Способ извлечения урана из фосфорнокислых растворов

Изобретение относится к области гидрометаллургии, в частности к способу извлечения урана из отработанных фосфорнокислых растворов. Способ заключается в том, что в исходный раствор предварительно вводят окислитель, который выбирают из ряда: KMnO₄, K₂Cr₂O₇, HNO₃, H₂O₂, KClO₃. Затем проводят осаждение урансодержащего осадка путем корректировки кислотности аммиаком до значения pH 2,8÷4,0 при температуре 20÷35°C. Полученный после фильтрации осадок обрабатывают 20÷35%-ным раствором NaOH при температуре 80÷85°C в течение 1,5÷2,0 часов. Техническим результатом является высокая степень извлечения урана, возврат высокообогащенного урана в топливный цикл, ликвидация значительного объема среднеактивных жидких отходов посредством их переведения в категорию низко активных, а также сокращение затрат, связанных с поддержанием режима их безопасного долговременного хранения, учета и контроля. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 пр.

 

Изобретение относится к области гидрометаллургии, в частности к способу извлечения урана из отработанных фосфорнокислых растворов, образующихся в результате химического анализа, проводимого стандартизированным титриметрическим методом Дэвиса-Грея, на содержание урана в его различных производных (оксидах, нитридах, карбидах и др.).

Известен способ извлечения урана из растворов с использованием ионообменной смолы, селективно сорбирующей уран с последующим элюированием (вымыванием) его в десорбат (Патент РФ №2159741, МПК C01G 43/00, B01D 15/04, опубл. 27.11.2000).

Недостаток этого метода заключается в низкой удельной емкости смолы и соответственно необходимости применения громоздкого ядерно-безопасного оборудования.

Известен также способ извлечения урана из фосфорнокислых растворов путем многоступенчатой противоточной экстракции с использованием в качестве органической фазы смеси диалкилфосфорной кислоты и триалкилфосфиноксида в инертном разбавителе (Патент СССР №858572, МПК C22B 60/02, опубл. 23.08.81).

Большое количество задействованного оборудования и высокие капитальные затраты, необходимые для создания замкнутого экстракционного цикла, ограничивают применение этого метода.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к заявляемому изобретению прототипом является способ извлечения урана из фосфорсодержащих растворов, полученных в результате кислотного вскрытия монацитовых концентратов. Метод заключается в практически полной нейтрализации свободной кислоты аммиаком (pH~6,0) и последующем отделении урансодержащего осадка посредством фильтрации (И.Н. Бекман, Лекции МГУ «Торий», 2010 г., 136 с.).

Недостатком метода является низкая степень осаждения урана, обусловленная тем, что в техногенных растворах, образовавшихся в результате применения методики Дэвиса-Грея, по крайней мере, часть урана имеет валентность U⁴⁺ и образует не осаждаемый аммиаком химический комплекс. Кроме того, образующийся в более щелочной среде фосфат аммония обладает существенно меньшей растворимостью по сравнению с его ди- и гидро-фосфатами, что реально затрудняет дальнейший передел ввиду склонности системы к спонтанной кристаллизации.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в повышении степени извлечения урана из концентрированных по фосфат иону растворов, с получением перерабатываемого концентрата урана и низкоактивных маточных растворов.

Технический результат достигается тем, что в способе извлечения урана из фосфорнокислых растворов, включающем введение в исходный раствор осадителя, корректировку кислотности, фильтрацию и переработку полученного осадка, согласно изобретению в исходный фосфорнокислый раствор предварительно вводят окислитель, проводят корректировку кислотности аммиаком до значения pH (2.8÷4,0) при температуре (20÷35)°C, а полученный после фильтрации осадок обрабатывают (20÷35)% раствором NaOH при температуре (80÷85)°C в течение (1,5÷2,0) часов.

При этом окислитель может быть выбран из ряда: KMnO₄, K₂Cr₂O₇, HNO₃, H₂O₂, KClO₃.

Заявляемый способ отличается от известного тем, что в исходный раствор вводят окислитель, например насыщенный водный раствор перманганата калия до получения устойчивой фиолетовой окраски, свидетельствующей о завершении перехода U⁴⁺=>U⁶⁺. Далее свободную кислоту нейтрализуют водным раствором аммиака до pH 2,8÷4,0, одновременно поддерживая температуру в диапазоне 20÷35°C.

