio se apresenta nas soluções do processo PUREX,

é de grande estabilidade. A ligação Ru-NO é muito forte e é

difícil o seu rompimento mesmo em condições energéticas de

redução ou substituição72.

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Os ligantes mais comuns para o nitrosil - rutê

nio são: NO^ # N02 , 0H~ e H2O33»66.

Durante a dissolução do combustível nuclear

irradiado com ácido nítricô, o rutênio passa para a solução

na forma de complexos de nitrito e nitrato de nitrosil - rutê

nio, apresentando a fórmula geral RuNOX551*, onde X ê um ou u

ma combinação dos ligantes.

|RuNO(N03)x(N02 ) y(OH)z(H20)5-x.y.

WALLACE79 isolou os complexos áe nitrosil-ru

tênio em meio nltrico por técnicas de troca iônica e compro

vou a existência de tri-, di- e mono-nitratos de nitrosil-ru

tênio obtendo a fórmula:

IRUN0(N0 3) X(H 2O) 5_ X 3"X

POLLOCK & WALLACE61» também admitiram a exis_

tência dos complexos de nitrosil-rutênio em meio-nítrico sob

várias formas em equilíbrio:

RuNO(NO3)3(2H2O) ass* RuNO(NO3)2(OH)(2H2O)

trinitrato dinitrato

11RuNO(NO3)(OH)2(2H2O)

mononitrato

11RuNO(OH)3(2H2O)

trihidrôxido

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Em sua revisão, SICZEK ft STEIKDLER72 indicaram

que AMAVIS e colaboradores estudaram o comportamento físico-

quínico do rutênio. Encontraram as proporções dos vários cora

plexos cm equilíbrio nas soluções de ácido nltricô a 209C pa

ra uma concentração de rutênio de aproximadamente O,1M, como

se vê na Figura 3.

nO

z

I3

• 0

• 0

40

0

o

| \ náo-nitrato

y\ mononitrato\ _- ^/

• • s i

trinitrato _^.—

/

>^ dinitrate

0 2 4 6 8 10 12 M 1«

FIGURA 3 : COMPOSIÇÃO DAS SOLUÇÕES DE COMPLEXOS OE

NITRATO DE NITROSIL- RUTÊNIO EM EQUILÍBRIO

EM ÁCIDO NÍTRICO.

II.1.1. 0 mecanismo de extração com solvente

Apesar dos esforços de muitos pesquisadores

nas últimas décadas, ainda não se conseguiu um completo en

tendimento da extração do rutênio no sistema TBP -diluente/

HNO3/H2O. A incapacidade de se efetuar sua separação do ura

nio e do plutônio se deve à diversidade dos compostos de ru

tenio, do equilíbrio entre eles e da variação da distribui

ção.

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Segundo FLETCHER31, o trinitrato de nitrosil-

rutênio é o complexo iruis extraível pelo TBP, apresentando a

seguinte configuração13'1*1'33'"'81:

NO

H20 IH20

NO,

2H20

SICZEK t MEISENHELOER7 Mostraram que FLETCHER,

MARTIN e HALLABA, estudando a extração do rutênio pelo TBP,

sugeriram a ocorrência de dois mecanismos diferentes:

(1) envolvendo uma coordenação direta do rutênio com o TBP:

NO

NO, NO,

TBP'

TBP

(2) envolvendo a ligação do TBP com o hidrogênio:

TBP.H,

TBP.H

NO.

NO,

Ru

NO,T •*"»

ATBP.H H.TBP

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ou:

ÍTBP.H)3O

NO

NO.

NO

Ru

NO,

NO,

O/ \

TBP.H H.TBP

Pode-se notar, que de acordo com os mecani£

mos propostos, o rutênio pode ser solvatado por duas ou mais

moléculas de TBP. No entanto, o número de solvatação mais £

ceito é 2 6 5, 7 2.

Deste modo, o mecanismo de extração dos nitra

tos de nitrosil-rutênio pode ser representado pelas relações

5«»s

RUNCXNO3) 3(H2O)2+2TBP RuNO(NO3)3(TBP)2 + 2H2O

2H2O + 2TBP ===== 2TBP.H2O

RuNO(NO3)3(H2O)2+4TBP s?=a RuNO(NO3) 3 (TBP) 2 + 2TBP.H2O

Com base nos dados de equilíbrio obtidos expe

rimentalmente, foram desenvolvidas várias expressões materna

ticas para o cálculo da distribuição do rutênio.

EL-GUEBEILY e colaboradores28 estudaram o com

portamento do rutênio durante a extração cem TBP 15 e 60% em

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querosene e chegaram ã seguinte expressão sobre a distribui

ção em função da concentração de TBP livre (TBP não complexa

do) :

log DRu = s0 log TBP + constante

0 coeficiente angular da reta, <s<) igual a 2,

indica que o complexo seria solvatado por duas moléculas de

TBP, conforme conclusão já apresentada por outros pesquisado

Uma outra expressão para o calculo da distri

buição do rutênio leva em conta a concentração de NO3 e de

TBP livre72:

JRu K N03 TBP

onde K e x são constantes, dependendo do tipo de complexos

extraídos e das condições de extração, e b, o número de mole

cuias de TBP no complexo extraído.

ZVYAGINTSEV e colaboradores81 estudando a qui

mica do rutênio chegaram ãs seguintes equações:2

RU

C2 H

(l H +l + Kion ) ( 0' 2l H +

•—,„.

1

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onde:

Ci e C2 = constantes do agente extrator

K» = constante de dissociação do nitrato de

RuNO3+

|TBPj. = concentração do TBP livre

|H I = concentração do ion H

Cada uma destas operações se limitam âs condjL

ções em que foram estudadas por seus pesquisadores. A varie

dade dos dados de distribuição do rutênio torna difícil a a

doção de uma equação geral para o seu cálculo.

II.2. Zircônio

0 zircônio-95 se forma na fissão do urânio

por neutrons térmicos e contribui para a elevada atividade

do combustível nuclear irradiado. Seu rendimento de fissão é

de 6,3%.

O zircônio-95 aparece acompanhado de seu deis

cendente niõbio-95. Ambos apresentam comportamento químico

similar, considerando-se, para efeito de processo, como um ú

nico produto de fissão.

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Na Tabela III estão as características nuclea

res do 95Zr - 9 5Nb 6 1.

TABELA III. Características nucleares do 95Zr - 95Nb

Radionuclideo Meia-Vida Energia Beta Energia Gama(MeV) (MeV)

95Zr 65 dias 0,364 : 54% 0,722 : 43%

0,400 : 43% 0,756 : 54%

95Nb 35 dias 0,160 0,770

O zircônio existente nas soluções de processo

não é proveniente somente da reação de fissão,mas também dos

materiais estruturais, totalizando uma massa de zircônio de

10"3 a IO"2 M 69.

O zircônio apresenta-se no estado de oxidação

4 unido a uma grande variedade de ligantes,em particular,-72

os que possuem oxigênio, como o OH , H2O e NO3

O zircônio é altamente hidrolisãvel formando

polímeros e colôides. Em meio ácido diluído ocorre a polime

rização com grande número de hidroxilas e em meio ãcido con

centrado formam-se complexos de ânions e de cátions extrema

mente variados, dependendo da força dos ânions do ácido, do

átomo do zircônio, do grupo OH~ e das moléculas de água72.

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Em soluções nltricas, o zircônio existe como

uma série de complexos de diferentes graus de nitração e de

hidrõlise. O equilíbrio se estabelece rapidamente fazendo

com que as proporções das espécies variem de acordo com as-59

concentrações de zircônio, de HNO3 e de NO3

ZrtOH),» 1+ Zr(OH)3NO3 ?> Zr (OH) 2 (N03 ) 2

lHNO3Zr(OH) (NO3)3

J HNO32- HNO, - HNO3

Zr(NO3)6 2-Zr(NO3)5< - Zr(NO3).,

Os dois nitratos mais comuns de zircônio são

o nitrato de zirconilo ( Zr O(N03)2«2H2O)e o tetranitrato

de zircônio pentahidratado (Zr (N03)lf.5H2O), este último sen

do encontrado em soluções com alta concentração de ácido ni.

tricô72,7-.

0 zircônio adsorve-se facilmente em sólidos,

o que provoca sérios problenas no processo como o seu acümu

Io nas interfaces e câmaras. Há dificuldades nas operações e

uma diminuição da descontaminaçao do urânio dos outros produ

tos de fiss<~ . devido ã sua capacidade de adsorver,co-piecipi.

tar e ocluir outros elementos36,67/72.

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II.2.1. O mecanismo de extração com solvente

Um dos grandes problemas relativos ã extração

do zircônio é a sua reação com pequenas quantidades de produ

tos de degradação do TBP (principalmente o fosfato de di-bu

tila (DBP)) e do diluente36. Como tal, o zircônio é retido na

fase orgânica, reduzindo o fator de descontaminaçao do pro

cesso e complicando o reciclo do so1 vente.

Muitos trabalhos sobre o mecanismo de extra

ção do zircônio têm apresentado contradições quanto ao nume

ro de moléculas de TBP que solvatam os seus nitratos.

Para EGOROV e colaboradores27, a formação de

mono- e di-solvatos depende da concentraçãode TBP livre.

De acordo com SOLOVKIN72 ,7k, o número de role

cuias de TBP no solvato também depende da concentração de

TBP e varia de 1 a 1,8. Considerou, então, o seguinte ir.eca

nismo de extração:

+ TBP zr^T Zr(NO3)i«. TBP

Em um trabalho posterior, no entanto,SOLOVKIN

75, por uma analise termodinâmica dos dados experimentais ,

mostrou que a extração ocorre com a formação de di - solvatos

na fase orgânica, segundo a reação:

+ (4-i)NO3 + 2TBP Ü • Zr (OH^ (N03) kmmi. 2TBP

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com i < 4 e propôs uma expressão termodinâmica para o cá leu

Io da distribuição:

DZr = (Ea> - aão 3 * (K0 -v- a N O 3 -

M i + K l * V3 • °N0 3 '

onde:

(E )** = concentração ativa do agente extrator

aN03 = |N03|ft . vNO3

vi = coeficiente de atividade

K,° - constantes de extração

M . = frações dos Ions de zircônio relativas ã con

centração do metal na fase aquosa.

MÜRBACK & McVEY58 demonstraram que três mole

cuias de TBP combinavam com um átomo de zircônio.

McKAY3 conclui que a extração do zircônio o

corria de acordo com o seguinte mecanismo:

+ 2TBP - — > ZrtNOa)!, . 2TBP

HADS -íELL & HATCHEN, segundo ADAMSKI1, encontra

ram uma relação entre a distribuição e as concentrações do

lon hidrogênio e do TBP e consideraram o mecanismo:

ZrO2+ + 2H+ + 4NOj + 2TBP ^ = s Zr(NO3K . 2TBP + H20

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ADAMSKI e colaboradores1, utilizando os meca

nismos de extração já propostos, apresentaram a seguinte e

quação para a distribuição do zircônio:

-I - I H I 2 I - I 1 1 5 I 1 2 0D_ = K N03 TBP = K N03 . v TBP . .v *Zr I I I t I I * I I* T /v

onde:

R e K = constantes de equilíbrio aparente e real, re£

pectivamente.

v*# vm» v = coeficientes de atividade do zircônio, do TBP

e do Zr (1403)1,. 2TBP, respectivamente.

SICZEK & MEISEKHELDER71, estudaram a distri.

buição do zircônio extraí vel e não extraí vel em TBP 30% - n-

dodecano e obtiveram a relação:

C0

onde C, e C, são as concentrações do zircônio na fase aquosa

na forma extraível e não extraível, respectivamente, e CQ, a

concentração do zircônio na fase orgânica. Colocaram num grá

fico Co versus C^ [cF = C. + C*) e obtiveram uma reta:

onde a inclinação da reta é o valor da constante de distri.

buição K e a intersecção com o eixo das ordenadas,o valor de

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.25.

Fizeram o mesmo para a fase orgânica e apre

sentaram as seguintes expressões:

Co + Co

T •sendo Co = KC-# Co = Co + Co e substituindo tem-se:

Co = KCA + Co

Do mesmo modo que para a fase aquosa, obtive

ram o'valor de Co pela intersecção com a ordenada e o valor

de X pela inclinação da reta.

