The extraction chromatography behavior of zirconium and hafnium is studied using tri-n-octylamine



Yüklə 148,37 Kb.
Pdf görüntüsü
tarix27.02.2018
ölçüsü148,37 Kb.
#28501


The extraction chromatography behavior of zirconium and hafnium

is studied using tri-n-octylamine (TNOA) and tri-caprylyl-

monomethyl ammonium chloride (Aliquat 336) as the stationary

phase supported on a styrene/divinylbenzene copolymer resin and

hydrochloric acid as the mobile phase. The effects of hydrochloric

acid concentration, extractant loading on the support, support

particle size, column dimensions, and hydrofluoric acid are

investigated. Microgram amounts of Zr and Hf are successfully

separated on a small size (

× 45 mm) column, on which Zr is



adsorbed and Hf is completely eluted with 8M HCl. The adsorbed

Zr is then eluted with 2M HCl. Aliquat 336 is found to be superior

to TNOA for the mutual separation of Zr and Hf. The stability of the

extraction chromatography resin is also examined.

Introduction

It is well known that the mutual separation of zirconium and

hafnium is very difficult because of the extreme similarity of these

two elements. Both solvent extraction and ion-exchange tech-

niques have been effectively applied to this mixture (1–5).

However, the solvent extraction technique, which requires multi-

stage counter-current mixer settlers using tributyl phosphate

(TBP) as extractant, operating at the industrial scale, is not con-

venient for analytical separations. Ion-exchange technology is a

very effective separation method for similar ions and has been

extensively and successfully applied in analytical separations. The

selectivity of the ion-exchange process depends on the properties

of the ion-exchanger being used and the composition of the

aqueous phase. In the case of two ions having the same charge

and very similar radii, the selectivity resulting from the properties

of the ion-exchanger (such as acidity or basicity and the degree of

crossing-linking) is not sufficient to ensure effective separation.

In such a case, an appropriate complexing agent has to be added

to the aqueous phase; the attained selectivity is then due to either

the differences in the stability constants or the different charges

or structures of the complexes formed. An alternative is extrac-

tion chromatography, which combines the advantages of the high

selectivity of solvent extraction and the high efficiency of ion-

exchange chromatography. It has been extensively applied to sep-

arations in analytical chemistry. Extraction chromatography

offers many opportunities for optimizing a separation by

adjusting stationary phase parameters (type and size of support

particles, type and concentration of the extracting agents used in

diluents, or type and degree of the loading of liquid or solid

extractants) and mobile phase parameters (flow rate, concentra-

tion of partitioning substances, type and concentration of com-

plexing or salting out agents).

Crawley (6) used TBP on kieselguhr for the separation of zir-

conium and hafnium in the HNO

3

–NH


4

NO

3



system, and Ueno

and Hoshi (7) reported the same agent absorbed on a celite sup-

port for this separation in hydrochloric acid. TBP is a very good

extractant for uranium, but the selectivity of TBP for zirconium

and haf-nium is not high. The separation factor of Zr–Hf using

the TBP–celite–HCl system was approximately 4 (7). Zr and Hf

were also separated in the system MIBK–[NH

4

SCN+(NH



4

)

2



SO

4

]



(8). Although Wang et al. (9) studied the extraction chromatog-

raphy behavior of Zr and Hf using sulfoxides as a stationary phase

and an NH

4

SCN–HCl solution as a mobile phase, the obtained



separation factor of 3.6 was not large, and in addition, the intro-

duction of NH

4

SCN salt into the aqueous mobile phase causes



complications.

As the selectivity of an extraction chromatography column is

determined by the nature of the extractant used as the sta-

tionary phase, it is important to select a suitable extractant for

effective separation. Moore (10) first reported the solvent

extraction and separation of Zr and Hf with long-chain

aliphatic amines (methyl-

n-octylamine) in chloride solutions.

The long-chain aliphatic amine compounds are also known as

liquid ion-exchangers and have been widely used in the solvent

extraction separation of various metal ions in nuclear fuel pro-

cessing and fission product recovery. Cerrai and Testa (11,12)

reported detailed investigations on the solvent extraction and

separation of Zr and Hf using tri-

n-octylamine (TNOA) and tri-

171

Abstract

Separation of Hafnium from Zirconium by Extraction

Chromatography with Liquid Anionic Exchangers

X.J. Yang

1,2


, C. Pin

1

and A.G. Fane

2

1

Département de Géologie, UMR 6524-CNRS, Université Blaise Pascal, 5, rue Kessler, 63038, Clermont-Ferrand, France and



2

Department of

Chemical Engineering, The University of New South Wales, Sydney 2052, Australia

Reproduction (photocopying) of editorial content of this journal is prohibited without publisher’s permission.

