Экстракционный аффинаж урана с использованием нитрата мочевины


с. 1
ЭКСТРАКЦИОННЫЙ АФФИНАЖ УРАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НИТРАТА МОЧЕВИНЫ
Ю.В. Островский1, Г.М. Заборцев2, А.Б. Александров3, С.Ю. Сайфутдинов3,

А.Л. Хлытин3

1) ОАО «Новосибирский «ВНИПИЭТ», 2) ООО НПЦ «ЭЙДОС», Новосибирск,

3) ОАО «НЗХК», Новосибирск
Технологическая схема экстракционного аффинажа урана на предприятиях отрасли, получающих керамический диоксид урана через стадию осаждения полиураната аммония (АДУ-процесс), включает растворение урановых концентратов в азотной кислоте, экстракцию нитрата уранила раствором трибутилфосфата (ТБФ) в органическом разбавителе в присутствии высаливателя с последующей реэкстракцией урана и выводом рафината, содержащего до 200 г/л азотной кислоты, из процесса [1].

Недостатками этой технологии являются безвозвратные потери азотной кислоты из-за нейтрализации рафинатов гидроксидом кальция и сброса нитратов со сточными водами на полигон хранения жидких радиоактивных отходов.

Нами разработан технологический процесс экстракционного аффинажа концентратов урана, обеспечивающий как снижение сброса нитрат-ионов и урана со сточными водами, так и существенное сокращение расхода азотной кислоты за счет использования в процессе экстракции урана в качестве подкисляющего реагента нитрата мочевины, образующегося в результате карбамидной денитрации рафинатов [2].

Технологическая схема экстракционного аффинажа урана с использованием нитрата мочевины (рис. 1) включает растворение урановых концентратов в азотной кислоте, подкисление полученного раствора нитратом мочевины, экстракцию урана, карбамидную денитрацию рафината с получением осадка нитрата мочевины и возвратом его в голову процесса, реэкстракцию урана и осаждение полиураната аммония с получением товарной закиси-окиси урана, использование нитрата мочевины для связывания оксидов азота, выделяющихся при растворении урановых концентратов [2].

Для установления влияния нитрата мочевины на процесс аффинаже урана исследовали экстракцию нитрата мочевины и урана в системе UO2(NO3)2 - HNO3 - CO(NH2)2*HNO3 - H2O, при концентрации урана до 75 г/л; азотной кислоты – 30 г/л и нитрата мочевины CO(NH2)2 × HNO3 – 75 г/л. Используемый экстрагент - 23% ТБФ в органическом разбавителе.

Выяснено, что экстракция нитрата мочевина в ТБФ из нитратно - мочевинного раствора, содержащего >50 г/л урана, практически отсутствует. Показатели экстракции урана из нитратно-мочевинного и азотнокислого растворов нитрата уранила близки и 3÷4 ступени экстракции обеспечивают остаточные концентрации по урану на уровне СU = 0.013-0.014 г/л при исходной концентрации СU = 70.0 г/л.

Емкость по урану экстрагента – 23% ТБФ в органическом разбавителе при экстракции урана из нитратно-мочевинного и азотнокислого растворов достаточно близки и достигают 70-72 г/л, что объясняется слабой экстракцией нитрата мочевины в присутствии нитрата уранила. Реэкстракция урана подкисленной водой при рН=3 протекает достаточно эффективно.

Рисунок 1  Схема экстракционного аффинажа урана с использованием нитрата мочевины

На эффективность процесса экстракции урана влияет концентрация нитрата мочевины (кислотность раствора) в исходном растворе (рис. 2). С ростом концентрации нитрата мочевины заметно возрастает коэффициент распределения урана (Кр). Образования осадка нитрата мочевины при экстракции урана из нитратно-мочевинного раствора не обнаружено.

Для исключения непроизводительного накопления осадка нитрата мочевины растворение урановых концентратов целесообразно вести в растворе азотной кислоты пониженной кислотности.

Исследования растворения закиси-окиси урана в азотной кислоте различной концентрации показали, что при 90°С и концентрации азотной кислоты 70 г/л (избыток над стехиометрией 0.5 моль/л) обеспечивается время растворения U3О8, сопоставимое с условиями промышленного производства при температуре 70°С и исходной концентрации азотной кислоты 160 г/л (рис. 3).

Были проведены укрупнённые лабораторные испытания схемы экстракционного аффинажа урана с использованием нитрата мочевины, начиная от растворения уранового концентрата и заканчивая изготовлением таблеток из порошка керамической двуокиси урана.