Nota-se que o estudo da extração do zircõnio

pelo TBP vem-se realizando ao longo dos anos,no interesse de

se alcançar as melhores condições para a sua separação das

soluções do processo.

II«3. 0 mecanismo de extração do ácido nítricô com TBP

A extração do HNO3 pelo TBP é um fenômeno com

plexo em toda faixa de concentração de ambos. Vários pesqui^

sadores, interpretando os dados de distribuição,são unânimes

em afirmar que o TBP tende a saturar o HNO3 na relação1:1*:

H+ + NO3 + TBP TBP . HNO3

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COLLOPY e colaboradores20, escolheram a cons

tante de equilíbrio (K) para avaliar a relação do HNO3 com o

TBP. Concluíram que os valores de K são linearmente dependen

tes da concentração de TBP de acordo com a equação empírica:

KTBP . HNO3 = 9 8'53|TBP| + 1,07

Vários outros pesquisadores1 f5»1 * »2**» 32'7° es

tudaram a região onde um maior nünero de moléculas do ácido

nltricô se une ao TBP. São formados complexos do tipo TBP

2HNO3, TBP . 3HNO3 e TBP . 4HNO3, hidratados ou não.

Alguns autores20»53 determinaram a constante

de distribuição do HNO3, mostrando, também, uma dependência

linear de acordo com a expressão:

Kd(HNO3)- 0,0017

Visto que a quantidade de água pode diminuir,

aumentar ou permanecer constante com a transferência do ãciL

do nítrico, dependendo da relação TBP-diluente e da natureza

do diluente, a presença da água parece não afetar a reação

do HNO3 com o TBP ou com o TBP . H2O51.

Na verdade, um tratamento matemático dos da

dos da literatura mostrou que o HNO3 reage tanto com o TBP

quanto com o TBP . H2O para formar o solvato TBP . H2O . HNO3

Assim, em baixa acidcz, o processo de extra

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ção é equivalente para ambos51.

Em acidez média, onde a quantidade de H20 é

menor, as espécies hidratadas dão lugar ãs não hidratadas. O

HNO3 pode substituir a água do solvato TBP . H20, aumentando

a fração de TBP . HN03«Daí o aumento da distribuição do HN03

na faixa de 1 a 2M51.

Quando a acidez é elevada, mais HNO3 se dis.

solve na fase orgânica, isto ê, a relação HNO3 : TBP não é

mais 1:1, provavelmente devido ao aumento da natureza polar

do solvente3.

BURNS & HANSON18 estudaram a extração do áci.

do nítrico no sistema TBP 20 e 30% - querosene/H20 e admiti^

ram a formação do solvato TBP . HNO3. Chegaram ã seguinte ex

pressão:

KHCIH+I-n

ondes

KH - constante de equilíbrio

C = concentração total de TBP

H + L = concentração de H na fase aquosa

Concluíram, ainda, que os desvios da equação

nas concentrações mais altas de HNO3 eram devidos a dois fato

rcsj (1) o uso de concentrações ao invés de coeficientes de

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atividade e (2) o fato de que os solvatos de TBP contem mais

do que una molécula de HNO3.

MILES57 estudou a distribuição do HNO3 em ba L

xa concentração, de 0,1 a 0,5M, utilizando os sistemas TBP

20 e 30% - querosene, nas temperaturas de 15, 20, 25 e 309C.

A constante de equilíbrio foi obtida por meio de coeficien

tes de atividade:

CHNO3 ' VraO, • T B P - K|HN°3| - CTBP

onde:

C = concentrações na fase orgânica

y = coeficiente de atividade

Verifica-se que a maioria dos trabalhos admi

tem a formação do solvato HNO3 . TBP. Isto se deve ao fato

de que a sua constante de formação varia de 0,15 a 0,20** » 5»

20,25,38,«»9,70f enquanto as constantes de formação dos solva

tos TBP . 2HNO3 e TBP . 3HNO3 são estimadas em 0,004 e 0,04,

respectivamente1'5.

II.4. O TBP livre

O TBP livre pode ser definido como o TBP que

não foi complexado nem pelo ácido nítrico nem por qualquer £

--. I- N U C! t-*"P3 I

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.29.

lemento presente na solução durante uma extração.

A extração do rutênio e do zircônio depende

da concentração do TBP livre e, portanto,desenvolverara-se a^

gumas expressões para o seu cálculo.

FLETCHER e colaboradores3U»72 calcularam a

concentração de TBP livre pela expressão:

TBPIinicial - I"10'!"

admitindo a formação do solvato TBP . HNO3 na fase orgânica.

ROZEN e MOISEENKO72 obtiveram a relação:

ITBPU - 1 1 inicial

1 + 0,9 HNO3I + 0,004 II.NO3

EGOROV e colaboradores27 derivaram a seguinte

expressão:

K - i^r1"1—1d

+ K2 |H +|* (1 + AV)

Das três equações, a formulada por FLETCHER é

a que encontra uma maior utilização, devido â formação de

maior quantidade do solvato TBP . HNO3 e, principalmente, â

sua forma simplificada.

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.30.

III. REAGENTES. EQUIPAMENTOS. MÉTODOS ANALÍTICOS.

TÉCNICA EXPERIMENTAL

III.1. Reagentes

III.1.1. Soluções de rutênio.

Foram obtidas a partir do cloreto de rutênio

trihidratado: RuC^3 . 3H2O, grau analítico. Procedência:

MATHESON COLEMAN & BELL Manufacturing Chemists,Norwood,Ohio,

U.S.A.

III.1.1.1. Síntese dos complexos do nitrato de nitrosil-ru

tênio

Foram preparados segundo o método descrito por

FLETCHER33:

- preparação do tricloreto de nitrosil-rutênio (RuNOC^j): adjL

çio lenta de quantidade estequiométrica de nitrito de sô

die 3 r.istura de RUCC3 e HCf, em ebulição:

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6NaNO2

.31.

3NO2 + 3H2O + NO

- preparação do sal dissôdico do ácido tetranitrito de nitro

sil-rutênio (Na|RuNO(NO2)^OHI): adição vagarosa de NaNO2

em excesso à solução de RUNOCC3, a 809C e pH = 7, acertado

com NH^OH cone:

RuNOC£3 + 5NaN02 + H20 —* Na2 JRuNO(NO2) i*OHj + 3NaC£ + HNO2

- transformação do Na2 JRUNOINO2) t+OHJ em complexos do nitrato

de Aitrosil-rutênio: adição de HNO3 8M ao sal dissôdico do

ácido correspondente, ã ebulição.

O espectro de absorção da solução, apôs o en

velhecimento de 15 dias, está na Figura 4, onde o pico de

maior absorção ocorre no comprimento de onda de 490nm.

III.1.1.2. Soluções estoque de rutênio

Preparadas conforme o procedimento descrito

no item III.1.1.1.

Solução de Concentração Concentração,. de rutênio de H+

RuNO (M) (M)

1

2

3

0,63

0,55

1,85

0,28

0,30

0,75

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.32.

50 -

40 -

<

5

53

30 -

20 -

10 -

6S0 600 550 500

COMPRIMENTO OE ONDA (nm)

450 400

FIGURA 4 : ESPECTRO DE ABSORÇÃO DOS NITRATOS DE RuNO3*

u 0,63 M ; HNOg > 0,3 M ; cubet* « 1 cm)

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33.

Estas soluções foram usadas na preparação das

demais utilizadas nos experimentos de extração, por diluição

e acerto da concentração de HNO3.

III.1.2. Solução de zircônio

Foram obtidas a partir do oxicloreto de zircô

nio octahidratado: ZrOCÍ^ . 8H2O, grau analítico. Procedên

cia: E'.KERCK, DARMSTADT, Alemanha Ocidentrl.

III.1.2.1. Preparação do hidroxinitrato de zircônio

Dissolveu-se o ZrOC£2 • 8H2O com água destila

da e adicionou-se HNO3 para a transformação em nitrato.

ZrOC£2 . 8H2O+2H2O + 2HNO3 -* Zr (OH) 2 (N03) 2 . 2H2O + 2HC£ + 7H2O

III.1.2.2. Solução estoque de zircônio

Preparada segundo o procedimento descrito no

item III.1-2.1.;

fconcentração de Zr : 0,25M

concentração de H : 0,30M

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III.1.3. Traçadores

III.1.3.1. Traçador 106Ru - 106Rh

Procedência: AMERSHAM-SEARLE Co, ILLINOIS, U.

S.A.; solução sob a forma de nitratos de nitrosil-rutênio en

HNO3 4M, como indicado pelo espectro de absorção da Figura 5.

Solução original com concentração radioativa de 1,51 x 10;

bq/mL. Desta solução preparou-se uma segunda com 64.00C

bq/raL em meio de HNO3 4M. Com alíquotas desta solução marca

ram-se as soluções de nitrato de nitrosil-rutênio.

650 «CO 550 500 450

COMPRIMENTO DE ONDA ( n m )

400

FIGURA 5 : ESPECTRO DE ABSORÇÃO DO TRAÇADOR 1 0 6Ru -

106Rh SOB A FORMA DE NITRATO DE RuNO3!

( |Rul * 64CC0 bq/mL ; HNO, « 4M ; eubeta a 1 cm )

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.35.

III.1.3.2. Traçador 95Zr - 95Nb

Uma lâmina de ZIRCALOY-4 foi fornecida pelo

Departamento de Metalurgia Nuclear do Instituto de Pesquisas

Energéticas e Nucleares da Comissão Nacional de Energia Nu

clear de São Paulo (IPEN-CNEN/SP), apresentando as seguintes

impurezas: 0,2 at%Fe, 0,11 at%Cr, 1,5% Sn, 1.400 ppm 0 e 26

ppm N. Foi irradiada por 135 horas no reator IEA-R1 a um flu

xo médio de neutrons térmicos de IO13 nêutrons/cm2.s. Após um

período de resfriamento de 8 dias, dissolveu-se a lâmina com

H2SOit cone, â quente. Reduziu-se o volume, adicionou - se

HNO3 cone. e completou-se o volume com água destilada. Obte

ve-se uma concentração radioativa de 42.000 bq/ml».

III.1.4. Fase orgânica

Agente extrator: fosfato de tri-n-butila (TBP).

Marca: E.MERCK, DARMSTADT, Alemanha Ocidental.

Diluente: n-dodecano comercial. Procedência:

Alemanha Ocidental. A composição aproximada foi determinada

por cromatografia gasosa (Figura 6):

Cn • 4,94%

Cj 2 : 46,67%

C u : 35,84%

Cm : 12,06%

outres : 0,49"

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.36

FIGURA 6 : CROMATOGRAMA DO n-OOOECANO.

Condições de análise : volume s 1 JJL

temperatura inicial m 80*C

atenuação s 128 x IO"' 0

velocidade s 20 c m / h

coluna s Cr,&MOGS'JRD W tom 3"a OV225

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Obtiveram-se as soluções orgânicas pela dilui

ção do TBP com n-dodecano na relação volumetrica TBP : n-do

decano = 20 : 80, isto é, 20% v/v em TBP.

Estas fora:?, pré-equilibradas com soluções de

HNO3 de concentrações iguais àquelas das fases aquosas dos

experimentos.

III.1.5. Outros reagente5

- Ãcido Nítrico: HNO3, marca Cario Erba, Brasil,grau analíti

co

- Ãcido Sulfürico: HJSOÍ», marca Cario Erba, Brasil, grau ana

litico

- Ãcido Clorídrico: HC£, marca E.Merck, Brasil, grau analxtjL

co

- Nitrito de Sódio: Na>:02, Marca E.Merck, Darmstadt,Alemanha

Ocidental, grau analítico.

III.2. Equipamentos

- Material para obtenção dos nitratos de nitrosil-rutinio:bé

quer de 100 mL, vidro de relógio e bagueta de vidro; aque

cimento obtido por placa agitadora-aquecedora, modelo PC-

357, marca Corning, Brasil.

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.38.

- Extrações realizadas em um conjunto de ,5 funis cilíndricos

com agitação mecânica proporcionada por hastes de agitação

em vidro com pás de Teflon. Motor marca Janke * Kunkel,Al£

manha Ocidental.

