Файл: Физикотехнологический институт.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого

Президента России Б.Н. Ельцина»

Физико-технологический институт

Кафедра инноватики и интеллектуальной собственности

Индивидуальное домашнее задание
АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ В ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗВЛЕЧЕНИЯ, ОЧИСТКИ ОТ ПРИМЕСЕЙ И ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБО ЧИСТОГО МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ГАФНИЯ

Преподаватель Слабинский С.В.

Студент Писчикова Е.С.

Группа Фт-300014

Екатеринбург 2023

Оглавление

Введение

Гафний - самый последний по открытию не радиоактивный металл. Если взглянуть на периодическую таблицу, то в ней гафний находится внизу 4 группы вместе с титаном и цирконием. Такое расположение является не случайным, так как по своим химическим свойствам все эти три металла очень похоже, особенно цирконий и гафний. Из-за этого в земных породах гафнию всегда сопутствует цирконий, например в таких минералах как циркон, в котором содержание гафния равняется от одного до четырех процентов. Именно из-за своей схожести с цирконием элемент под номером 72 открыли лишь в 1923 году в Копенгагене.

Гафний представляет собой блестящий ковки и довольно тяжелый металл, плотность которого почти в два раза превышает плотность циркония. Из-за своей редкости и сложности в очистке от циркония цена на чистый гафний сегодня довольно высокая.

Гафний является побочным продуктом в производстве высокочистого циркония. Отделить гафний от циркония очень сложно из-за схожести их химических свойств, поэтому тут подходит лишь многократная рекристаллизация из хлорида гафния.

Сегодня отделить гафний от циркония является очень важным процессом, так как для создания тепловыделяющих сборок реактора нужен высокочистый цирконий, который хорошо пропускает через себя тепловые нейтроны, а гафний наоборот - очень хорошо поглощает свободные нейтроны, от чего его примеси в циркониевых трубках могут мешать нормальной работе реактора. Гафний, в свою очередь, можно наоборот использовать для регулировки скорости цепной реакции и включать его в состав, например регулирующих стержней.

---

Если же рассмотреть гафний с точки зрения химии, то здесь он является почти близнецом циркония и не обладает высокой химической активностью. На воздухе этот металл практически не окисляется при комнатной температуре, однако при сильном нагреве, гафний, наподобие циркония покрывается плотной темной оксидной пленкой. Так же, как и цирконий при натирании на напильнике гафний образует яркие искры. Образующиеся маленькие частицы гафния загораются на воздухе сгорая при очень высокой температуре, а именно более 3000 градусов что создает очень яркое свечение. Если же поджечь порошок гафния с помощью горелки, то образуются диоксид гафния, из которого можно впоследствии получить самый тугоплавкий материал на земле - карбид гафния тантала. Такие материалы могут в будущем улучшить свойства ракетных двигателей или же повысить температуру плазмы в термоядерном реакторе.

Как и цирконий, гафний тоже очень хорошо подходит для цветного анодирования, при котором цветная пленка на поверхности металла образуется на аноде при пропускании тока через раствор электролита. Из анодированного гафния можно делать очень красивые и довольно недешевые украшения.
Сегодня основное применение гафния — это использование его в изготовлении контрольных стержней для атомных реакторов, но не для всех, в основном для исследовательских или военных моделей реакторов.

Еще этот металл зачастую добавляют в жаропрочные сплавы, к примеру в те, что используют для изготовления сопел ракетных двигателей. Для других же применений металлический гафний оказывается слишком дорогим и поэтому его заменяют более дешевым цирконием.

Еще одно экзотическое применение изотопа изомера гафния – 178 сегодня пытаются найти современные физики-ядерщики. Дело в том, что схожи с люминофорами, которые испускают видимый свет под действием более высокоэнергетического ультрафиолетового излучения. Возбужденные атомы и изомеры гафния - 178 могут также испускать рентгеновское и гамма-излучение под действием внешних сил, к примеру альфа - или гамма – лучей. Проще говоря если облучить кусочек изомера гафния - 178 фотонами или же другими лучами с высокой энергией, то возбужденный изотоп гафния 178 высвободит уже свое излучение. Такой каскад получится в 100 000 раз эффективнее химических реакций, что может привести к созданию суперэффективных атомных реактивных двигателей, а также более точных дозиметрических приборов.

---

В рамках данного исследования будет рассматриваться область использования гафния в атомной промышленности, включая производство стержней управляющих прутков, оболочек топливных элементов ядерных реакторов и других изделий, которые играют важную роль в производстве электроэнергии и ядерного оружия.

Единственным предприятием на территории России, производящим гафний, является ОАО «Чепецкий механический завод». В настоящее время на этом предприятии освоена технология извлечения, очистки от примесей и  получения особо чистого металлического гафния.

1. Проведение патентных исследований

Существует несколько методов добычи гафния из его руд, включая электролиз, химическую обработку и термическую обработку. Однако большинство методов требуют использования высоких температур и химических реагентов, что делает их дорогостоящими и неэкологичными.

В последние годы были разработаны новые методы добычи гафния, которые более эффективны и экологически безопасны. Например, одним из методов является использование микробов для извлечения гафния из руд. Этот метод основан на использовании микроорганизмов, которые могут растворять минералы и извлекать гафний из них. Этот метод более экологичен и экономически эффективен, чем традиционные методы.

Также были разработаны новые технологии для переработки отходов производства гафния, которые позволяют извлекать гафний из отходов и повторно использовать его в производстве. Это позволяет снизить затраты на добычу и производство гафния, а также снизить негативное воздействие на окружающую среду.

В целом, исследования в области добычи гафния продолжаются, и появляются новые технологии и методы, которые делают процесс добычи более эффективным и экологически безопасным.