Journal of Chromatographic Science, Vol. 37, May 1999

Downloaded from https://academic.oup.com/chromsci/article-abstract/37/5/171/302600

by guest

on 27 February 2018




Journal of Chromatographic Science, Vol. 37, May 1999

172

caprylyl-monomethyl ammonium chloride (Aliquat 336) in a

hydrochloric medium, and later separated 9.7 mg of Zr from

0.3 mg of Hf using a TNOA–8M HCl–5% concentrated HNO

3

system on a cellulose powder column (13). However, high con-



centrations of HCl pose a problem for the cellulose powder sup-

port (14). Das and Chattopadhyay (15) reported briefly on the

solvent extraction and chromatographic separation of nio-

bium, zirconium, and hafnium with Aliquat 336. These earlier

studies suggest that extraction chromatography using TNOA or

Aliquat 336 is potentially promising for the mutual separation

of Zr and Hf; however, systematic studies of the parameters

affecting the separation are lacking. The aim of the present

study is to systematically investigate the separation of Zr–Hf by

extraction chromatography using TNOA and Aliquat 336. The

studied parameters include the loading of the extractant, sup-

port particle size, column dimensions, composition of eluents,

and stability of the resins in order to explore the potential appli-

cation of the method for the separation of Zr–Hf from geolog-

ical materials.

Experimental

Materials and reagents

TNOA, trioctylmethyl ammonium chloride (marketed as

Aliquat 336, molecular weight 404.17), and cyclohexane were

obtained from Aldrich Chemical (USA). The ready-to-use

Levextrel resins contain TNOA or tricaprylylmethyl ammonium

chloride (a mixture of C

8

–C

10



chains with C

8

predominating; also



marketed as Aliquat 336, but referred to as Aliquat 336M here-

after in order to distinguish it from the previous Aliquat 336).

Levextrel resin is a copolymer of divinylbezene (DVB) with

styrene-containing organic extractant, where the organic extrac-

tant is added before the polymerisation reaction starts (17,18).

The support for the preparation of solvent-impregnated resins

(SIR) was Amberchrom CG-300cd, a highly crosslinked

styrene/divinylbenzene copolymer, which was obtained from

Supelco (USA). The spherical beads of Amberchrom resin offer

exceptional mechanical and chemical stability. The physical

properties of Levextrel resins and Amberchrom CG-300cd resin

are listed in Table I.

The weight ratios of TNOA over the support in the Levextrel

resins are 1:9, 1:2, and 1:1, and that of Aliquat 336M is 1:2.

Zirconium and hafnium standard solutions (Aldrich) were 990

and 1002 µg/mL, respectively. All other chemicals

were of analytical grade, and all the chemicals

were used as received. Water with 18M



cm



resistivity that was purified using a Milli-Q

(Millipore, Milford, MA) system was used

throughout.

Apparatus

Polypropylene columns (inner diameter

∅3.5,

3.8, 5, and 9 mm) with a 30 µm polyethylene frit at



the bottom were used for separation work. An

inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-

AES) instrument (Jobin-Yvon 70 II, Longjumeau, France) was

used for the measurement of Zr and Hf concentrations in the

solutions collected fractionally from the columns.

Preparation of resins

The extraction chromatography resin was obtained using two

approaches: the solvent impregnating method (direct adsorption

of the extractant into macroporous polymeric supports), pro-

ducing the SIR resin, and the suspension polymerisation method

(polymerisation of styrene and divinyl copolymers in the presence

of the extractant, developed by Kroebel and Meyer [17,18]), pro-

ducing the Levextrel resin. The SIR resin was prepared by impreg-

nating 10 g of Amberchrom CG-300cd resin in a 50–100-mL

cyclohexane solution containing 5 g TNOA or Aliquat 336, stir-

ring the mixture slightly, and evaporating it at room temperature

(20°C) to dryness. This usually takes approximately 5 hours. The

Levextrel resin was prepared at the Beijing Institute of Chemical

Engineering and Metallurgy, Beijing, China. The Levextrel resin

was sieved, and the 75–120 mesh size (125–200 µm) was used in

this work.



Determination of the distribution and separation coefficients

of Zr(IV) and Hf(IV) in an HCl medium using the

batch-equilibrium method

Resin (0.20 g) was placed into a 10-mL cylindrical vessel, and

5.0-mL portions of aqueous solutions containing 50 µg/mL Zr

and Hf in various HCl concentration were added. The vessel was

closed and shaken vigorously for 30 min. After filtering, the con-

centrations of Zr and Hf in the aqueous phases were measured by

ICP-AES. The distribution coefficient (

D) of Zr and Hf can be cal-

culated using the calculation



= [(C

0



C

e

)



C

e

](



V/m)

Eq 1


where

C

0

and



C

e

are the initial and equilibrium concentrations of



Zr and Hf in the aqueous solutions, respectively;

is the volume

(mL) of aqueous solution; and



is the amount (g) of resin. The

separation factor (

β) is the ratio of distribution coefficients.