- Banho termostatizado, modelo UTE-01, marca Elka, Brasil.

- Balança analítica, modelo H64; marca Mettler, Suiça.

- Tacômetro e cronômetro, marca Jaquet, Suiça.

- Tensiômetro, tipo K8551, marca Krüss, Hamburg,Alemanha Oci_

dental.

- Potenciógrafo, tipo Titroprint, modelo E475, com "dosimat"

E535 e agitador magnético E549, marca Metrohm,Herisau, Sui

ça.

- Densímetro, tipo DMA-02C, marca Paar com impressora, New

port,U.S.A.

- Potenciômetro, modelo E512, marca Metrohm, Herisau, Suíça.

- Espectrofotometro de absorção molecular, modelo 25, marca

Beckman, U.S.A.

- Espectrcmetro de raios-X fluorescentes seqüencial, tipo

SRS-1, marca Siemens, Alemanha Ocidental.

- Sistema de detecção gama constituído de um analisador de

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.39.

4.096 canais, modelo 6.240, com um detector de cintilação

de critais de NaI(T£) de 3", tipo poço,ou com ura detector

de gernânio de alta pureza, modelo GEM 15/80; Ortec Inc. ,

Oak Ridge, U.S.A.

III.3. Métodos Analíticos

III.3.1. Determinação do 95Zr

Tomou-se a área integral correspondente ao

co de 0,756 MeV do 95Zr. Detector: germânio de alta pureza.

II1.3.2. Determinação do 1 0 6Ru

Fez-se a determinação do 106Ru pela medida da

área integral do pico de 0,512 MeV de seu descendente 105Rh .

Detector: cristal de NaI(T£).

III.3.3, Determinação da concentração do zircõnio

Determinou-se a concentração do zircõnio na

solução estoque por espectrometria de raios-X fluorescentes.

A amostra foi diluída com solução de estrôncio, que atua co

mo padrão interno. Para a excitação usou-se um tubo de tungs

tôr.io. Tatc r/.HcxIo permite a determinação do zircõnio até um

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.40,

limite inferior de 0,2 g/L.

III.3.4. Determinação complexométrica do rutênio por espec

trofotometria de absorção molecular.

Fez-se a determinação segundo o procedimento

descrito por AYRES7 e MARSHALL52. Usou-se como complexante

uma solução de tiouréia a 10% m/v. Fez-se a leitura nó espe£

trofotômetro de absorção molecular, no comprimento de onda

de 620 nm. 0 método ê usado na faixa de concentração de 2 a

20 ppm de rutênio.

III.3.5. Determinação da acidez livre

Determinou-se a acidez livre das soluções de

rutênio e de zircônio por titulação com NaOH, após complexa

ção com oxalato de potássio.

III.3.6. Determinação da densidade

Determinou-se a densidade das fases aquosa e

orgânica por densimetria de precisão, segundo o método de£

crito por BROV7N e colaboradores15.

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.41.

III.3.7. Determinação das tensões superficial e interfacial

Fizeram-se as medidas das tensões superficial

pelo método do anel de DU NO'

um tensiômetro equipado com anel de Pt-Ir.

e interfacial pelo método do anel de DU NOUY2»8, utilizando

A tensão superficial é medida em cada fase se

paradamente, enquanto a tensão interfacial é medida na inter

face das duas fases.

0 valor das tensões é lido diretamente no

reino, na unidade de dina/cm.

III. 4. Técnica Experimental

Todos os experimentos foram realizados segun

do um procedimento padrão, que constitui no contacto entre

as fases aquosa e orgânica, com agitação mecânica controlada

por tacômetro, em funis de separação cilíndricos termostati

zados a ±25<?C. Decantadas as fases, ambas foram filtradas so

bre papel de filtro- ..-..,

Na Figura 7 vê-se o arranjo experimental para

os experimentos de extração.

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Banho Tarmostatizatfo

FIGURA 7 : ARRANJO EXPERIMENTAL PARA OS EXPERIMENTOS DE EXTRAÇÃO COM SOLVENTE .

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III.5. Abreviação dos termos utilizados

Os termos usados neste trabalho estão relacio

nados a seguir, com os seus respectivos significados:

F.A. = fase aquosa

F.O. - fase orgânica

| H L = concentração de HNO3 na F.A. de alimentação (M)

|RU|- = concentração de rutênio na F.A. de alimentação (M)

zrl- = concentração de zircônio na F.A. de alimentação(M)

JHI = concentração de HNO3 na F.A. (M)

JMI = concentração de rutênio ou de zircônio na F.A. (M)

|H|° = concentração de HNO3 na F.O. (M)

|M|° = concentração de rutênio ou de zircônio na F.O. (M)

Na = concentração de íons nitrato (NO^) na F.A. (M)

JTBPL = concentração inicial de TBP (M)

JTBPl» = concentração de TBP livre (M)

R° = relação volumétrica entre a F.O. e a F.A.

T = temperatura (9C)

tc s tempo de contacto entre as fases (min)

td s tempo de decantação após o contacto (min)

v s velocidade de agitação (rpm)

Og = densidade da F.A. (g/cm3)

oP = densidade da F.O. (g/cm3)

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,44,

<JS = tensão superficial da F.A. (dina/cm)

o

o = tensão superficial da F.O. (dina/cm)

o. ~ tensão interfacial (dina/cra)

D H = distribuição do HNO3

D R u = distribuição do rutinio

D,r = distribuição do zircônio

KH * constante aparente de equilíbrio do HNO3

KR = constante aparente de equilíbrio do rutênio

K 2 r = constante aparente de equilíbrio do zircõnio

III.5.1. O tratamento matemático dos dados experimentais

A distribuição de um soluto entre dois líqui_

dos é um processo de separação que encontra aplicações impor

tantes, tanto em escala de laboratório quanto em escala in

dustrial. Consiste na separação de uma substância (soluto) en

tre duas fases, de pequena solubilidade mútua,de uma maneira

definida,

Em 1892, BERTKELOT e JUNGFLEISCH postularam a

"Lei de Distribuição", a qual foi posteriormente comprovada

por NERKST, em 1891.

Sabendo-se que, na prática, o importante é co

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.45.

nhecer a fração total do soluto em cada uma das fases, sem

considerar a dissociação, associação ou interação com outras

espécies dissolvidas, definiu-se a grandeza distribuição (D)

do soluto:

concentração total do soluto na F.O.D = 1

concentração total do soluto na F.A.

Os termos coeficiente de extração,coeficiente

de distribuição ou razão de distribuição também são usados

no lugar âe D1*3.

Estes dados de distribuição são obtidos com o

objetivo de se prever o comportamento de extração de um ele

mento durante um processo. Os experimentos são, geralmente,

realizados em batelada, simulando as condições do processo

real.

A partir destes dados prccura-se extrair o má

ximo de informações, as quais serão utilizadas no aperfeiçoa

mento de um processo de separação. Com base na interpretação

das medidas experimentais tomam-se decisões criticas, das

quais dependerão todo um processo.

A representação de dados experimentais por

meio de equações algêbricas ê uma necessidade prática na en

genharia. Estas equações devem representar, verdadeiramente,

os dados e serem simples na forma.

Devido aos métodos estatísticos utilizados na

determinação de expressões matemáticas2 **, o número de dados

deve <;er relaUivaiiicntc elevado. A validado de um dndo de dis

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.46.

tribuição sõ ê assegurada se este puder ser reproduzido, des

de que, nas mesmas condições.

Após a visualização dos diagramas de equilí

brio e de uma analise teórica, sugere-se, então,uma forma pa

ra as equações, sendo necessário avaliar algumas constantes.

Portanto, conclui-se que a significância das

conclusões baseadas nos resultados numéricos é determinada

pela confiabilidade dos dados e dos métodos pelos quais as e

quações foram obtidas.

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IV. DADOS EXPERIMENTAIS

Com a finalidade de simular as condições

reais de extração do rutinio, do zircõnio e do ácido nítrico

no sistema TBP 20% - n-dodecano/HN03/H20, estudou-se a varia

ção da distribuição destes em função da acidez na fase aquo

sa. Mantiveram-se constantes a temperatura, a velocidade de

agitação, a relação de fases e a composição da fase orgânica,

para que os dados apresentassem uma boa reprodutibilidade.

Pela observação dos diagramas de equilíbrio

pode-se, então, determinar as melhores condições para a de£

contaminação do urânio dos elementos rutênio e zircõnio nas

soluções de processo.

Devido â baixa concentração dos elementos em

estudo nas soluções, enipregou-se a técnica do traçador. Esta

consiste na marcação das- soluções com um traçador radioativo

de mesmas propriedades químicas que o elemento estável.

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IV. 1. Determinação do tempo de equilíbrio para a extração

do nitrato de nitrosil-rutênio e do hidroxinitrato de

zircônio com TBP 20% - n-dodecano.

Determinou-se a distribuição do zircônio e do

rutênio en função do tempo de contacto entre as fases.

Utilizou-se uma solução de nitrato de nitro

sil-rutênio, cem concentração de rutênio igual a 4 x 10" M e

acidez livre de 3M e uma solução de hidroxinitrato de zireô

nio, com concentração de 3 x 10~ M em zircônio e acidez li

vre 3M.

Realizaram-se os experimentos â temperatura

de 259C, velocidade de agitação de 1.500 rpm, relação de fa

ses unitária e uma fase orgânica contendo TBP 20% - n-dodeca

no. Variou-se o tempo de contacto entre as fases de 1 a 20

minutos.

Observou-se que em a~bos casos (figuras 8 e

9) o equilíbrio se estabeleceu logo nos primeiros minutos.

Desta forna, os demais experimentos realizaram-se com um tem

po de agitação de 5 minutos e de decantação de 15 minutos.

IV.2. Estudo da influência do tempo de envelhecimento da sg

lução de nitrato do nitrosil - rutênio na extração com

TBP 20^ - n-dodecano.

Pitrtindo-sc dn solução estoque de nitrato de

r;i<.ror.j l-ruiT-ni o n9 3, prcpnrnr.m-nc as demais utilizadas

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0.05 h

'Zr

10 15TEMPO DE CONTACTO (min)

FIGURA 8 : TEMPO DE EQUILÍBRIO NA EXTRAÇÃO DO HiDROXINITRATO DE

ZIRCÔNIO COM TBP 20X - TI -DODECANO.

•3 n 'iRul. = 3x10 M; |HI. s 3M; R ° S 1 ; Ts25cC; v s 1500 rpm.

'Ru

0,02

0.01

0

i 1

-

u

i

-

n

-

i

10 15TEMPO OE CONTACTO (min)

20

FIGURA 9 : TEMPO DE EQUILÍBRIO NA EXTRAÇÃO DOS NITRATOS DE

. 3 *Ru NO* COM T B P 2 0 % - Ti - DODECANO.

I B U | A S 4 * 1 0 Mj |HIA»3M: R * = 1 ; T m 25°Cj v a 1500 rpm.

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neste experimento, com concentração de rutênio igual a

3,7 x 10~3M e acidez livre 3M.

Fez-se a primeira extração 6 horas apôs a pre

paração da solução estoque e a última apôs 406 heras, perfa

zendo-se um total de 17 dias de envelhecimento.

A Figura 10 mostra que nas primeiras horas a

distribuição do rutênio manteve-se baixa, mas sempre com va

lores crescentes. Aproximadamente após 10 dias de envelheci

men to, a distribuição tornou-se constante, mostrando que o e_. 3+

quilíbrio entre as diversas espécies de RuNO não se estabe_

lece instantaneamente.

Nos demais experimentos, todas as soluções de

rutênio empregadas tiveram um envelhecimento de, no mínimo,

15 dias.

IV.3. Diagrama de equilíbrio do nitrato de nitrosil-rutênio

_2

Variou-se a concentração de rutênio de 10 a

10~ M e a acidez de 0,05 a 5M.

Pelo diagrama <?<» equilíbrio (Figura 11) pode-

-se observar um máximo de distribuição em HNO3 1M, indicando

que neste ponto ocorre a formação do solvato RUNCXNO3) 3 .2TBP.

