Способ получения карбоната цезия

 

Изобретение относится к переработке азотно-кислых концентратов цезия - 137. Целью изобретения является ускорение процесса и обеспечение его безопасности при переработке нитрата цезия - 137. Способ заключается в упаривании нитратного раствора цезия в присутствии щавелевой и муравьиной кислот при молярном соотношении компонентов CsNO₃:H₂C₂O₄:HCOOH=1:(4.5-5.0):(3.0-3.5) в тонкопленочном роторном испарителе при температуре 115 - 120°С до получения сухого остатка с последующим термическим разложением образовавшихся щавелевокислых солей. Способ позволяет увеличить производительность труда в 3 - 4 раза, повысить экономичность процесса и обеспечить безопасность процесса при переработке цезия - 137. 3 табл.

Изобретение относится к переработке азотно-кислых концентратов цезия-137 с получением соединений, в частности карбоната цезия-137, удобных для дальнейшего использования при изготовлении активной части радиоактивных источников тепла или излучения в виде солей, в частности хлорида цезия или цезийсодержащих стекол, и может быть использовано в химической промышленности при получеии щавелевокислых солей и карбоната цезия. Целью изобретения является ускорение процесса и обеспечение его безопасности при переработке нитрата цезия-137. Способ осуществляют следующим образом. Узел подготовки исходных растворов состоит из двух емкостей, где в одной содержится раствор азотно-кислого цезия, а в другой - смесь кислот: щавелевой и муравьиной в необходимых стехиометрических количествах. Емкость, содержащую смесь кислот, подогревают до 60-70^оС во избежание кристаллизации и выпадения в осадок избытка Н₂С₂О₄. Подогрев более 70^оС не рекомендуется в связи с возможной отгонкой НСООН. Приготовленные растворы непрерывно подаются в ТРК, нагреваются до 115-120^оС, где идет разрушение нитрат-иона, упарка реакционной смеси и синтез щавелево-кислых солей цезия. Получаемый продукт поступает в приемный стакан печи. Температура в печи 200-250^оС. Происходит глубокая упарка до сухого остатка, переход щавелево-кислых солей цезия в оксалат цезия и отгонка избытка щавелевой кислоты. После окончания дозирования перерабатываемых растворов, температуру в печи увеличивают до 4004-450^оС и осадки выдерживают в течение 2 ч для перевода щавелево-кислых солей цезия в карбонат цезия. Эксперименты показали, что при содержания в смеси муравьиной кислоты менее 3-кратного и щавелевой кислоты менее 4,5-кратного избытка по отношению к стехиометрии получаемый карбонат цезия содержит примеси нитрата цезия. Увеличение содержания муравьиной кислоты до более 3,5-кратного и щавелевой кислоты до более 5,0-кратного избытка от стехиометрии не влияет на качество конкретного продукта и приводит к перерасходу реагентов, что также нецелесообразно. При температуре процесса ниже 115^оС снижается степень упаривания, происходит быстрое наполнение приемного стакана печи перенасыщенным влагой продуктом, бурное его кипение с возможным выбросом реакционной смеси в рабочий объем печи. При температуре процесса выше 120^оС происходит отгонка муравьиной кислоты, что нарушает стехиометрическое соотношение реагентов в зоне реакции, полного разрушения нитрат-ионов не происходит, остаточный нитрат цезия налипает на стенки ТРК, вызывая зарастание его рабочего объема, заклинивание ротора и самопроизвольную остановку процесса. Кроме того, в полученном карбонате цезия присутствует нитрат цезия. П р и м е р 1. Для получения предварительных данных по количественным соотношениям муравьиной кислоты в смеси проводились эксперименты в лабораторных условиях в вытяжном шкафу в химических стаканах емкостью 250 мл. Использовался модельный раствор, имитирующий концентрат азотно-кислого цезия-137, содержащий нитрат цезия в количестве 97,5 г/л, со смесью кислот щавелевой и муравьиной , предварительно подогретых до 60-70^оС, причем количество щавелевой кислоты не менялось и составляло 9 стехиометрий относительно нитрата цезия, а количество НСООН меняли от 1 до 4 стехиометрий. Аликвоты раствора нитрата цезия доводили до кипения на песчаной бане в вытяжном шкафу, после чего к ним приливали смесь кислот. Полученную реакционную смесь упаривали до сухого остатка и выдерживали в течение 2 ч при температуре 240-250^оС. Полученный сухой остаток анализировали методом рентгенофазового анализа. Результаты экспериментов сведены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что целесообразно использовать 3,0-3,5-кратный мольный