D

Zr

β = ——––



Eq 2

D

Hf

The purification factor (PF) corresponding to the initial solu-



tions by the batch-equilibrium method can be calculated using

Table I. Physical Properties of Amberchrom and Levextrel Resins

Surface

Mean

Approximate

Skeletal

Chemical

area

Porosity

pore size

Mesh size

pore volume

density

Resin

structure

(m

2

/g)



(%, v)

(Å)

(µm)

(mL/g)

(g/mL)

CG-300cd


polyaromatic

700


55–75

300


80–160

1.66


1.08

Levextrel

polyaromatic

80–345


65

180–800


125–200

NA*


NA*

* NA, data not available.

Downloaded from https://academic.oup.com/chromsci/article-abstract/37/5/171/302600

by guest


on 27 February 2018


Journal of Chromatographic Science, Vol. 37, May 1999

173

[(

C

0



C



e

)Zr/(


C

0



C

e

)Hf]



PF

Zr

= ———————————



Eq 3

(

C

0

, Zr/


C

0

, Hf)



(

C

e

, Hf/



C

e

, Zr)



PF

Hf

= ———————



Eq 4

(

C

0

, Hf/


C

0

, Zr)



Determination of exchange capacity

A small-size column (

∅3.5 × 50 mm) and 0.1 g of resin were

used for the determination of the exchange capacity of Zr by the

breakthrough curve (i.e., the Zr concentration change of the

effluent with effluent volume) that was obtained by loading the

feed solution until the concentration of Zr in the effluent reached

the same concentration of zirconium in the feed solution. Then,

the feeding was interrupted, and the column bed was washed with

an eluent that displaces the interstitial volume without stripping

the Zr retained in the stationary phase. When no Zr was found in

this eluate, another eluent (2M HCl) That was able to strip the Zr

retained on the column was passed through the column until no

Zr was detected in this stripping eluent. The equilibrium

exchange capacity (EEC) for Zr was obtained by measuring the

concentration of Zr in the collected volume of this stripping

eluate:

CV

EEC = ———

Eq 5

m

where


is the concentration of Zr in the eluate and is the

volume of eluate.



Column separation

The resin, suspended in water, was transferred into a chro-

matographic column, and the resin bed was pressed slightly

with a glass rod to eliminate air bubbles. A 30-µm polyethy-

lene frit was placed on top of the column bed to prevent the

disturbance of the resin during the elution phase. The

column was preconditioned with 8–10 mL of the same con-

centration of hydrochloric acid as the first eluant. A solution

containing a Zr–Hf mixture to be separated was then loaded

into the column. The elution separation was carried out with

eluants composed of various concentrations of hydrochloric

acid as mobile phases using gravity flow. The concentrations

of Zr and Hf in the fractions of the effluents were determined

using ICP-AES, and the elution curves were drawn by plot-

ting the concentration against the effluent volumes. The

purification factor (PF) of the column method is calculated

using

(

C



Hf

/

C

Zr

)(eluate 1)



PF

Hf

= ———————



Eq 6

(

C

Hf

/

C



Zr

)feed


(

C

Zr

/



C

Hf

)(eluate 2)



PF

Zr

= ———————



Eq 7

(

C

Zr

/

C



Hf

)feed


where eluate 1 is the Hf eluate obtained by passing 8M HCl

through the column, and eluate 2 is the Zr eluate obtained by

passing 2M HCl through the column.

Results and Discussion

Effect of HCl concentration on distribution coefficient and

separation factor

The distribution coefficient as a function of HCl concentration

ranging from 6 to 10M obtained by the batch method is shown in

Figure 1. The plots of log



versus log [HCl] give linear relation-

ships. It has been assumed that the extraction mechanism of

Zr(IV) and Hf(IV) by tertiary amine (TNOA) and quaternary

ammonium salt compound may be represented as

TNOA:

R

3



N

resin


+ HCl

aq

=



R

3

NH



+

× Cl


resin


Eq 8

Figure 1. Dependence of log on log [HCl]. 1:2 Levextrel TNOA resin (A),

1:2 SIR Aliquat 336 resin (B), 1:2 Levextrel Aliquat 336M resin (C). Aqueous

phase, 5 mL of 50 µg/mL Zr and Hf in various HCl concentrations; resin phase,

0.20 g.