Pela Figura 12 nota - se que para o intervalo

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. 5 1 .

'Bu

0.010

0,005

0

o/

1

1 -• I

/--—°/o

7

1 •

. . . . ,

o

— I

1

o

100 200 300

TEMPO DE ENVELHECIMENTO (horas)

4 0 0

FIGURA 1 0 : INFLUÊNCIA DO TEMPO DE ENVELHECIMENTO DA SOLUÇÃO

DE NITRATO DE RüNO3* NA EXTRAÇÃO COM TBP 2 0 * -

T1-D0DECAN0.

3,7 X 10"3 M ! s 3M; l c sSmi0 ( (ds ÍSm\n;R°xi , Ts 2 5 t : v«1500rpm

•" • r T*:.O" •<'' '•'• u

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. 5 2 .

5z1o

K

IU

o

Ul

oS

10"

10

IO

1010 10 10"

CONCENTRAÇÃO DE RUTÊNIO NA FASE AOU0SA (M)

FIGURA 11 : DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DA EXTRAÇÃO DO RUTÊNIO

COM TBP 2 0 \ - -n - DODECANO.

t ç s 5 min; t^ = 15 min ; R - 1 ; T s 2S°C ; v s 1500 rpm .

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.53.

0,04

0,03

Ru

0,02

0,01

= M

• - 4,0 x 10"2

O - 4,0 X 10~3

D - 4,0 X 10"4

A - 4,0 x 10~5

1 2 3 4 5

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDO NITRICO NA FASE AQUOSA

FIGURA 12 : DISTRIBUIÇÃO DO RUTÊNIO NO SISTEMA DE

TBP 20% - TI - DODECANO / H N O 3 / H 2 O .

l e *5»nln; t^* 15 min; R° • 15 T » 25°Cj v * 1500 rpm.

EXTRAÇÃO

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de concentração do rutênio estudado,esta é pouco significati

va na distribuição, principalmente ã concentrações mais ai

tas de HNO3. A distribuição aumenta ligeiramente à medida

que a concentração de rutênio diminui.

IV. 4. Diagrama de equilíbrio do hidroxini trato de zircõnio

Estudou-se a distribuição do hidroxinitrato

de zircõnio na faixa de concentração de zircõnio de 10~

a 10~'*M e acidez livre variando de 0,05 a 5M.

Pelo diagrama de equilíbrio (Figura 13) verifjL

ca-se que o aumento da concentração de HNO3 na fase aquosa

de alimentação provoca um aumento da distribuição do zircô

nio.

0 diagrama da distribuição do zircõnio em fun

ção da sua concentração na fase aquosa (Figura 14) mostra que

o aumento da concentração de zircõnio leva a uma diminuição

da sua distribuição.

IV.5. Diagrama de equilíbrio do ãcido nítricô

Após a extração do rutênio e do zircõnio, to

mou-se cada uma das fases e determinou-se a acidez livre.

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.55,

10 - 1

~ 10"s

ç>

• <oKoUJWft

•OOKNUlO

túO

10-3 -

10,-4 -

10"

10"10 10-3 10-2 10-1

CONCENTRAÇÃO DE ZIBCÔNIO NA FASE AOUOSA (M)

FIGURA 13: DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DA EXTRAÇÃO DO ZIRCONIO

COM TBP 2O°i- T1-DODECANO.

tç= 5min: t^s 15 min; R° = 1 : T»25°C; wt 1500rpm.

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.56,0.30

0,25 •

0.20

Zt0.15

0.10

0,05

"IGURA14: JNFLUÜWCIA DA CONCENTRAÇÃO DE ZIRCÓNIO NA EXTRAÇÃO DO

Z r ( O H ) (NO ) .2H 0 COM TBP20W1-D0DECAN0.2 3 2 2

•c s Smin; 1^ a 15 min; R s 1 ; T s 75*C; v = 1500 iptn .

I • j r. . . - . .-. i : • ] !_i;;i r •• • • 'J

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Verifica-se que o comportamento de extração

do HNO3 apresenta uma semelhança nos dois sistemas estudados

(Figuras 15 e 16). Há um aumento da distribuição cem o aumen

to da acidez sem demonstrar dependência em relação â concen

tração dos elementos rutênio e zircônio.

A distribuição do ácido nxtricô, portanto, é

mais função da acidez do meio, independendo da existência de

rutênio ou de zircônio na solução, devido â baixa concentra

ção destes elementos utilizada nos experimentos.

IV. 6. Densidade das fases aquosa e orgânica após a extração

do rutênio e do zircônio

Devido as baixas concentrações dos elementos

rutênio e zircénio utilizadas nos experimentos, verificou-se

que a densidade apresenta uma maior dependência da concentra

ção de ácido nítrioo. As Figuras 17 e 19 mostram que a densjl

dade da fase orgânica independe da concentração dos elemeri

tos em estudo. Já para a fase aquosa (Figuras 18 e 20)verifi

ca-se que quanto maior a concentração do rutênio ou do zireô

nio, maior a densidade.

Portanto, pode-se observar que a diminuição da

concentração de TBP aumenta a diferença de densidade entre

as fases; o TBP, que apresenta uma densidade de 0,973 g/cm3,

muito próxima â da água, apôs a diluição a 20% v/v em dilueri

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. 5 8 .

<

0o

oo

c10,-2

n-3

O - 4,0 «IO"2

O - 4.0 xIO"3

D - 4,0» IO"4

A - 4,0xiO"5

IQQ10- 2 10*1 1

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDO NÍTRICO NA FASE AOUOSA (M)

10

15:DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DA EXTRAÇÃO DO ÁCIDO NÍTRICO COM

TBP 20*-TI-DODECAMO EM PRESENÇA DE NITRATOS DE NITROSIL-

RUTÊNIO.

tds15min; R*s1 ; T = 25°C; VS1500 rpm.

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.59.

so

8

O

0Kl>

e

10*

10-2

10"1 0 - 2 1 0 " 1 1

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIOO NÍTRICO NA FASE AQUOSA ( M )

16: DIAGRAMA DE EQUILÍBRIO DA EXTRAÇÃO DO ÁCIDO NÍTRICO COM

TBP 20%--n-DODECAKO EM PRESENÇA DE Zr(0H)2(N03)2 .2H20.

t c * 5 min ; td s 1S min j " a * 1 i T * 25OC j " * 1S00 rpm.

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nE

0,80 -

0,78

1 1|RulA = M

O - 4.0 x IO"2

O - 4.0x10*3

a - 4.0x10"*A - 4 . 0 x 1 0 " 5

i i

1

i

1 1

1

0,2 0,4 0,6

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDO NITRICO NA FASE ORGÂNICA (M)

FIGURA 17: DENSIDADE DA FASE ORGÂNICA APÓS A EXTRAÇÃO DO RUTÊNIO.

CONDIÇÕES DE EXTRAÇÃO : t c = 5 min ; td s 15 min ; R® = 1 ; T a 25°C ; v «150O rpm.

1 .

"E

o1,100 -

0,9750 1 2 3 4 5

CONCENTRAÇÃO OE ÁCIDO NITRICO NA FASE AOUOSA CM)

FIGURA 18: DENSIDADE DA FASE AQUOSA APÓS A EXTRAÇÃO DO RUTÊNIO

COIíUlÇüíS DE EXTH/.ÇÃO i l ( = 5 min ; \ f 15 min ( R° s 1 ; T s 2S°C : » «1500

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. 6 1 ,

0.80 -

0.78

— 1 1—

iZf l^s M

O - 3,0 x IO"1

O - 3,0 x 10*2

O - 3,0 X IO"3

A -3.OX1O"4

1 1

1 •

^ ^

1 1 1

-

1 1

0,2 0,4 0,6

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDO NÍTRICO NA FASE ORGÂNICA ( M )

! FIGURA 19:DENSIDADE DA FASE ORGÂNICA APÓS A EXTRAÇÃO DO ZIRCÔNIO

CONDIÇÕES DE EXTRAÇÃO : tc c 5 min ; »d = 15 min ; R* s 1 . T s 25"C ; v s 1500 r p m .

1.225

n

Ko

mOu

1.100

0.975

l Z r l A s M

1 2 3 4 5

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDO NÍTRICO NA FASE AQUOSA CM)

F|GURA 20:0EMSIDADE DA FASE AQUOSA APÓS A EXTRAÇÃO DO ZIRCÓNiO

Cüf;r,:çc.3 t)E F.XTRACÃO : t s 5 min : X,. 2 15 min j R° « 1 ! T s 258C ; v s 1500rp"1.e u a

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te atinge una densidade de aproximadamente 0,80 g/cm3, o que

proporciona uma separação mais rápida das fases.

A densidade é, também, um parâmetro importan

te no diitíensionamento das tubulações de processo.

IV.7. Tensões superficial e interfacial apôs a extração do

rutênio e do zircõnio

A determinação das tensões superficial e in

terfacial fornecem informações sobre o comportamento dos sol

vatos na fronteira entre as fases.

Após a extração do rutênio e do zircõnio, de

terminou-se as tensões superficial e interfacial.

A tensão superficial da fase orgânica nãc a

presenta alterações com a variação das concentrações de KNO3,

de rutenio e de zircõnio (Figuras 21 e 23) .

No entanto, tanto em presença de zircõnio

quanto de rutênio, a tensão superficial da fase aquosa aumen

ta rapidamente com o aumento da acidez, mostrando a formação

de substâncias menos ativas superficialmente. Nota-se,ainda,

que quanto maior a concentração do zircõnio ou do rutênio,me

nor a tensão superficial ("Figuras 22 e 24) .

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29

; 27

25

23

lRulA

TM

,-2e - 4,0x10O - 4,0 x 10*3

D - 4,0 XIO*4

A - 4,0 X10'5

10- 2 10 - 1

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDO NÍVRICO NA FASE ORGÂNICA CM)

21:TENSÃO SUPERFICIAL DA FASE ORGÂNICA APÔS A EXTRAÇÃO DO RUTÊ-

N IO COM TBP 2 0 % - T I - D O D E C A N O .

Condições de extração : t = 5 min ; t = 15 min ; R° = 1 ; T = 25°C ; v s 1500 rpm.

42 -

38 -

»4

1 1

i

1

© o

• <

|RolA a M

4,0 X 10"2

4,0 x 10"3

4,0 x 10"4

4,0 x 10"5

1

/

Á/a

//ft '

0,1 1

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDO NÍTRICO NA FASE AOUOSA (M)

ÍJ«22;TENSÃO SUf Mr.FICIAL DA FASE AQUO5A APCS A EXTRAÇÃO DO RUTÊ-

NIO COM TBf 2Qf, - n - DODECANO.

10

;-; ., ti., = ?íi"C ; v = 15f'O rpm .

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.64

30 -

c

O nb

26

1

IZr| = M

O - 3,0 x 10*1

O - 3,0 x 10"2

D - 3,0 x 10*3

A - 3.0X10*4

•& •

1

1

~ • t>g—ri. a—•

_o —r^sa

-

2410"2 10** 1

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDO NÍTRICO NA FASE ORGÂNICA CM)

I3JRA 23- TENSÃO SUPERFICIAL DA FASE ORGÂNICA APÔS A EXTRAÇÃO DO ZIRCÓ-

NIO COM TBP 2056-Tí-DODECANO .

Condições de entraçio : tfi= 5 min ; 1^ s 15 min ; R° = 1 j T s 25°C ; v • 1500 rpm.

42

38

34

!ZtlA= M

O - 3,0 x 10"1

O - 3,0 x 1O*2

• - 3,0 X10*3

_L0,1 1 *°

CONCENTRAÇÃO D E ÁCIOO IJÍTRICO NA TASE ACUOSA ( M )

24: TENSÃO SUPERFICIAL DA FASE AQUOSA APÓS A EXTRAÇÃO DO ZIRCÔ-

NIO COM TBP 20%- n-DODECANO.

t-.rio.-.CíS '* (>.lr.i;.i<j : !_-_ 5 IIMII ; I . , - 1f. nun ; l!° - 1 : T : ?0"C ; v = 1COO i p m .