Урановый концентрат – закись-окись урана растворили в азотной кислоте при 90ºС с последующей добавкой нитрата мочевины и получением раствора с концентрацией урана 104 г/л и нитрата мочевины 175 г/л при общей кислотности раствора 113.4 г/л. Экстракцию урана проводили 23 % -ным раствором ТБФ в органическом разбавителе. Условия экстракции – реэкстракции урана представлены в таблице.

Был получен экстракт и рафинат, общая кислотность которого составила 92.0 г/л, а концентрация урана 0.66 г/л. Экстракция нитрата мочевины в экстрагент отсутствовала. При реэкстракции урана подкисленной водой при рН=3 был получен реэкстракт, в котором содержалось 99.4 % первоначально растворенного урана.



Рисунок 2 – Зависимости кислотности рафината и Кр от концентрации нитрата мочевины в исходном растворе



Рисунок 3 – Растворение закиси-окиси урана в азотной кислоте при

температурах 70 и 90°С

Осаждение полиураната аммония из реэкстракта проводили в одну стадию при нагревании до 50-60°С и рН = 6.8. Получили маточный раствор с концентрацией по урану 0.36 мг/л и аммонийную соль влажностью 75 %.

Полиуранат аммония прокалили при 600 °С в течение 20 минут. В полученном порошке закиси-окиси урана содержание урана общего – 84.5 %, углерода – 0.0064 % и азота – < 0.002 %.

Денитрацию рафината проводили с использованием сухой мочевины, взятой с 10 %-ным избытком. Полученный раствор охладили до температуры 0-5 °С и выдержали в течение 1 часа. Осадок нитрата мочевины отфильтровали под вакуумом, а затем сушили на воздухе. Свободная кислотность в полученном фильтрате составила 40.6 г/л по азотной кислоте, а концентрация урана 0.86 г/л.

Закись-окись урана восстановили водородом при температуре 570 °С в течение 1 часа. Из полученного диоксида урана изготовили таблетки и спекли их в промышленной печи в среде водорода. Таблетки имели среднюю плотность 10.52 г/см3. Содержание примесей в таблетках диоксида урана не превышало допустимых требований для керамического диоксида урана [3].

Таблица – Условия экстракции-реэкстракции урана из нитратно-

мочевинного раствора


Параметр

Величина

Экстрагент

23% ТБФ в органич. разбавителе

Соотношение фаз на экстракции

О:В = 1:2

Время контакта фаз при экстракции

10 минут

Число ступеней экстракции

6 ступеней

Реэкстрагент

Раствор HNO3 (рН=3)

Соотношение фаз на реэкстракции

О:В = 1:1

Время контакта фаз при реэкстракции

10 минут

Число ступеней реэкстракции

5 ступени

Температура процесса

200С

По результатам экстракционного аффинажа урана с использованием нитрата мочевины в качестве оборотного высаливателя можно сделать следующие выводы:



  • осуществлена регенерация нитрата мочевины из экстракционного рафината;

  • переход мочевины из исходного раствора в экстрагент не обнаружен;

  • кислотность рафината снижается с 2.5 до 0.6 моль/л;

  • в присутствии нитрат мочевины экстрагируется до 99.4-99.9 % урана:

  • из порошка керамической двуокиси урана получены таблетки, обладающие кондиционной плотностью.

Нитрат мочевины, содержащий 49 % (по массе) мочевины, также может быть использован для улавливания оксидов азота, образующися при растворении урановых концентратов.

Таким образом, нитрат мочевины может быть использован в качестве высаливателя в процессе экстракционного аффинажа урана без ухудшения качества продукции - керамического диоксида урана, а предлагаемая схема экстракционного аффинажа урана обеспечивает существенное снижение сброса нитрат-ионов со сточными водами и позволяет снизить расход азотной кислоты до 50-70 % от действующего за счет замены ее нитратом мочевины.


Список литературы:

1. Афанасьев В.Л., Рожков В.В., Александров А.Б. и др. (Россия). Патент № 2209476. 2003 г. Бюл. № 21.



2. Островский Ю.В., Заборцев Г.М., Шпак А. А. и др. // Радиохимия. 2004. Т. 46. № 3. C. 232-235.

3. Майоров А.А., Браверман И.Б. Технология получения порошков керамической двуокиси урана. М.: Энергоатомиздат. 1985. 127 с.
с. 1

скачать файл