A

B

C

Downloaded from https://academic.oup.com/chromsci/article-abstract/37/5/171/302600

by guest

on 27 February 2018




Journal of Chromatographic Science, Vol. 37, May 1999

174

2R

3



NH

+

× Cl



resin


+ ZrCl

6

2–



aq

=

(R



3

NH

+



)

2

× ZrCl



6

2–

resin



+ 2Cl

aq



Eq 9

Aliquat 336:

2R

3

R'NCl



resin


+ ZrCl

6

2–



aq

=

(R



3

R'N)


+

2

× ZrCl



6

2–

resin



+ 2Cl

aq



Eq 10

where “resin” refers to the resin phase, “aq” is the aqueous phase,

R

3

N is TNOA, R



3

R'N


+

Cl



is Aliquat 336, R is the octyl group, and

R’ is the methyl group. The distribution coefficients at a given

HCl concentration are in the order TNOA > Aliquat 336M >

Aliquat 336, showing that the extraction power is in this order. It

has been demonstrated that the extraction power of Aliquat 336 is

generally lower than that of TNOA and thus of tri-



i-octylamine

(TIOA) (16). The separation factor as a function of HCl concen-

tration is given in Figure 2. The maximum separation is obtain-

able at an HCl concentration of 8M, and the separation factor is in

the order Aliquat 336M (

β = 27) > Aliquat 336 (β = 23) > TNOA

(

β = 12), which is much larger than the literature values obtained



by TBP (

β = 4) (7) and sulfoxides (β = 3.6) (9). The Zr and Hf con-

centrations in the 8M HCl aqueous solution after the batch equi-

librium using Levextrel Aliquat 336M were 7.51 and 42.3 µg/mL,

respectively (initial concentration, 50 µg/mL). Therefore, the

purification factors obtained by the batch method in 8M HCl were

5.52 for Zr and 5.63 for Hf. It is expected that the separation will

be greatly improved by the column method, because numerous

equilibria occur in the column during the elution. The column

separation will be discussed later.



Breakthrough curve and exchange capacity

The breakthrough curves for Zr with Aliquat 336M and Aliquat

336 resin are shown in Figure 3. Using Equation 5, the exchange

capacities of Levextrel Aliquat 336M resin and Aliquat 336 SIR



Figure 2. Separation coefficients as a function of HCl concentration: l, TNOA;

n

n



, Aliquat 336; u, Aliquat 336M.

Figure 3. Breakthrough curves of zirconium on the Levextrel Aliquat 336M

resin and SIR Aliquat 336 resin columns (0.1 g of resin). l, Levextrel Aliquat

336M resin; 

l

l



, SIR Aliquat 336 resin.

Figure 4. Separation profiles of Hf and Zr on a 

∅5- × 45-mm column (loading,

50 µg Zr and 50 µg Hf): 1:1 Levextrel Aliquat 336M (flow rate, 0.24 mL/min)

(A); 1:2 SIR Aliquat 336 (flow rate, 0.24 mL/min) (B); 1:1 Levextrel TNOA

(flowrate, 0.2 mL/min) (C). 

A

B

C

Downloaded from https://academic.oup.com/chromsci/article-abstract/37/5/171/302600

by guest

on 27 February 2018




Journal of Chromatographic Science, Vol. 37, May 1999

175

resin are 24.3 and 30.8 mg Zr/g of resin, respectively.



Column separation

Figure 4 shows the column separation of Hf from Zr using

Aliquat 336, Aliquat 336M, and TNOA as stationary phases and 8M

HCl as the mobile phase to elute Hf. The separations of Hf from

Zr with Aliquat 336 and Aliquat 336M are excellent using 10 mL

of 8M HCl. However, the elution curve with Aliquat 336M seemed

to show more tailing than with Aliquat 336, and the elution peak

of Hf was very broad (only approximately 50% of the amount of Hf

loaded was eluted with 15 mL of 8M HCl from the TNOA resin

column). This can be explained by the higher distribution coeffi-

cient of the TNOA resin than that of the Aliquat 336 resin (Figure

1). Hence, a larger volume of 8M HCl will be needed to separate

Hf from Zr on the TNOA column. The recovery and purification

factors  in  different  initial  Zr/Hf  ratios  of  the  feed  solutions

obtained by the Aliquat 336M columns are summarized in Table

II (10 mL of 8M HCl eluate was collected for recovering Hf, and 10

mL of 2M HCl eluate was collected for Zr). The purification fac-

tors are much larger than those obtained by the batch-equilib-

rium method.

It should be noted that the 5–8 mL of effluent of the condi-

tioning phase (10 mL of 8M HCl) became turbid, and white spots

were  observed  in  the  columns  during  the  course  of  elu-

tion/separation. The turbidity was assumed to be caused by the

drainage of some of the extractant from the column. Many more

spots appeared in the SIR resin columns than in the Levextrel

resin columns. As a result, the flow rate decreased gradually. This

could be attributed to the instability of the resin (i.e., the losses of

the organic substance from the support). The stability of the SIR

and Levextrel resins will be discussed in more detail later.