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Verifica-se que todas as curvas obtidas para

a tensão interfacial em função da acidez na fase aquosa apre

sentam um mínimo, tanto para o rutênio (Figura 25) como para

o zircônio (Figura 26). Isto indica a formação de um comple

xo de alta atividade interfacial

No caso do zircônio, ã medida que a acidez aij

menta, a tensão interfacial aumenta, devido ã formação do

solvato HNO3 . TBP, que exibe uma baixa atividade interfacial

Para o rutênio, a diminuição da tensão inter

facial apôs aproximadamente HKO3 2M, mostra que os solvatos

apresentam uma atividade interfacial alta.

.J

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. 66

25

20

unc

15

10

|Rul . = MA

_L

0,1 1

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDO NÍTRICO HA FASE AOUOSA ( M )

10

«URA 25:TENSÃO INTERFACIAL APÓS A EXTRAÇÃO DO RüTÉNIO COM T B P 2 O " . -

T1-D0DECAN0.

Condiçóe» de extração : t c » 5 min ; ttf a 15 min ; R* s 1 ; T = 25°C ; v s 1500 rpm .

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.67,

25

20

15

10

• - 3,0 x 10

M

-1

O - 3.0 X 10

D - 3.0 x 10

A - 3,0 x 10"

-2-3

0,1 1

CONCENTRAÇÃO DE ÁCIDO NÍTRICO NA FASE AOUOSA

10

28'.TENSÃO INTERFACIAL APÓS A EXTRAÇÃO 0 0 ZIRCÔNIO COM TBP 20?i-

Tí - DOOECANO.

Condições de extração: tc» 5min ; i s 15 min; Ra

= 1 : T s 25°C ; v s 1500 rpm.

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.68.

V. MODELO MATEMÁTICO

Nos últimos anos, o uso de programas de compu

tação para simular um processo tem assumido um lugar de de£

taque. Por meio de modelos matemáticos que representam o com

portamento de um determinado processo, os computadores são a

limentados com dados e fornecem uma resposta rápida sobre as

condições de operação.

Portanto, com o objetivo de se obter informa

ções antecipadas sobrp o comportamento de extraçio dos ele

mentes aqui estudados, serio propostos modelos . matemáticos

para o calculo da distribuição, baseados nos dados de equilí

brio obtidos experimentalmente neste trabalho e nos dados da

literatura.

V.1. A Regressão

O ajuste de dados experimentais a uma função

especificada é denominada regressão26. Obtem-se,desta forma,

modelos que descrevem matematicamente o comportamento dostes

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.69.

dados.

Neste trabalho, serão considerados ajustes do

tipo:

- a0 (D

utilizando o método dos mínimos quadrados, onde a0 e a^ são

parâmetros, c^ os resíduos, x^ os suportes e y^ os valores

observados19 * 2 3.

O ajuste pelo método dos mínimos quadrados

consiste em escolher a0 e a\ de maneira que a soma dos qua

arados dos desvios entre os valores observados y* e os valo

res ajustados por ag e ai x^ seja mínima:

Q(ao, £ - (a0 (2)

Apôs a derivação desta equação e alguns desen

volvimentos matemáticos chega-se às chamadas Equações No£

mais:

n nnâ0

(3)x± y±

Estas podem ser simplificadas notacionalmente

para o cálculo de Sg e ã\:

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70.

= Y - Si x (4)

«I "

n . -,I (x. -x) - (y. -y)L=l •nZ. (X, - X ) 2

Assim, os valores ajustados são dados por:

y\ = â0 + âix^ = y + âi (xí -x) (6)

e os desvios, ou resíduos, por:

êi = y± - y± (7)

O método dos mínimos quadrados, na forma apre

sentada, destina-se aos modelos lineares. Apesar dos modelos

propostos neste trabalho não serem lineares, pode-se dizer

que são "intrinsecamente lineares"26, pois por meio de trans

formações adequadas das variáveis, podem ser expressos por

modelos lineares. Por exemplo, um r.odelo exponencial:

Bl X l . e (8)

ao se aplicar o logarítmo natural, chega-se â seguinte for

ma linearizada:

ZnY = 6o + Bi

A adequação do ajuytc é verificada pela anãli

ao do variância da regrcssíío.

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.71

Partindo-se da seguinte identidade:

y± - yA = y± - y - (y - 5>

e elevando-se ao quadrado, chega-se ã expressão:

<yt - y)2 + i

O membro da esquerda ê a SOMA DE QUADRADOS TO

TAL. A primeira somatória do membro direito ê a SOMA DE QUA

DRADOS DEVIDA A REGRESSÃO e a segunda, A SOMA DE QUADRADOS

RESIDUAL. A razão entre estes dois é chamada COEFICIENTE DE

CORRELAÇÃO MÚLTIPLA, R2. 0 seu valor está sempre entre zero

e um e o ajuste i considerado bom quando R2 for próximo a um.

Alem de R2, a análise de variância fornece os

testes de hipótese t e F. 0 primeiro possibilita verificar

se o suporte deve ou não ser incluído no modelo. 0 outro ana

lisa a validade do modelo como um todo, isto é, verifica a

significância da regressão.

Em qualquer ajuste é imprescindível analisar

os resíduos. No caso específico da regressão, hã uma tendên

cia de muitos pesquisadores se limitarem a uma verificação

do valor de R2 e de alguns testes de hipótese baseados na a

nálise de variância. Esta prática é muito perigosa, pois um

ajuste só será satisfatório quando todos os parâmetros obser

vados forem igualmente bons.

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.72.

A saber, o gráfico de resíduos contra um su

porte x. indicará um bom ajuste quando este não apresentar

nenhuma estrutura, isto é, os resíduos devem estar bem diss

tribuídos, sem demonstrar qualquer tendência, seja uma curva

ou uma reta.

Utilizou-se nos trabalhos de regressão, o pro

grama SAS (Statistical Analysis System) instalado no computa

dor IBM/377 modelo 155 do Departamento de Processamento de

Dados do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares da

Comissão Nacional de Energia Nuclear de São Paulo, com a se

guinte seqüência de operação:

(1) forneceu-se ao computador os dados de equil L

brio e o modelo que se submeterão ã regressão;

(2) como resposta, obteve-se o valor dos parâme

tros ajustados, uma tabela de análise de va

riância e os gráficos de resíduos;

(3) com base na resposta, modificou-se o modelo

e retirou-se os pontos aberrantes ("outliers")

até se obter o melhor ajuste.

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.73.

Na apresentação dos resultados do ajuste de

cada modelo matemático haverá uma tabela com os seguintes da

dos: parâmetro estimado, teste t, teste F,. o resultado das

comparações com os valores críticos (t',F') e R2.

Estes, juntamente com os gráficos de resíduos,

permitirão uma avaliação dos modelos propostos.

V.2. Seleção dos dados de literatura

A fim de tornar os "todelos matemáticos cs mais

abrangentes possíveis, colheram-se dados da literatura so

bre a distribuição do HNO3, do rutênio e do zircônio.

Foram os seguintes os critérios de seleção:

- a fase orgânica deveria ser constituída pelo TBP 20% em

diluente;

- nenhum agente salificador deveria estar presente na fase

aquosa, a não ser o ácido nítricô;

- os elementos deveriam estar exclusivamente sob a forma

de nitratos.

Não se fez restrições quanto â temperatura,

mas, pnra a regressão, foram aproveitados Fomente os que «i

prosor:I .-.r.-.'.i t.< poj.^turn ele 259C, p;ira que fopsom incorpora

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.74.

dos aos dados experimentais.

Também, foram utilizados somente os dados de

distribuição do rutênio total, isto ê, quando todas as for

mas, tri-, di- e mono-nitrato, estivessem em equilíbrio na

solução aquosa.

V.3. Organização da tabela dos dados de equilíbrio

Organizou-se a tabela baseando-se nos traba

lhos de PETP.ICH e KOLARIK62»63, com auxílio do programa SAS.

A tabela constante no Anexo 1 foi construída

da seguinte maneira:

1. o- «ados foram separados, inicialmente, por ordem crejs

cente Ce concentração do ácido nítrico na fase aquosa

de equilíbrio;

2. dentro de cada grupo de mesma concentração de ácido ní

tricô, os dados foram reordenaáos de acordo com a con

centração crescente de rutênio e de zircônio;

3. finalmente/ foram ordenados segundo uma ordem crescente

de temperatura.

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.75.

Os títulos acima das colunas representam:

REF = origem dos dados, isto S, a referência bibliográfica

de onde foram retirados (Anexo 2)

Cada referência e composta de 4 dígitos, os

quais possuem os seguintes significados:

19 dígito: código «2o pais onde o dado foi obtido.São

eles:

1. U.S.A.

2. Grã-Bretanha

3. França

4. URSS

5. Brasil

6. Outros

29 dígito: indica a maneira de apresentação do dado.

0-3 : valor original

4-6 : de gráfico, estimando uma fase

7-9 : de tabela, estimando uma fase

R'JA = concentração de rutênio na fase aquosa de equilíbrio

(M) ;

ZRA s* concentração do zircônio na fare aquosa de equiljí

brio (M);

HA = concentração de HNO3 na fase aquosa de equilíbrio

(M);

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.76.

DRU = distribuição do rutênio;

DZR = distribuição do zircõnio;

DH = distribuição do ácido nltrico;

T - temperatura (<?C) .

Os pontos que aparecem nas colunas indicam a

inexistência de dados.

Os dados que foram utilizados na regressão e£

tão indicados com um asterisco logo acima da referência bi

bliográfica.

V.4. A constante aparente de equilíbrio

De posse de todos os dados experimentais e da

literatura, partiu-se para a obtenção dos modelos matemãti

COS.

0 ponto de partida deste estudo é a determina

ção da constante aparente de equilíbrio (ÍL) a qual snoloba

as variáveis pesquisadas9'60.

Generalizando, a reação de equilíbrio para a

extração do ácido nítrico do zircônio e do rutênio, pode ser

escrita de. seguinte formi:

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.77.

KEx(NO3)a + y(TBP)

0 ^=±: (E(NO3)x (TBP)y)Q

onde E= representa um dos três elementos, H, Zr ou Ru, na fa

se aquosa, x 5 o número de íons nitrato e y o número de nolé

cuias de TBP que solvatam o complexo.

Para esta reação tem-se a seguinte relação de

equilíbrio:

|E(N07) (TBP) 1°K_. = J x n (12)

I I I —Ix I IyE , NO 3L TBP .

l i a i I a I I C

onde os colchetes representam as concentrações em mo£/L.

Sendo a distribuição (DE) a razão entre a con

centração do elemento na fase orgânica e a sua concentração

na fase aquosa:

D,, =0

E(NO3) (TBP) I (13)A y 1Ela

e substituindo na equação 12, tem-se:

Finalmente, a distribuição pode ser escrita

como:

DC = K E ' N

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.78.

V.4.1. Cálculo da concentração de TBP livre

A concentração de TBP inicial foi calculada

pela expressão18:

TBP. %v/v . 10

266,3(16)

onde:

0,973 = densidade do TBP (g/cm3)

% v/v = percentagem de TBP, em volume

266,3 = massa molecular do TBP

Segundo FLETCHER31*/72, a concentração de TBP

livre pode ser calculada pela expressão:

TBP TBP H (17)

Esta, na forma em que se encontra, destina-se

ao cálculo do TBP livre em soluções onde hã somente o ácido

nltrico para ser solvatado.

No entanto, considerando-se a presença de ou

tros elementos, deve-se acrescentar outro termo ã esta ex

pressão:

TBP TCP i - y M0- H (18)

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.79.

onde:

M = zircônio ou rutênio

y = número de moléculas de TBP que solvatam o comple

xo, geralmente 2 1' 3' 5 3' 6 3' & 9' 7 l '73 .

V.4.2. Cálculo da concentração de Ions nitrato

Calcula-se a concentração de íons nitrato

(N&) segundo a expressão:

Na =

Desta forma, considera-se os Ions nitrato li

gados ao Ion H e ao elemento em estudo,rutênio ou zircônio.

Para o zircônio, devido â formação do hidroxinitrato de zir

cônio, x vale 2 e para o rutênio, admitindo-se que o corn

plexo mais extraído é o trinitrato de nitrosil-rutênio, x é

igual a 3.