избыток от стехиометрии НСООН для полного разрушения нитрат-иона без платинового катализатора. Более 3,5-кратного избытка от стехиометрии прибавлять не стоит, так как это ведет к увеличению расхода реагента без изменения качества конечного продукта. П р и м е р 2. Эксперименты проводились на лабораторной установке СМК, в состав которой входили две емкости, содержащие: первая - раствор нитрата цезия (концентрация аналогична примеру 1), вторая - смесь кислот щавелевой и муравьиной, подогреваемых до 60-70^оС, два насоса-дозатора (скорость дозирования каждого 200 мл/ч), вертикальный ТРК и печь нагрева с приемным стаканом. Приготовленные растворы подавались в ТРК, температура которых менялась от 135 до 105^оС. Стехиометрическое соотношение составляло СsNО₃: H₂C₂О₄: HCООН = 1:9: (3,0-3,5) в момент поступления реакционной смеси в рабочий объем ТРК, где происходит синтез щавелево-кислых солей цезий и упаривание смеси. Получаемый продукт поступал в приемный стакан, находящийся в печи и нагретый до 250^оС, где окончательно упаривался до сухого избытка щавелевой кислоты. После окончания дозирования температуру в печи поднимали до 400-450^оС, и полученный продукт выдерживался в течение 2 ч. Затем осадок анализировали аналогично примеру 1. Результаты экспериментов приведены в табл. 2. В ходе каждого опыта перерабатывали по 0,5 л раствора азотно-кислого цезия. Из табл. 2 видно, что оптимальной температурой проведения процесса является температура 115-120^оС. П р и м е р 3. Была проведена серия экспериментов аналогично примеру 2, но температура упариваемого раствора была постоянна и составляла 115-120^оС. Мольное соотношение нитрата цезия и НСООН также оставалось постоянным и было равно 1:(3,0-3,5). В ходе экспериментов изменялось число молей щавелевой кислоты от 3,3 до 5,0. Результаты сведены в табл. 3. Из табл. 3 видно, что необходимое соотношение СsNО₃:H₂C₂О₄ при синтезе cоставляет 1:(4,5-5,0). Увеличение количества щавелевой кислоты в реакционной смеси нецелесообразно, так как это не влияет на состав получаемого продукта, но приводит к повышенному расходу щавелевой кислоты. П р и м е р 4. Эксперименты проводились аналогично примеру 3, но по ходу экспериментов мольное соотношение СSNО₃:H₂C₂О₄ оставалось постоянным и составляло 1:(4,5-5,0), тогда как количество молей НСООН в реакционной смеси изменялось от 1,0 до 3,5. Результаты экспериментов оказались аналогичны примеру 1 (см. табл. 1). Использование предлагаемого способа обеспечивает увеличение производительности труда в 3-4 раза из-за исключения двух-трехкратного упаривания реакционной смеси и большей интенсивности процесса. Так, например, для переработки 1 л реакционной смеси, содержащей 97,5 г/л азотно-кислого цезия и 220,5 г/л безводной щавелевой кислоты, потребуется от 10 до 14 ч на получение карбоната цезия при двукратной упарке и от 16 до 20 ч при трехкартной упарке. Предлагаемый способ сокращает время проведения аналогичного процесса до 4,5-6 ч при переработке того же объема раствора. Процесс удешевляется за счет уменьшения энергозатрат при двух-трехкратной упарке и снижения расходов на реагенты. Так, например, при переработке 100 л раствора, содержащего 97,5 г/л нитрата цезия по прототипу при двух-кратной упарке потребуется 44,1 кг щавелевой кислоты, а при трехкратной 67,5 кг, в то время как при предлагаемом способе переработки того же количества раствора того же состава потребуется 12 кг щавелевой кислоты и 4,6 кг муравьиной кислоты; Повышается экономичность процесса за счет исключения платинового катализатора. Особенно это важно в условиях радиохимических производств, когда после получения карбоната цезия-137 использованная платина сдается в твердые радиоактивные отходы и идет на захоронение. Способ по изобретению позволяет обеспечить безопасность процесса при переработке нитрата цезия-137.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБОНАТА ЦЕЗИЯ из нитратного раствора, включающий его упаривание с щавелевой кислотой до получения сухого остатка с последующим термическим разложением образовавшихся щавелево-кислых солей, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса и обеспечения его безопасности при переработке нитрата цезия-137, упаривание ведут в тонкопленочном роторном испарителе при температуре 115 - 120^oС в присутствии муравьиной кислоты при следующем мольном соотношении компонентов: CsNO₃ : H₂C₂O₄ : HCOOH = 1 : (4,5 - 5,0) : (3,0 - 3,5).

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2