Effect of extractant loading on the support

The effect of extractant loading on the column separation was

examined using 1:9, 1:2, and 1:1 Levextrel TNOA resin, and the

results are shown in Figures 4 and 5. The separation of Hf from Zr

can be effectively performed with 1:2 TNOA (Figure 5B), whereas

the extractant loading of 1:9 is not enough to retain Zr on the

column (Figure 5A). Using a 1:1 ratio, only approximately 50% Hf

loading was eluted with 15 mL of 8M HCl (Figure 4C), reflecting

the high affinity of the extractant for Hf and Zr. These results

show that 1:2 extractant loading has the optimum column effi-

ciency. Grosse-Ruyken and Bosholm (19) reported that the min-

imum heights of the equivalent theoretical plate (HETP) values at

different di-(2-ethylhexyl) phosphoric acid (HDEHP) loadings on

the 0.09-mm diameter silica gel were obtained at the HDEHP/



Figure 5. Effect of the extractant loading on the separation of Hf and Zr: 200

µg Zr and Hf loaded on the 

∅9- × 136-mm column containing 2.9 g of 1:9

Levextrel TNOA resin (flow rate, 0.47 mL/min) (A); 50 µg Zr and Hf loaded on

the 

∅5- × 45-mm column containing 0.40 g of 1:2 Levextrel TNOA resin (flow



rate, 0.38 mL/min) (B); 50 µg Zr and Hf loaded on the 

∅5- × 45-mm column

containing 0.59 g of 1:1 Levextrel TNOA resin (flow rate, 0.2; see Figure 4) (C). 

Table II. Purification Factor Obtained by the Column Method*

Found (µg) 

Recovery (%) 

Mixture (µg)

8M HCl (10 mL)  

2M HCl (10 mL) 

8M HCl 

2M HCl 

Purification factor

Hf

Zr

Hf 

Zr 

Hf 

Zr 

Hf 

Zr

Hf 

Zr

Column 1

50 


50 

48.4 


0.41 

0.56 


49.9 

96.7 


99.9 

118


89.2

100 


102 


0.13 

0.58 


4.77 

102 


95.4 

40.4 


164

50 


2.5 

51.2 


0.07 

0.38 


2.34 

102 


94.0 

36.6 


123

Column 2

10 


100 

9.50 


1.18 

0.25 


94.5 

95.0 


94.5 

80.5 


38.3

10 


50 

9.74 


0.49 

0.12 


48.7 

97.4 


97.0 

99.4 


81.2

1



40

0.93 



0.27 

0.05 


40.8 

93.0 


102 

138 


20.4

*  Column dimension, 80 mm 

× 3.8-mm i.d. ; resin type, Levextrel Aliquat 336M; amount, 0.4 g; conditioning, 8 mL 8M HCl. The purification factors by the batch-equilibrium method were

5.52 for Zr and 5.63 for Hf.

The natural Zr/Hf ratio in geological materials is about 40:1.



A

B

Downloaded from https://academic.oup.com/chromsci/article-abstract/37/5/171/302600

by guest

on 27 February 2018




Journal of Chromatographic Science, Vol. 37, May 1999

 176

support weight ratio of 1:2. Ueno and Hoshi (7) investigated the

effect of the TBP-celite weight ratios of 1:1, 1:2, and 1:4 on the

separation of Hf from Zr and also found that the 1:2 ratio was the

optimum extractant loading for Hf–Zr separation.

Effect of column dimension and support particle size

Bed length is one of the most important parameters in extrac-

tion chromatography; elution volumes, separation time, and

the number of theoretical plates increase linearly with bed

length, and column resolution increases with its square root.

Extraction chromatographic experiments are usually run under

gravity flow. When very similar ions are involved, very long

lengths of column are usually necessary to obtain a satisfactory

resolution. An increase in bed length leads to a proportional

increase in pressure needed to force the mobile phase through

the column. Most columns used in chromatography for analyt-

ical purposes have bed lengths ranging between 50 and 150 mm,

mainly determined by the resolution needed and the time that

can be tolerated for analysis. The support particle size is of

importance to the column performance in both gas and liquid

chromatography (LC), because it significantly affects the sur-

face area and the HETP. However, the particle size of the support

also has a significant influence on the flow resistance. Figure 6



Figure 6. Effect of column bed length and support particle size on flow rate.

The column diameter was 6 mm. l, 125–200 µm 1:2 Levextrel TNOA resin; n,

80–160 µm 1:2 SIR TNOA resin.

Figure 7. Effect of column bed diameter on flow rate. The column bed height

was 45 mm with SIR Aliquat 336 resin.