Novamente, quando nenhum destes dois elemeri

tos está presente, o segundo termo do membro direito da ex

pressão é nulo, e, portanto:

= |H|a (20)

I - • :

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.80,

V.5. Resultados

Apôs a observação dos dados experimentais e

dos dados da literatura, chegou-se as conclusões necessárias

â obtenção dos modelos matemáticos:

(1) a distribuição do zircônio depende tanto da concentra

ção de Ions nitrato quanto da sua própria concentração

(Figura 27); sendo assim, estas duas variáveis serão

incluídas no modelo;

(2) a distribuição do rutênio mostra uma maior dependência

da concentração de íons nitrato; a Figura 28 mostra

que entre 0 e 1 M ocorre uma maior distribuição;

(3) da mesma forma, a distribuição do HNO3 depende somente

da concentração de íons nitrato, mesmo em presença de

rutênio ou de zircônio (Figura 29).

Baseando-se nestas informações, estudou-se a

constante aparente de equilíbrio (KE) em função da concentra

ção de íons nitrato.

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.81.

0.3

O.2 -

'Zr

O.1

1 1

IZrl^S M

3 U -3,0 x 10*1

| : - -3.0 x IO*2

5 1 -3.0 x IO"3

g ^C-3.0 X10'4

„ ffc-6.0 x 10'3

I .B-1.2 X1O*3e

-

4-90 x 1O*4

O -1.0 X1Ó'6

I

-IA /

/ s/

i •

/

A /

/ A

O / J

/ / "

/ / / /

/ J3 4

N . (M)

FIGURA 2 7 : INFLUÊNCIA DAS CONCENTRAÇÕES DE ZIRCÔNIO E DE ÍONS

NITRATO NA DISTRIBUIÇÃO 0 0 Zr (OH)2(NO3)2-2H20 EM

TBP 20 X - DILUENTE/HNO3/H2O.

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. 8 2 .

0,05

0,04

0,03

0.02

0,01

lRulA = M

2 • -4,0 x 10O-4,0 X 10

-2-3

o . • -4,0 X IO"4

a A -4 ,0 X 10 ' 5

2 <

O - 1 0O-ioT -10"H - IO"

-1.2

«-5

N,(M)

FIGURA 2 8 : INFLUÊNCIA DA CONCENTRAÇÃO DE ÍOWS NITRATO NA DISTRI-

BUIÇÃO DOS NITRATOS DE RuNO3* EM TBP 20 K- DILUENTE.

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.83.

0,15

0,10

0,05

0 0

00

°0

• ° oo

• • O

O - experimental

e - literatura

FIGURA 29 : INFLUENCIA DA CONCENTRAÇÃO DE ÍONS NITRATO NA DIS-

TRIBUIÇÃO DO HN03 EM TBP 20/. - DILUENTE .

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.84.

V.5.1. Modelo matemático da distribuição do ácido nitricc

na extração com TBP 20% em diluente

Admitiu-se que o HNO3 é aparentemente extrají

do de acordo com a reação50*56:

H+ + NO3 + TBP -—- KNO3 . TBP

Para as soluções contendo rutênio ou zircônio,

utilizou-se a equação 18 para o cálculo do TBP livre e a e

quaçao 19 no cálculo da concentração de Ions nitrato,

Na ausência destes elementos, o TBP livre foi

calculado pela equação 17 e N pela equação 20.

Calculou-se a constante aparente de

brio, KH, segundo a equação 14.

Observando a Figura 30 pode-se sugerir o se

guinte modelo22:

(21)

Para proceder o ajuste, linearizou-se esta ex

pressão:

In KH = In a0 + at tn N a + a2 N a (22)

F*»z-se a regressão com um total de 202 pontos,

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0.5

0 - experimental

• - literatura

0.1

0,05

N . (M)

FIGURA 3 0 : AJUSTE DA CONSTANTE APARENTE DE EQUILÍBRIO 0 0 HNOg

SEGUNDO A EQUAÇÃO:

* .0.136 N;° ' 4 M e° ' 2 0 9 N 'H • *

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. 8 6 .

sendo 144 experimentais e 58 da literatura.

Este primeiro ajuste visou verificar a adequa

ção do modelo proposto, o qual mostrou ser plenamente satis

fatôrio devido ã boa configuração do gráfico de resíduos,dos

valores obtidos nos testes de hipótese e de R2 igual a

0,9333.

Após a retirada dos pontos aberrantes

("outliers") com base no gráfico de resíduos, f e z - s e uma se

gunda regressão. O resultado se encontra na tabela abaixo:

Parâmetro t e s t e _ t t , ^ ^ p , R2

Estimado

a0 0,136 -45,669 0,0001

a! -0,469 22,193 0,0001 2267,544 0,0001 0,9588

a2 0,209 10,408 0,0001

Observando estes resultados e o gráfico de re

siduos (Figura 31) vê-se que o modelo se ajusta perfeitamen

te aos dados.

Portanto, KH pode ser calculada pela express

sâo:

- 0 , «»69 0/ 2 0 9 N a

KH - 0,136 Na e a

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oo«AUlte

0.S

oo

9»or*9

To

ar

o

O• iffi

OOo°0

oo o o> Ooo oo

o 0ooo

°o

°8

ft

1

00

ooo °o»

0 0 0°0°0

o0

o0

00

o

0

0

o

ooo o

o o

ooo

f

oo

0

1

0 0

0 0

0o 0 0

0 00

1

ft'I" o

00

ow

0

0

oo

V

0

0

o0

O ° o

0 0 00

0

0

0

o

Na CM)

FIGURA 31 : RESÍDUOS DO AJUSTE DA CONSTANTE APARENTE DE EQUILÍBRIO DO HN0 3 CONTRA 0

SUPORTE N 8 . 09

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.88.

Ainda, na Figura 30 foi incluída a curva ajus

tada segundo •-• equação 23.

Substituindo a equação 23 na equação 15, ch£

ga-se ao modelo matemático da distribuição do HNO3:

0,531 0,2 0 9N_= 0,136 N a e a

V.5.2. Modelo matemático da distribuição do rutênio na ex

tração com TBP 20% em diluente

Considerando-se o trinitrato de nitrosil-rutíi

nio v •f.-o o complexo mais extraível na fase orgânica,tem-se a

ser i r.'-e reação durante a extração:

RuK>'.NO3)3 . 2H2O + 4TBP rri RuNO(NO3)3 . 2TBP + 2 TBP . II20

Calculou-se a concentração de TBP livre pela

erj;açâo 18, Ka pela equação 3.9 e K- segundo a equação 14,

pv :a os 72 pontos experimentais e os 30 pontos da literatura.

De acordo com a Figura 32, propôs-se o seguin

te modelo;

KRU = ao Na1 (25)

que linearizada toma a seguinte forma:

£nL, =£nafl + ai£nN (26)KU u • g

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.89.

Ru

1300

100

10

1

0,1

0,01

0,001

.0001

I I I

I

\v X

r A

-

• i i

exp

erim

enta

l

a3

5 <o

V D

d

I

lRulA

' • - 4 , 0 xO-4,0 X0 -4 ,0 XA-4,0 x

O - 1 0 * 1

O-io"2

y - i o " 3

D -10" 4

# -10" 5

A

|

s M

IO"2

IO"3

IO"4

IO"5

A

1

-

-

-

T

i

3 4, ( M )

FIGURA 32 : AJUSTE DA CONSTANTE APARENTE DE EQUILÍBRIO 0 0 NITRA-

TO DE RuNO3* SEGUNDO A EQUAÇÃO :

K- « 0.085 N* ' J*

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. 90 .

Fez-se o ajuste dos 102 pontos e o modelo foi

açoito devido aos bons resultados obtidos para o gráfico de

resíduos, testes de hipótese e R2 igual a 0,9858.

Procedcu-se a retirada dos pontos que apreser.

tavam os maiores resíduos e fez-se r.ovo a juste,cujos result^

dos finais estão na tabsIn abaixo:

Parâmetro ^ ^ t , ^ ^ p l R2

Estimado

a0 0,085 - 69,169 0,000111729,102 0,0001 0,9931

aj -2,756 -108,301 0,0001

KRu = 0,085 N " ' (27)

Na Figura 32 pode-se ver o ajuste da curva aos

dados.

Substituindo, finalmente, a equação 27 na e

quação 15, obtem-se o modelo matemático da distribuição do

rutênío:

Estes resultados, ben como o gráfico de resí

duos (Figura 33), mostram que o modelo proposto apresenta-se

coerente en relação aos dados.

Substituindo, então, os parâmetros estimadosi

na equação 25, tem-se que: j

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0.5 -

S

ec

-0,5

-1

tf»

0

Bo

ooo

0

o

o

o

0

0

oo °

oooo

o

O 00

° o0

1

oo

o 0o

coo

0

r>o

o0

o

o0

o

o

o0 o

0oo

o - •»

tpo

0

í

o0

oo

O O 0

° 0

O o

a ( M )

FíGURA 3 3 : RESÍDUOS DO AJUSTE DA CONSTANTE APARENTE DE EQUILÍBRIO DO RUTÊNIO CONTRA

0 SUPORTE N, .

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DRu = 0»085Sa°»2l|l||TBP|£ (28)

V.5.3. Modelo matemático da distribuição do zircônio na ejv

tração com TBP 20% em diluente

Para os cálculos, adnitiu-se a seguinte re«*

ção da extração do hidroxinitrato de zircônio:

Zr(OH)2ÍNO3)2.2H20+4TBP ^ = £ Zr (OH) 2 IKO3) 2 .2TBP + 2TBP.H2O

A concentração de TBP livre foi calculada pe

ka equação 18, N a pela equação 19 e K£r segundo a equação 14.

Observando a Figura 34, propôs - se inicialmen

te o seguinte modelo para o ajuste dos 72 dados experimen

tais e 17 dados de literatura:

KZr - a 0N aaie a 2 Na + a^ nl Z rla ' (29)

Como o gráfico de resíduos contra -tn[Zr|a a

presentou uma curva, concluiu-se que deveria ser incluído no

modelo o termo (£n Zr a)2. Obteve-ser então, um novo modelo:

KZr - a0Naal ea2Na + a3^n|Zr|a + ,.„ tfn|Zr|a)

2 (30)

Fez-se nova regressão utilizando a forma li

nearizada:

(31)

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.93.

o,,

0,01

0,001

FIGURA 3 4 : AJUSTE 0A CONSTANTE APARENTE DE EQUILÍBRIO 0 0

Z ' ( 0H ) 2 (N0 3 ) 2 2H 2 0 SEGUNDO A EQUAÇÃO:

1, $62 N a - 0,031 Un \Zi\a)4.25 X10

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.94.

Verificou-se que e s t e modelo se ajusta muito

bem aos dados pela observação do graf ico de resíduos, pelos

t e s t e s de hipótese e por R2 igual a 0,9569.

Retirou-se os pontos aberrantes e f ez - se um

terce iro ajuste , cujos resultados encontram-se tabelados £

baixo:

Parâmetro test&^. t . teste-F F« R*Estimado

a0 4,25 xio"1* -52,634 0,OCC1

ai -2,000 -24,531 0,0001

a2 1,552 58,950 0,0001 1253,241 0,0001 0,9789

a3 -0,646 -15,282 0,0001

a4 -0,031 - 9,657 0,0001

Pelo gráfico de resíduos (Figuras 35 e 36) e

pelos resultados da Tabela, nota-se que o modelo é represen

tat ivo do sistema estudado.

Assim, substituindo os parâmetros estimados

na equação 30, tem-se que:

- « • el,S52Na - 0 , 0 3 l t t n | Z r | a ) 2

K7r. = 4,25x10 '• (32)Z r I I 0 , 6 1 6 2 , 0

M a Na

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N, (M)

F IGURA 3 5 : RESÍDUOS DO AJUSTE 0\ CONSTANTE APARENTE OE EQblLIBRIO DO ZIRCÔNIO CONTRA

O SUPORTE N a .