Каждый метод запатентован

Например:

Номер патента	Название	Владелец патента:	Подача:	Авторы:
RU 2 732 259 C1	Способ извлечения гафния и циркония из фторидного вторичного сырья, содержащего гафний и цирконий	Акционерное общество "Чепецкий механический завод"	2020.05.07	Зубкова Мария Юрьевна, Бутя Евгений Леонидович, Ибрагимов Рустам Рамильевич и др.
RU 2 557 594 C2	Способ экстракционного извлечения циркония и гафния	Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод"	2013.11.15	Васильев Дмитрий Иванович, Копарулина Елена Семеновна и др.
SU 2178 A1	Способ отделения гафния от циркония		1924.07.14	Г. фон Хевези, Д. Костер
SU 9361 A1	Способ разделения гафния и циркония		1926.09.07	Я. де-Боер
SU 176455 A1	Способ фотометрического определения циркония и гафния		1963.06.10	Дедков Ю.М., Саввин С.Б.
SU 4505 A1	Способ отделения гафния от циркония		1989.07.24	Г. фон-Гевеси, Д. Костер
SU 656496 A3	Способ разделения тетрахлоридов циркония и гафния		1924.07.14	Г. фон-Гевеси, Д. Костер
CN101844807B	Способ получения чешуйчатого нанопорошка оксида гафния	Шаньдунский технологический университет	2010-05-17	Вэй Чуньчэн, Мэн Фантао, Тянь Гуйшань, Чжоу Лицзюань Фэн Лю

---

Таблица 1 – примеры патентов в области добычи гафния в России и зарубежом

В целом, патентно-лицензионная ситуация в области добычи гафния является довольно конкурентной и разнообразной, что свидетельствует о значительном интересе к этой области и интенсивном исследовании новых методов и технологий.

Целью патентных исследований является исследование технического уровня разработок в области извлечения, очистки от примесей и получения особо чистого металлического гафния

Задачами патентных исследований являются:

1)Исследование технического уровня разработок в исследуемой

области

2)Исследование тенденций развития и прогноз развития методов и

средств в исследуемой области.

3)Исследование патентно-лицензионной ситуации в исследуемой области

Способ получения гафния относится к классу C22B, который относится к разделу "Металлургия; Черная металлургия".

Источниками информации являются следующие патентные фонды:

- базы данных патентной документации Роспатента;

- перспективные российские изобретения и полезные модели;

- заявки на российские изобретения;

- интернет-источники (www.freepatentsonline.com, https://www.wipo.int,

http://ru.espacenet.com, http://www.google.ru/patents, http://www1.fips.ru, https://yandex.ru/patents и др. бесплатные базы данных).

Патентные исследования проводятся по рубрикам МПК, а также с

использованием ряда ключевых слов и словосочетаний.

Пример:

«- гафний,

-церконий,

-технология извлечения,

- очистка от примесей,

- металлический гафний,

-получение особо чистого гафния и циркония.»

При выполнении патентного поиска была отобрана и проанализирована

информация за последние 20 лет. Результатом патентного исследования

является отчет, с использованием ГОСТ 15.011-22.

2. Статистический анализ патентной и изобретательной активности

По данным патентных баз данных, в области добычи гафния зарегистрировано значительное количество патентов на различные методы и средства добычи, обогащения и переработки руды.

Одним из наиболее популярных методов добычи гафния является флотация. Существует множество патентов на улучшение процесса флотации, в том числе на использование новых реагентов и аппаратов.

Также зарегистрировано много патентов на методы обогащения гафниевых руд, включая гравитационные, магнитные и электростатические методы.

---

В области переработки гафния зарегистрировано много патентов на методы очистки и получения более чистого гафния. Некоторые из этих методов включают использование химических реагентов и электролиз.

В целом, патентно-лицензионная ситуация в области добычи гафния демонстрирует высокий уровень конкуренции и инноваций. Многие компании работают над улучшением существующих методов и разработкой новых, более эффективных и экологически чистых технологий.

По данным World Intellectual Property Organization (WIPO), количество заявок на патенты в области добычи гафния растет с каждым годом. Так, если в 2010 году было подано около 200 заявок на патенты, то в 2020 году это число достигло более 500 заявок.

Большинство заявок на патенты в этой области приходится на Китай, который является крупнейшим производителем гафния в мире. На втором месте находится Россия, а на третьем – Франция.

Среди зарубежных компаний-лидеров в области патентования разработок в области добычи гафния можно выделить такие компании, как Басф Се, Пг Индастриз Огайо, Инк., American Elements, American Elements, Nanjing Youtian Metal Technology Co. Ltd и другие.

Также стоит отметить, что в последние годы все больше компаний начинают использовать новые технологии и материалы для добычи гафния, такие как наночастицы, мембранные технологии и другие инновационные методы. Это может привести к дальнейшему росту патентной активности в этой области.



Рисунок 1 – Рынок гафния



Рисунок 2 - Темпы роста потребления гафния по регионам

В России имеется большое количество патентов и заявок в заданной области поиска. Просмотрено по объекту поиска около 150 документов по базам данных ФИПС. Из них отобран 46 документ для последующего анализа.

В Китае имеется большое количество патентов в заданной области поиска. Было просмотрено около 211 документов по базе данных chinatrademarkoffice. Отобрано 65 документов для последующего анализа.

Количество опубликованных патентных документов Германии заданной области невелико. Было выбрано 20 документов для последующего анализа.

На рисунке 1 приведена диаграмма классификации патентной документации по территориям поиска.

Как видно из рисунка 1 наибольшее количество патентов в области методов получения гафния за период с 2007 по 2020 года получено в Китае, России, Франции и тд.

---