Figure 8. The elution curves of Hf and Zr with a large-dimension column (

∅9

× 136 mm): 3.0 g of 1:2 Levextrel TNOA resin (flow rate, 0.59 mL/min) with an



elution of 50 mL 8.5M HCl and then 40 mL 4M HNO

3

(A); the same column



as in A with an elution of 40 mL 8M HCl and then 30 mL 2M HCl (B); 4.8 g of

1:1 Levextrel TNOA resin (flow rate, 0.75 mL/min) (C); and 3.2 g of SIR TNOA

resin (bed lenth, 120 mm; flow rate, 0.22 mL/min) (D). Zr and Hf loadings were

200 µg. Particle sizes were 125–200 µm (A–C) and 80–160 µm (D). The inset

shows the Hf elution peak between 1- and 20-mL fractions, drawn to a larger

scale.


A

B

C

D

Downloaded from https://academic.oup.com/chromsci/article-abstract/37/5/171/302600

by guest

on 27 February 2018




Journal of Chromatographic Science, Vol. 37, May 1999

177

shows the effect of column bed length and support particle size

on the flow rate. The particle size of the Levextrel resin ranged

from 125 to 200-µm diameter, and that of the support for the

SIR  TNOA  resin  ranged  from  80  to  160-µm  diameter;  the

smaller resin (SIR TNOA) gave a lower flow rate as expected.

Figure 7 shows the effect of bed diameter on the flow rate. The

flow rate decreased drastically when the bed diameter decreased

from 9 to 3.8 mm.

Figure 8 shows the separation chromatogram for the larger-

dimension column (

∅9 × 150 mm) using different diameter

resins (125–200-µm diameter for 1:1 and 1:2 Levextrel TNOA

resins and 80–160 µm diameter for 1:2 SIR TNOA resin). For the

diameter of 125–200 µm resins (Figure 8, flow rate = 0.6–0.75

mL/min), in the first effluent fraction of 15 mL of 8M HCl, a por-

tion  of  1–3%  of  the  Hf  amount  loaded  on  the  column  was

detected, whereas in the following fraction of 10 mL, no Hf was

detected, indicating that Hf leakage occurred at the beginning of

elution. This elution of Hf amounting to 1–3% of the loaded

amount was presumably caused by channeling in the column due

to the larger size of resin and column diameter and the low dis-

tribution coefficient of Hf. The bulk of the Hf was eluted together

with the Zr (i.e., no separation occurred) when the mobile phase

was changed to 2M HCl. In the case of smaller size resin (80–160

µm diameter) (Figure 8D, flow rate = 0.22 mL/min, much smaller

than the previous cases), no obvious peak for Hf in the first frac-

tion of 15 mL was observed, indicating that there was no leakage

of Hf. Following this, the Hf was eluted separately from Zr with

8M HCl, resulting in excellent separation. It can be concluded

that for efficient operation, smaller resins, smaller diameter

columns, and slower mobile phase flow rates are preferred. In

general, the channeling phenomena led to the loss of resolution

and may occur when large-diameter columns and large support

particle sizes are used, because in such a case it is difficult to pack

the columns uniformly and homogeneously. Therefore, it is good

practice to reduce column diameters as much as allowed by

experimental limitations. A bed diameter of approximately 5–50

particle diameter (i.e., column internal diameters from 2.5 to 7.0

mm) for 50–150-µm particles is a compromise used frequently

(16).  Recently,  a  more  detailed  investigation  on  the  repro-

ducibility of column performance in LC and the role of the

packing density was reported by Stanley et al. (20).

Effect of hydrofluoric acid on separation

Hydrofluoric (HF) acid is commonly used as a complexing agent

to stabilize Zr and Hf solutions. In addition, when dealing with

geological materials and minerals, HF acid is the most convenient

way to create the decomposition. The main purpose of this study

was to explore the possibility of the present extraction chromato-

graphic system to separate of Zr and Hf from geological materials

and minerals. Therefore, the effect of HF acid on the elution

behavior of Hf and Zr was investigated and is shown in Figure 9. It

can be seen that no separation was achieved when a small amount

of HF acid was present in the solution; the elution peaks of Zr and

Hf completely overlapped (the amounts eluted in the 8M HCl were

99.8% for Hf and 97.3% for Zr). This is because Hf and Zr form

much more stable complexes with the fluoride ion than the chlo-

ride ion, and the fluoride complexes are not extractable by the

amine compounds. This system was applied to “real world” sam-

ples (e.g., geological materials) and found that the successful sep-

aration could be obtained in the case of complete removal of fluo-

ride ions from the solution. On the other hand, the separation

became very complex because of the presence of the major ele-

ments Al, Fe, and Ti, which are difficult to separate from Zr and Hf.

The details will be published elsewhere (21).