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o,s •

4»o

,9 O

-0,5

- 1

0

Q

O

m

00

00 0

°o°0

0

0

oO O

o

o

o

o

0 0

0

0

*o0

eo

0

ooo

• <rooo

o0

o

0

0a°o0

0

0

00

o

0o

_ 0

°°o0

oooo

In Uri

FIGURA 3 6 : RESÍDUOS OO AJUSTE DA CONSTANTE APARENTE DE EQUILÍBRIO DO ZIRCÔNIO

CONTRA O SUPORTE ín |Zr | a . vc

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.97.

A Figura 34 mostra a curva,ajustada segundo a

equação 32.

E, finalmente, substituindo-se a equação 32

na equação 15, chega-se â expressão para o cálculo da di.stri

buição do zircônio:

1 1 2

D Z r = 4 , 2 5 x 1 0 - " | T B P ' * e 1 ' 5 5 2 " . - 0 , 0 3 1 U n | z r | a ) 2

|Zrl'a (33)

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.98.

VI. DISCUSSÃO E CONCLUSÕES

De acordo com o objetivo deste trabalho, ^

dou-se a distribuição do rutênio, do zircônio e do ãcico n_i

tricô no sistema TBP 20% - diluente. Obtiveram-se, assim, in

formações que permitiram a avaliação do uso do TBP em menor

concentração que a usual e a elaboração de modelos matemãti

cos para o cálculo da distribuição.

Comparando com os sistemas de extração que u

tilizam TBP 30% em diluente (concentração mais comumente em

pregada) podt^-se verificar que os valores de distribuição

dos produtos de fissão, rutênio e zircônio, são bem menores

para o TBP 20% - diluente 68*69/71. N o entanto, verifica-se

que o comportamento de extração não difere nos dois siste

mas 6 5' 2 8' 7 1' 7 2.

A menor extração destes elementos pelo TBP

20% v/v proporciona, também, uma recuperação mais fácil do

solvente, usando-se, consequentemente, menor quantidade de

reagentes na sua regeneração.

Verificou-se, ainda, que a extração do rutf

nio 5 influenciada pelo equilíbrio entre seus complexos. As

soluções utilizadas nas extrações necessitaram de 15 dias de

envelhecimento até que atingissem um valor de distribuição

constante. Acredita-se que este seja um dos fatores que de

terninam a variação dos dados de distribuição encontrados na

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.99,

literatura.

A distribuição do zircônio mostrou ser depen

dente tanto da acidez quanto da sua própria concentração. O

aumento da acidez e a diminuição da sua concentração provo

cam um aui?.ento na distribuição.

Nos dois sistemas estudados, notou-se que a

distribuição do ácido nítrico independe da concentração de

rutênio ou de zircônio, apresentando um diagrama de equili

brio semelhante em ambos os casos.

Outro ponto estudado foi a importância da d:L

ferença de densidade entre as fases. Reduzindo-se a densida^

de da fase orgânica pelo uso de menor quantidade, em volume,

de solvente na referida fase, pode-se obter uma separação rã

pida das fases. Este fato é, atualmente, de importância rel£

vante devido ao uso, cada vez maior, de contactores centrífu

gos nas operações de extração com solvente para o reprocessa

mento do combustível nuclear irradiado.

A tensão interfacial nos dois sistemas, nitra

to de RuNO3+ e hidroxinitrato de zircônio/TBP 20% - n-dodeca

no/HN03/H20, apresentam um mínimo, indicando que neste pon

to ocorre a formação de substâncias de atividade interfacial

elevada. Não foram feitos outros estudos no sentido de se de

terminar quais eram estas substâncias. Baseou-se, principaj.

mente, nas conclusões de KOLARIK & PIPKIN1*6 em um trabalho

sobre a tensão intcrfccial no sistema TBP-diluente/HNO3/H2<>.

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.100.

Finalmente, com os dados de equilíbrio obti

dos neste trabalho e os dados retirados da literatura, elabo

r ar am-se modelos matemáticos que permitiram o cálculo da dis

tribuição do rutênio, do zircônio e do ácido nítricô no si£

tema estudado.

Para a obtenção dos dados, variaram-se as con

centrações do rutênio, do zircônio e do ácido nltrico,manten

do-se constantes os parâmetros: temperatura, relação de fa

ses, velocidade de agitação e concentração do solvente. Por

tanto, os modelos são válidos somente nas seguintes cond_i

ções:

= 259C

*°av = 1.500 rpm

F.O. = TBP 20%-diluente

Gbtiverara-se as expressões para o cálculo da

distribuição a partir da determinação das constantes aparen

tes de equilíbrio, utilizando-se o método dos mínimos quadra

dos na regressão dos dados a uma determinada função proposta. '>

i*

Admitiu-se que os solvatos RuNO(NO3)3 . 2TBP , i

Zr(OH)2(NO3)2 , 2TBPeHtfO3 .TBP se formavam durante a extra ;

ção, de acordo com as conclusões de vários trabalhos já pu ;Í

blicados. '

Os modelos matemáticos propostos possuem coe

ficientes de correlação múltipla (R2), testes de hipótese e

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.101.

gráficos de resíduos compatíveis, o que os torna representa

tivos do sistema estudado.

V.l. Comparação entre os dados experimentais e os dados teô

ricos de distribuição

Para finalizar este trabalho faz-se necessâ

rio uma comparação entre os dados experimentais tabelados e

os valores obtidos utilizando-se os modelos matemáticos aqui

propostos.

Primeiramente, calculou-se a concentração de

Lco (|TI

rentes de equilíbrio.I I TTBP » ) utilizando-se as constantes apa

Sabendo-se que D E - |E|°/|E|a e substituindo-

-se na equação 15, calculou-se |H|3 e | M | ° :

(34)

° - K N | M | ( Í T B P | / ) T|M|°-KMNa|M|a(ÍTBP|/)T (35)

Substituindo-se, então, as equações 34 e 35

nas equações 17 e 18, respectivamente, chegou-se âs expret»

soes para o cálculo de [TBPL :

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I I T I I I II I T11) TBP = TBP - KUN H TBPI l£ I \ ± H a| a|| |£

e segundo a equação 20, N a = JH| . , portanto:

102.

= ITBP^ - K RN a TBP

TBP|TBP|

¥a(36)

(2)

e desenvolvendo-se esta equação do 29 grau, tem-se que:

I TBP I

1/2

-KHNa|H|a-l(37)

Substituindo-se a equação 36 na equação 24 e

a equação 37 nas equações 28 e 33, obtiveram-se os valores

de D u , D_ e D.,, que são# respectivamente/ as distribuin KU it * —

ções do HNO3, do rutênio e do zircônio,segundo as expressões

resultantes do ajuste.

Calculou-se, também, a distribuição (0£ ) utjl

lizando-se o JTBPJ^ (equações 17 e 18), para comparação com

DE '

Ncta-se que D E apresentou valores mais próxl.

mos dos oxperin-cntais que DEC. Os erros percentuais caleu

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.103.

ladas pela expressão:

%E = (°E)teórico" i-E'experimental x 1 0 Q (%) (3{J)

(DE>teórico

evidenciam esta conclusão. 0 resultado destes cálculos encon

tram-se nas Tabelas IV a VIII.

Et finalmente, as Figuras 37, 38 e 39 possibí

litam uma visualização melhor das comparações entre os dados

experimentais e os dados teóricos.

Cabe, ainda, repetir, que os modelos propojs

tos neste trabalho são restritos por se limitarem ãs condi.

çÕes jã mencionadas anteriormente.

No entanto, poderão ser realizados trabalhos

futuros mais abrangentes, obtendo-se modelos matemáticos

mais completos e mais representativos das condições de um

processo de extração, onde os parâmetros aqui fixados se jazi

variáveis.

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.104.

TABELA IV. Comparação entre alguns dados de distribuição ex

perimentais e teóricos do rutênio no sistema de

extração nitrato nitrosil-rutênio/TBP 20%-diluen

te/HNO3/H20.

0,3080000,0391400,0153000,0389160,039530

0,0397930,0397970,0399040,0039200,0015900,0038710,0039340,0039650,0039830,003989

0,0003910,0003090,000145.0,0003860,0003920,0003960,0003980,0003990,0000390,0000310,0000390,0000380,0000390,0000400,000040

% Emédio - 141

Na

1,3240,1570,4461,037

2,119

3,1094,0295,1000,0520,5050,9621,9123,0324,0025,022

0,0410,4090,750

1,0031,962

2,9913,971

4,9810,0900,4000,9701,0202,0303,0104,050

• DRu

0,03150,02240,03200,0271

0,01190,00520,00510,00240,02050,03800,03330,01670,00860,00420,0028

0,02260,03000,0350

0,03000,02170,01100,00470,00170,03140,0320

0,03630,03820,02380,01110,0061

i

0,6750,7430,7040,6040,4450,3400,206

0,1260,7450,6940,6160,1560,2960,2060,136

0,7450,7050,6630,6260,466

0,3060,2160,1060,738

0,7050,606

0,6230,4660,2960,196

% KDRu

0,04140,02990,03450,03130,01020,01340,0051

0,00200,02280,03470,03190,02070,00970,00510,0023

0,02160,03380,03480,03330,02190,01040,00560,00140,02570,03380,0310

0,03310,02190,00970,0046

aêdio " 1 8

|TBP|J

0,6280,7420,702

0,6390,4540,3060,207

0,1310,7450,6940,6450,4830,311

0,2060,134

0,7450,7050,663

0,6390,4740,316

0,2090,1360,7430,7050,6130,6230,4620,3130,102

1%

T

0,03590,02980,03400,03520,0210

0,01050,00510,00220,02290,03470,03510,02320,01080,00510,00230,0217

0,03380,03480,03470,0225

0,01110,00520,00230,02600,03130,03400,03310,02160,01090,0049

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.105.

TABELA V. Comparação entre alguns dados de distribuição ex

perimentais e teóricos do zircõnio no sistema de

extração hidroxinitrato de zircônio/TBP 20% - di

luente/HNO3/H20

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

%

1**1.

,299401

,298507

,298211

,294695

,284900

,267857

,029940

,029851

,029791

,029326

,028175

,025952

,002988

,005958

,002962

,002916

,002750

,002676

,002486

,000299

,000299

,000287

,000274

,000826

,000254

,000237

]

0

1

2

3

4

5

0

0

1

2

3

4

0

0

0

12

3

4

0

0

1

2

3

3

4

Emêdio - 1 5 %

«a

,899

,697

,446

,509

,610

,506

,110

,970

,820

,739

,866

,901

,056

,512

,906

,806

,786

,805

,895

,041

,921

,811

,801

,002

,761

,650

DZr

0,002

0,004

0,006

0,018

0,053

0,120

0,002

0,005

0,007

0,023

0,064

0,156

0,004

0,007

0,013

0,030

0,050

0,121

0,207

0,005

0,022

0,045

0,093

0,090

0,191

0,266

0,715

0,594

0,483

0,295

0,196

0,102

0,745

0,656

0,556

0,376

0,243

0,198

0,715

0,694

0,686

0,536

0,366

0,275

0,135

0,745

0,666

0,476

0,346

0,308

0,186

0,136

%

«Sr0,002

0,004

0,009

0,018

0,086

0,050

0,002

0,005

0,015

0,028

0,068

0,131

0,004

0,006

0,012

0,030

0,065

0,181

0,225

0,006

0,019

0,039

0,096

0,086

0,124

0,265

E T

médio

ITBPIJ

0,673

0,546

0,422

0,276

0,173

0,117

0,743

0,645

0,501

0,353

0,220

0,141

0,745

0,694

0,654

0,501

0,344

0,224

0,143

0,745

0,652

0,499

0,342

0,308

0,228

0,156

= 22%

DZr

0,002

0,004

0,007

0,016

0,035

0,067

0,002

0,005

0,012

0,025

0,056

0,119

0,004

0,006

0,011

0,026

0,058

0,120

0,254

0,006

0,018

0,043

0,093

0,086

0,187

0,350

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TABELA VI.

.106.

Comparação entre alguns dados de distr ibuição ex

perimettais e teóricos do HNO3 no sistema de ex

tração nitrato de ni feros il-rutênio/TBP 20% - di

luente/HNO3/H2O.