Необходимость поддержания обозначенного температурного диапазона обусловлена тем, что при температуре более 35°C имеет место термическое разложение перманганата калия и, соответственно, его непроизводительный расход, в то время как снижение температуры ниже 20°C существенно замедляет протекание жидкофазных окислительно-восстановительных реакций. Выбор интервала значений pH определяется тем, что при pH менее 2,8 возрастает содержание урана в маточном растворе, а при pH более 4,0 происходит образование фосфата аммония, существенно менее растворимого, чем гидрофосфатные формы.

Достижению технического результата способствует то, что полученный после фильтрации осадок обрабатывают 20÷35% раствором едкого натра при температуре 80÷85°C в течение 1,5÷2,0 часов. Это сделано для того, чтобы сократить содержание фосфора в выделенном из исходного раствора урановом концентрате, обеспечив тем самым его безусловную пригодность для дальнейшей аффинажной переработки.

Сущность предложенного технического решения поясняется примерами конкретного осуществления.

В таблице представлен типичный химический состав отработанных урансодержащих фосфатных растворов в результате химического анализа, проводимого стандартизированным титриметрическим методом Дэвиса-Грея, на содержание урана в его различных производных (оксидах, нитридах, карбидах и др.). (Отраслевая инструкция. Методика потенциометрического определения урана, 2000, 33 с. ОИ 001.493-00).

Таблица
Химическое вещество	Концентрация
Уран общий	(2,0-4,6) г/л
Ортофосфорная кислота	384 г/л; 4M; 12N
Сульфаминовая кислота	5,7 г/л
Бихромат калия	1,2 г/л
Азотная кислота	43,4 г/л; 0,7N
Молибдат аммония	0,36 г/л
Сульфат железа	6,72 г/л
Серная кислота	2,16 г/л
Ванадат аммония	0,044 г/л

Пример 1. Исходный раствор представленного выше состава, взятый в количестве 1,0 л, обработали 25% аммиаком до получения значения pH=6,8. После фильтрации получили 1,66 л маточного раствора, содержащего 0,6 г/л урана. Таким образом, его степень осаждения не превысила 80%.

Пример 2. В 1,0 л исходного раствора ввели ≈20 мл насыщенного раствора KMnO₄ до получения устойчивой слабо-фиолетовой окраски. Затем, избегая перегрева раствора, ввели 25% аммиак до pH=3,5. После фильтрации, остаточное содержание урана в маточном растворе составило 0,03 г/л. Удельная активность таких растворов при соотношении изотопов 235/238≈9 не превышает 3,7·10⁵ Бк/кг. Это позволяет отнести их к категории низкоактивных и существенно упрощает и удешевляет дальнейшую утилизацию.

Пример 3. В 1,0 л исходного раствора добавили ≈25 мл раствора перманганата калия до получения слабо-фиолетовой окраски, а затем, постепенно добавляя аммиак, довели pH раствора до значения 4,5. Отфильтровали выпавший осадок, а раствор проанализировали на содержание урана, которое составило 0,07 г/л. Следовательно, дальнейшее снижение кислотности системы не способствует полноте осаждения.

Пример 4. 30 л исходного раствора обработали аммиаком по предлагаемой процедуре, отфильтровали полученный осадок и обработали его 25% раствором едкого натра при температуре 85°C в течение 1,5 часов. Вес полученного в итоге химического концентрата составил 422 г при содержании урана 25,0% мас., что соответствует степени извлечения >96%.

Таким образом, как видно из приведенных примеров, заявляемое техническое решение в виде совокупности предлагаемых операций и параметров их проведения, обладает новизной, технически осуществимо и обеспечивает экономическую эффективность.

Экономическая эффективность от использования изобретения обусловлена высокой степенью извлечения урана, возвратом высокообогащенного урана в топливный цикл, ликвидацией значительного объема среднеактивных жидких отходов посредством их переведения в категорию низкоактивных, сокращением затрат, связанных с поддержанием режима их безопасного долговременного хранения, учета и контроля.

1. Способ извлечения урана из фосфорнокислых растворов, включающий осаждение урансодержащего осадка из исходного раствора путем корректировки кислотности, фильтрацию и переработку полученного осадка, отличающийся тем, что в исходный фосфорнокислый раствор предварительно вводят окислитель, корректировку кислотности проводят аммиаком до значения pH 2,8÷4,0 при температуре 20÷35°C, и полученный после фильтрации осадок обрабатывают 20÷35%-ным раствором NaOH при температуре 80÷85°C в течение 1,5÷2,0 часов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что окислитель выбирают из ряда: KMnO₄, K₂Cr₂O₇, HNO₃, H₂O₂, KClO₃.