Stability and lifetime of resin

As mentioned above, instability phenomena were observed with

the resin used. The stability characterisation of Levextrel and SIR

resins were further examined by measuring the capacity varia-

tions of resin during operation. Figure 10 shows the capacity of

Levextrel Aliquat 336M resin and SIR Aliquat 336 resin as a func-

tion of elution cycle number. In the capacity measurement, no

preconditioning was carried out for the first run. It can be seen

that the capacity for Zr drops 29% for the Levextrel Aliquat 336M

resin and 50% for the SIR Aliquat 336 resin between runs 1 and



Figure 9. Effect of hydrofluoric acid on the elution behavior of Hf and Zr.

Conditions: column, 

∅5 × 45 mm; 1:2 Levextrel TNOA resin; loading, 1 mL

of 8M HCl–0.05M HF containing 50 µg Zr and Hf; flow rate, 0.36 mL/min.



Figure 10. Exchange capacity for Zr as a function of operation run number.

The column was 

∅3.5 × 30 mm filled with 0.1 g resin. Each run included 8

mL of 10M HCl for conditioning (except the first run), 40 mL of feed solution

in 10M HCl of 100 µg/mL Zr, 10 mL of 2M HCl for eluting Zr from the column,

and 10 mL of water for washing the column. l, SIR Aliquat 336 resin (the

flowrate decreased from 0.43 mL/min at the beginning to 0.12 mL/min at the

end); 


l

l

, Levextrel Aliquat 336M resin (the flowrate decreased from 0.18



mL/min at the beginning to 0.05 mL/min at the end).

Downloaded from https://academic.oup.com/chromsci/article-abstract/37/5/171/302600

by guest

on 27 February 2018




Journal of Chromatographic Science, Vol. 37, May 1999

 178

2, and thereafter there was little change in capacity. One of rea-

sons for this difference between runs 1 and 2 could be the pre-

conditioning prior to run 2. As has been mentioned previously

that at the preconditioning stage, some emulsion formation in

the effluent was observed, indicating loss of extractant. The flow

rate of the Levextrel Aliquat 336M resin column decreased from

0.43 to 0.12 mL/min, and that of the SIR Aliquat 336 resin

column decreased from 0.18 to 0.05 mL/min. The decreases in

flow rate and capacity reflect the loss of extractant from the sup-

port. The stability of a chromatographic column includes phys-

ical stability and chemical stability. Losses of extractant from

the column may derive either from dissolution into the eluants

or drainage by the eluant of undissolved portions of extractant

scarcely retained on the supporting material. They may result in

the undesirable presence of extractant in the eluate and also in

the variation of the characteristics of the column. When a

second, more retained element is involved (in the case of this

work, Zr) and loaded at a high ratio, leakages of extractant could

also include losses of the extracted compound and give rise to

contamination of the eluate and decreases in the purification

factor of the first, less retained element or incomplete recovery

of the second element in the subsequent steps. In general, a

maximum loading of no more than 20% of the column capacity

is recommended in extraction chromatography. In the experi-

ments shown in Table II, the resin amount in the column was

0.4 g, hence the Zr loading was between 0.003–1%. In addition,

10  mL  of  conditioning  phase  (8M  HCl)  aged  the  column.

Therefore, the instability of the resin has no significant effect on

the purification factors when the metals loading is very low (no

more than 1% of the maximum capacity) and aging action is

taken.


From Figure 10, it can also be seen that the Levextrel resin is

more stable than the SIR resin. This may be attributed to the dif-

ferent ways the extractant was introduced and held on the sup-

port. For the Levextrel resin, the extractant was added before the

polymerisation started, and as a result, a large amount of the

extractant was adsorbed and fixed in the network or matrix of the

porous copolymer. Figure 6A may be further evidence of this,

because no adsorption of Zr was observed on the 1:9 Levextrel

TNOA resin. For the SIR resin, which was prepared “in house”, a

large amount of the extractant was adsorbed onto the surface of

the resin by physical adsorption, and some of the extractant

entered the cavities of the porous support by capillary forces.

Consequently, the Levextrel resin should be more stable than the

in-house SIR resin. From Levextrel Aliquat 336M resin (Figure

4A) and SIR Aliquat 336 resin (Figure 4B) and Figure 8, it can be

seen that the tailing of Hf and Zr on the Levextrel resin is more

serious than on the  SIR resin. This verifies the above analysis.

Conclusion

The experimental results showed that TNOA and Aliquat 336

are good extractants for the zirconium–hafnium separation in an

extraction chromatography system. Aliquat 336 is more selective

than TNOA. The separation factors obtained ranged between 36

and 164 for 1–100 µg of Hf and 2.5–100 µg of Zr. Channeling in

the column is more serious with larger column dimensions and

support particle sizes. An optimum extractant loading ratio of 1:2

(the weight ratio of extractant over the support) was identified for

separation purposes. No separation can be achieved when the feed

aqueous solution contains hydrofluoric acid. The stability of the

Levextrel resin is better than the solvent impregnated resin pre-

pared in house using the conventional method.