0,C4000

0,00400

0,00040

0,00004

%

w.0,04

0,90

2,02

2,98

3,91

4,98

0,05

0,99

1,90

2,99

3,99

5,01

0,05

0,97

1,96

2,99

3,97

5,01

0,04

1,02

2,03

3,09

4,05

5,25

ET

médio

Na

0,157

1,017

2,139

3,099

4,029

5,100

0,062

1,002

1,912

3,002

4,002

5,022

0,051

0,971

1,961

2,991

3,971

5,011

0,340

1,020

2,030

3,090

4,050

5,250

- 7,5%

DH

0,025

0,133

0,139

0,148

0,138

0,125

0,020

0,121

0,153

0,147

0,135

0,122

0,020

0,113

0,143

0,147

0,134

0,126

0,025

0,118

0,138

0,139

0,136

0,116

l™lt

0,743

0,624

0,465

0,305

0,206

0,126

0,745

0,626

0,456

0,306

0,206

0,136

0,745

0,636

0,465

0,306

0,216

0,116

0,745

0,626

0,466

0,316

0,196

0,136

%

0,039

0,106

0,148

0,145

0,136

0,118

0,023

0,105

0,131

0,140

0,135

0,124

0,021

0,105

0,136

0,139

0,140

0,106

0,019

0,107

0,141

0,149

0,131

0,134

Emédio

ITBPI*

0,742

0,642

0,451

0,308

0,207

0,131

0,745

0,639

0,483

0,315

0,206

0,134

0,745

0,643

0,474

0,316

0,209

0,134

0,745

0,635

0,462

0,303

0,202

0,121

= 10,0%

DTUH

0,039

0,109

0,144

0,146

0,137

0,123

0,023

0,108

0,138

0,144

0,135

0,122

0,021

0,106

0,139

0,144

0,135

0,122

0,019

0,108

0,140

0,143

0,134

0,119

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TABELA VII. Comparação entre alguns dados de distribuição

experimentais e teóricos do HNO3 no sistema de

extração hidr oxini trato de zircônio/TBP 20% - d_i

luente/HN03/H2O

ET

médio 7,2% Smédio - 13'2%

t 11 i

0 ,

o,

0 ,

o,

3000

0300

0030

0003

0,301,051,852,924,044,90

0,050,911,732,663,814,85

0,050,931,802,783,824,88

0,040,901,802,803,754,70

N

0,8991,6482,4463,5094,6105,428

0,1100,9701,7902,7183,8664,902

0,0560,9361,8062,7863,8254,885

0,0410,9011,8012,8013,7514,700

DH

0,1000,1430,1410,1510,1340,122

0,0200,0990,1270,1490,1310,122

0,0200,0860,1170,1370,1280,123

0,0250,1000,1390,1430,1410,126

0,7140,5940,4820,2950,1760,074

0,7450,6560,5260,3470,2430,148

0,7450,6660,5360,3660,2550,147

0,7450,6560,4960,3460,2160,156

DH

0,1110,1490,1760,1630,1410,077

0,0320,1080,1420,1420,1520,131

0,0220,1070,1460,1540,1580,127

0,0190,1020,1350,1460,1300,129

|TBP|*

0,6730,5540,4220,2760,1730,121

0,7430,6450,5060,3560,2200,141

0,7450,6490,5010,3440,2220,141

0,7450,6540,5010,342

0,229

0,153

DT

H

0,105

0,139

0,154

0,152

0,139

0,126

0,032

0,106

0,136

0,146

0,138

0,125

0,022

0,104

0,136

0,144

0,137

0,124

0,019

0,102

0,136

0,144

0,1380,126

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.108.

TABELA VI11.Comparação entre alguns dados de distribuição ex

í perimentais e teóricos do HNO3 no sistemo de ex

j tração TBP 20%-diluente/HNO3/H2O.4

| % E m ê d i o = 7 ' 4 % % E Sédio= 1 0 ' 3 *Ii

í

j

I M l __ M

j n | ™" n

0,10000,1000

0,11400,27800,2960

0,30000,30140,30340,30560,31000,3750

0,4450

0,50000,57490,72001,56002,08002,58002,9600

3,24003,67003,88004,50004,3500

DH

0,0290,0320,0290,0550,0590,060

0,0590,0600,0560,061

0,0700,079

0,0850,0940,0960,1350,1440,1490,1450,1430,1380,1380,1310,120

0,7280,7280,7280,7160,7130,7130,7130,7130,7140,712

0,7050,696

0,6890,6770,662

0,5200,4310,3470,3020,2820,2250,196

0,1420,209

°CH

0,0300,0300,0320,0520,0540,0550,055

0,0550,0550,0560,0620,0680,072

0,0780,0880,1240,1340,1340,1360,1360,1310,1230,1100,154

|TBP|*

0,7280,7280,7270,7160,7140,7150,7140,7140,7140,7140,7080,701

0,694

0,6860,6670,5320,4440,3660,3140,2910,2320,212

0,1630,174

_T0 ..n

0,0300,0300,0320,0520,054

0,0550,0550,0550,0550,0560,062

0,0680,0730,0790,0590,1270,1330,1410,141

0,1400,1360,1340,1260,128

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109.

045

0,10

0,05

O - experimental

• - literatura

0 1 2 3 4 5 e

N, (*)

FIGURA 37 : CURVA 0A DISTRIBUIÇÃO DO H N 0 3 AJUSTADA PELA EQUAÇÃO:

DH S 0.136 U°a™ e020914' \TBP\l

1 - —, . ; , •,•..-cr»

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.110,

0,04

0,03

'Ru

0,02

0,01

I

s M

• -4,0 X 10"*0-4.0 x 10*3

0-4.0 x 10**A-4.0 X 10 -S

O-10"1

O-10"2

I I !J-4

•-10"5

% 4

N . (M)

FIGURA 3 8 : CURVA DA DISTRIBUIÇÃO DO NITRATO DE Rn N O 3 * AJUSTADA

PELA EQUAÇÃO:

0 * 0,085 N J 2 4 4 |TBP||

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. 111 .

0.3

0.2

0.1

i• - 3,0 x 10

O-3.0 X10

O-3.0 x10

A-3.0 * 10

" 2

•-6.0 * 10

• - t .2 K 10

A-9,0 « 10

O-1.0 K 10

" 3

FIGURA 39 : CURVA DA DISTRIBUIÇÃO 00 Zr(0H>2 (N03 )2 . 2H20 AJUS-

TADA PELA EQUAÇÃO:

D, . 4 2 5 X »- 4

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ANEXO 1

112.

Tabela dos dados de equilíbrio do ácido nítrico, do rutinio e do zircô

nio no sistema TBP 20%-diluente/HNO3/H2O.

...IRcr 2RA HA ORU CZA ÜH

53105311*

52 Ji*5219*52315202*532 7*

ic-,1

21L*171 .•

17171 J

2i321711*

21 j»2li»4

17 ; J

24 ; -In t to »

0.000J3370.0003 913

0391003

529 i*

52./

5220* 0.003a900O.O0^'i203

O.OJÍJ337

4

• ^ Í i i i

^ 1 /w>'i

C. 033299

C.ÜJ3299

3.002993C.Ü02993C.0299000.02*933

CO 02 9900.22**0!)

0.03Ú.040.040.040.040.040.040.040.350.050.05U.J5Ü.J5

o!o50.053.35

J.06

j * i-i0.0s3.393.09a.130. L 30.130.100.100.13J.iO0.130.13G.iO0.100.10O.I U0.110.120.20

C.25

0.0330.023C.0210.0220.017

0.0320.0330.0200.0300.3210.320

0.

0.1:03.U0

••J . W t- M

0.0030.0040.005

0.0040.3340.0G23.333

0.0033. 003

0.0330.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0250.0200.0200.0230.0200.0633.0200.0230.0200.323Ü.02 00.017J.0WJ.C21

0.022

oJÓ320.0520.32-i0.0290.2243.32 70.02*»Ü.02?0.0230.3230.C2-T

O.ZZi0.02J

^3

23

23

i 3

25

r r

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113.

ANEXO 1 (cont . )

RtF ftJA z * . HA OZR

5273*2 2 0 1 *1 7 1 3 *21ls>*527? *1722210o17252107172Cnoo2109*2119*2134*2135*213»2137*172721105274*24031714*2117*21222225*4701*472b1715*212G*2123*470714ÜÍ*

14C5*oo02

140s*24 0414C414J7*1412*l -» i l*I^IC*i\Zi*2 1 2 3 *i 7 i = ;

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,114.

ANEXO 1 (cont . )

REF

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. 1 1 5 .

ANEXO 1 ( c e n t . )

RE?

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. 116 .

ANEXO 1 (cont . )

REf

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.117.

ANEXO 1 (cont . )

REF

£42017063702241352665229*5264*2233*221222134722242124142234*4709*5321*5323*5305*5 J 4 1 -

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.118.

ANEXO 1 (cont.)

RE?

5326*5324*5jOá*5336*5-44*5307*5234*5342*529C*534.S*52óò*5236*52a1»*5213*5254*5216*5272*10055l0i*5253*5235221a5252*5217*5271*2237221;143J527C *Zlii*472347154713293227026612*22234711223 Í471222212 £ 4 :to 13iZIL

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4.70 .4.744*á24.334.d54.354.374.ii84.904.914.924.964. 74.974.934.934.995.005. 005.015.015.035.335.035.105.145.205.255.255.355.405 . 5 35.706.00ú. GO6.006.446.356.t27.2a7.347.<*37.403.17S.ul9 . JO"Í.-.4v.7O

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0.2530.2450.1590.1630.2370.156

0.2010.1370.2130.142

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0.1260.127J.12O0. 1130.1260.1220.1230.1230.1220.1180.1200.1250.1170.1210.1290.1250.1260.121

0.1260. i220.1260.1330.1150.1130.1230. 124

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3.116U.123

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119.

ANEXO 2

Referencias bibliográficas utilizadas na organização da Tabe

Ia do ANEXO 1.

1001-1005 MAYA, L. Chemistry of extractable nitrosyl-

ruthenium species in the system nitric acid

-TBP-dodecane. J. Inorg. Nucl. Chem.,43(2):

385:90, 1981.

V

1401-1412

1501

1700-1729

1801

2101-2137

2201-2242

SICZEK, A.A. & STEINDLER, M.J. The chemistry

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.120. I]

2401-2416 FLETCHER, J.M. chemical principles in the

separation of fission products from uranium ,

and plutoniuro by solvent extraction.

Progr. Nucl. Chem. ser.3, Proc. Chem.. j

1:105-21, 1956. S

2417-2423 HOLDER, J.V. A review of the solvent j

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(AERE-C/R 2319).

2805-2806 BROWN, P.G.M.; FLETCHER, J.M.; WAIN, À.G..

Nitratonitrosylruthenium complexes and

their extraction from nitric acid systems

by TBP. I. Laboratory studies. Harwell ,

AERE, Mar. 1957. (AERE-C/R 2260).

2901 FLETCHER, J.M.; JENKIS, I.L.; LEVER, F.M.;

MARTIN, F.S.; POWELL, A.R.; TODD, R. Nitra

to and nitro complexes of nitrosylruthenium.

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2902 HOWELLS, G.R.; HUGHES, T.G.; SADDINGTON, K.

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.121.

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4801-4803 SHEVCHENKO, V.D.; SOLOVKIN, A.S.; SHILIN, I.

V.; KIRILLOV, L.M.; RODIONOV, A.V.; BALAN

DINA, V.V. The effect of the aliphatic and

the aromatic hydrocarbon on the extraction

of U(VI), Pu(IV), Zr(IV) and Ce(III) by TBP

from HNO3 solutions. Radiochemistry, 2ill~

87, 1961.

5001

5101-5103

FLOH, B. Estudo de complexação dos nitratos

de nitrosil-rutênio com tiouréia. Aplicação

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com TBP - varsol nos esquemas do tratamento

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SHü, J. Distribuição do produto de fissão

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mestrado, IPEN/CNEN).

5201-5344

6601

6701

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.122.

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20. COLLOPY, T.J. ft CAVENDISH, J.H. Equilibrium constants

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Verteilungs-daten fur Pu(IV) und U(VI) . und deren

reçhnerische Ernittlung ira System Metallnitrat -

Salpetersaure und Tributylphosphat. Karlsruhe.

Kernforschungszentrum, Sep. 1967. (XFK-671).

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.129.

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