Acknowledgments

This work was carried out at the CNRS, Université Blaise Pascal

under the support of the CNRS - K.C. Wong Fellowship (France)

to X.J. Yang. The authors would like to thank Dennis Jenke,

whose critical comments greatly improved the manuscript.

References

1. J.L. Hague and L.A. Machlan. Separation of hafnium from zirconium

by anion exchange. J. Res. Natl. Bur. Std.

A65: 75–77 (1961).

2. F.W.E. Strelow and C.J.C. Bothma. Anion exchange and a selectivity

scale for elements in sulfuric acid media with a strongly basic resin.

Anal. Chem.

39(6): 595–99 (1967).

3. J. Korkisch. Modern Methods for the Separation of Rare Metal Ions.

Pergamon Press, Oxford, U.K., 1969, p. 415.

4. B. Nandi, N.R. Das, and S.N. Bhattacharyya. Solvent extraction of

zirconium and hafnium. Solvent Extr. Ion Exch.

1: 141 (1983).

5. J. Hara. Solvent Extr. Ion Exch. 10: 239(1988).

6. R.H.A. Crawley. Separation of zirconium and hafnium by reversed-

phase chromatography. Nature



197: 377–78 (1963).

7. K. Ueno and M. Hoshi. The separation of zirconium and hafnium by

tributyl phosphate–celite reversed-phase partition chromatography.

Bull. Chem. Soc. Jpn.



39: 2183–87 (1966).

8. J.S. Fritz and R.T. Frazee. Reversed-phase chromatographic separa-

tion of zirconium and hafnium. Anal. Chem.

36: 1324–26 (1964).

9. Q.Wang, K. Taunoda, and H. Akaiwa. Extraction crhomatographic

behaviours of zirconium and hafnium using sulfoxides as stationary

phases. Anal. Sci.



11: 909–913 (1995).

10. F.L. Moore. Long-chain amines: versatile acid extractants. Anal.



Chem.

29: 1661 (1957).

11. E. Cerrai and C. Testa. Extraction and separation of zirconium and

hafnium by means of liquid anionic exchangers in a hydrochloric

acid medium (II): Extraction with tri-n-octylamine. Energia Nucleare



6(12): 768–80 (1959).

12. F. Bonfanti, E. Cerrai, and G. Ghersini. Extraction and separation of

zirconium and hafnium by means of liquid anionic exchangers in a

hydrochloric  acid  medium  (III):  Extraction  with  tricaprylyl-

monomethyl ammonium chloride. Energia Nucleare

14(10): 578–85

(1967).


13. E. Cerrai and C. Testa. The use of tri-n-octylamine–cellulose in chem-

ical separations. J. Chromatogr.



6: 443–51 (1961).

14. G.S. Katykhin. Inert supports in column extraction chromatography.

In Extraction Chromatography, Journal of Chromatography Library,

Vol. 2, T. Braun and G. Ghersini, Eds. Elsevier, Amsterdam, the

Netherlands, 1975, Chap. 5.

15. N.R. Das and P. Chattopadhyay. Solvent and reversed-phase extrac-

tion  chromatographic  separation  of  niobium,  zirconium  and

hafnium with Aliquat 336. Bull. Chem. Soc. Jpn.



61: 4423–26

(1988).


16. Extraction Chromatography, Journal of Chromatography Library, 

Vol. 2, T. Braun and G. Ghersini, Eds. Elsevier, Amsterdam, the

Downloaded from https://academic.oup.com/chromsci/article-abstract/37/5/171/302600

by guest


on 27 February 2018


Journal of Chromatographic Science, Vol. 37, May 1999

179

Netherlands, 1975.

17. R. Kroebel and A. Meyer. Ger. Offen., 2162951, 1973.

18. H.W.  Kauczor  and  A.  Meyer.  The  structure  and  properties  of

Levextrel resin. Hydrometallurgy 

3(3): 63–73(1978).

19. Grosse-Ruyken and J. Bosholm. Partition chromatography of rare

earths by bis-(2-ethylhexyl) phosphoric acid. I. Effect of the working

conditions on the separative efficiency of the column. J. Prakt. Chem.



25(1–2): 79–87 (1964).

20. B.J. Stanley, C.R. Foster, and G.Guiochon. On the reproducibility of

column performance in liquid chromatography and the role of the

packing density. J. Chromatogr. A 



761: 41–51 (1997).

21. X.J. Yang and C. Pin. Separation of hafnium and zirconium from Ti-

and Fe-rich geological materials by extraction chromatography.

Anal. Chem.

71(9) (1999).

Manuscript accepted April 5, 1999.

Downloaded from https://academic.oup.com/chromsci/article-abstract/37/5/171/302600

by guest


on 27 February 2018

Yüklə 148,37 Kb.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə