Способ переработки химического концентрата природного урана

Способ переработки химического концентрата природного урана

Реферат

Изобретение относится к технологии переработки химических концентратов природного урана (ХКПУ), имеющих повышенное содержание примесей серы и железа, а возможно, и фосфора, с использованием трибутилфосфата (ТБФ) в углеводородном разбавителе.

Известно (В.Б. Шевченко, Б.Н. Судариков. Технология урана. М.: Госатомиздат, 1961, с.227), что экстракция уранилнитрата трибутилфосфатом резко ухудшается при наличии в растворе ряда анионов, образующих с ураном комплексные соединения, например, фосфат- и сульфат-ионов, в концентрации порядка 0,1÷0,2 N и более. Их отрицательное влияние на эффективность экстракции связано с уменьшением коэффициента распределения уранилнитрата между органической и водной фазами, что приводит к увеличению содержания урана в рафинате.

Известен способ (Ч. Харрингтон, А. Рюэле. Технология производства урана. М.: Госатомиздат. 1961, с.178÷181) переработки ХКПУ, включающий экстракцию урана из пульпы. Экстракцию проводят до насыщения экстрагента ураном 95 г/л (79%-ное насыщение экстрагента ураном). Концентрация азотной кислоты, в зависимости от содержания сульфатов, поддерживается в пределах 0,8÷1,8 моль/л. Рафинат содержит урана менее 0,1 г/л.

Известен способ переработки ХКПУ с повышенным содержанием фосфора и серы (патент №2398036, МПК С22В 60/02, С22В 3/06, С22В 3/38 (2006.01), опубл. 27.08.2010), включающий экстракцию урана из раствора. Экстракцию урана ведут из растворов с концентрацией азотной кислоты 30÷80 г/л до насыщения экстрагента ураном 60÷75%, при этом величину насыщения экстрагента ураном в указанном интервале, в %, поддерживают не выше величины (0,3×[HNO₃]+51), где [HNO₃] - концентрация свободной азотной кислоты в исходном водном растворе, направляемом на экстракцию, в г/л. Способ выбран за прототип.

Известные способы учитывают влияние тех или иных примесей на экстракцию. Однако совместного влияния нескольких примесей (ионов трехвалентного железа, сульфат-ионов, фосфат-ионов), их повышенного содержания, на извлечение урана в экстракт и тем самым на остаток урана в рафинате в известных способах не учитывают.

На рынке урана качество ХКПУ регламентируется международным стандартом для концентратов урановой руды ASTM С 967-08. В соответствии с этим стандартом содержание железа, как правило, составляет не более 0,15 мас. % к урану, серы - не более 1,0 мас.% к урану, фосфора - не более 0,1 мас.% к урану (так называемые пределы «без взыскания»). Этим же стандартом допускается повышенное содержание железа, серы и фосфора в концентрате урана, а именно: до 1,0 мас.% к урану для железа, до 4,0 мас.% к урану для серы и до 0,7 мас.% к урану для фосфора (так называемые пределы «без браковки», которые предусматривают дополнительную плату за переработку концентрата).

На практике в ряде случаев производители ХКПУ реализуют концентрат с еще большим содержанием примесей, например, железа, до 3,7 мас.% к урану.

Задачей изобретения является получение сбросных по урану рафинатов с содержанием урана в рафинате менее 0,07 г/л при переработке концентратов урана с повышенным содержанием примесей железа, серы и, возможно, фосфора. При этом должна быть обеспечена необходимая очистка урана от примесей, то есть уран должен быть очищен до требований международного стандарта ASTM C787-03 на гексафторид урана для обогащения.

Поставленную задачу решают тем, что в способе переработки химического концентрата природного урана, включающем его растворение в растворе азотной кислоты, экстракцию урана трибутилфосфатом в углеводородном разбавителе и реэкстракцию урана, растворению подвергают концентрат урана с повышенным содержанием железа, серы и, возможно, фосфора, а именно: железа 1,2÷3,7 мас.% к урану, серы 1,4÷4,0 мас.% к урану и фосфора 0÷0,7 мас.% к урану, при этом воду и азотную кислоту берут в количестве, обеспечивающем концентрации в растворе, направляемом на экстракцию,: урана 450÷480 г/л, ионов трехвалентного железа 0,1÷0,3 моль/л, сульфат-ионов 0,2÷0,6 моль/л, фосфат-ионов 0÷0,10 моль/л, свободной азотной кислоты 0,8÷2,4 моль/л, и насыщение экстрагента ураном в процессе экстракции поддерживают в соответствии с соотношением:

У≤90,691-34,316·[SO₄]+7,611·([Fe]-[PO₄])+5,887·[HNO₃]-9,921·[SO₄]·[HNO₃]+19,841·[SO₄]²+7,481·([Fe]-[РО₄])·[HNO₃]-64,728·([Fe]-[PO₄])·[SO₄]+92,701·[SO₄]·[HNO₃]·([Fe]-[PO₄])-185,402·[SO₄]²·([Fe]-[PO₄]),

где У - насыщение экстрагента ураном, %, и концентрации в растворе, направляемом на экстракцию, моль/л: [SO₄] - сульфат-ионов, [PO₄] - фосфат-ионов, [HNO₃] - азотной кислоты, [Fe] - ионов трехвалентного железа.

Были проведены эксперименты, в которых определяли влияние примесей и их количеств на извлечение урана в экстракт и тем самым на содержание урана в рафинатах. Эксперименты показали, что в случае растворов, направляемых на экстракцию, с концентрациями в интервалах: уранилнитрата в пересчете на уран 450÷480 г/л, ионов трехвалентного железа 0,1÷0,3 моль/л, сульфат-ионов 0,2÷0,6 моль/л, фосфат-ионов 0÷0,10 моль/л, и свободной азотной кислоты 0,8÷2,4 моль/л, следует, для достижения содержания урана в рафинате менее 0,07 г/л, поддерживать в процессе экстракции указанную ниже степень насыщения «У» экстрагента ураном:

Для других концентраций, не входящих в указанные выше интервалы, степень насыщения «У», соответствующая приведенному соотношению (I), не обеспечивает заданного сбросного содержания урана в рафинатах.

Указанные концентрации примесей и кислоты в растворе обеспечивают при растворении концентратов с содержанием железа 1,2÷3,7 мас.% к урану, серы 1,4÷4,0 мас.% к урану и фосфора до 0,7 мас.% к урану в азотнокислых растворах заданной концентрации.

Способ осуществляют следующим образом.

Перерабатывали ХКПУ с повышенным содержанием железа, серы и, возможно, фосфора, а именно: с содержанием железа 1,2÷3,7 мас.% к урану, серы 1,4÷4,0 мас.% к урану и фосфора до 0,7 мас.% к урану.

Раствор уранилнитрата был приготовлен растворением ХКПУ с указанным содержанием примесей в растворе азотной кислоты заданной концентрации и отделен от нерастворимого остатка декантацией; для приготовления раствора кислоту и воду берут в количестве, обеспечивающем концентрации в растворе, направляемом на экстракцию,: уранилнитрата в пересчете на уран 450÷480 г/л, ионов трехвалентного железа 0,1÷0,3 моль/л, сульфат-ионов 0,2÷0,6 моль/л, фосфат-ионов 0÷0,10 моль/л, свободной азотной кислоты 0,8÷2,4 моль/л.

Экстракцию осуществляли при заданной температуре 30%-ным ТБФ в углеводородном разбавителе из раствора с повышенным содержанием ионов трехвалентного железа и сульфат-ионов, и в некоторых случаях фосфат-ионов. Степень насыщения экстрагента ураном «У» обеспечивали заданным соотношением фаз O:В.

Экстракт промывали и промытый экстракт направляли на реэкстракцию.

Результаты опытов приведены в таблице.

В опытах 1-13, при содержании в растворе уранилнитрата примесей и азотной кислоты в заявляемых пределах и степени насыщения экстрагента ураном, соответствующей соотношению (I), обеспечено получение рафинатов с содержанием урана ниже 0,07 г/л. При степени насыщения, не соответствующей соотношению (I), сбросы урана с рафинатом превышают 0,07 г/л.

В опытах 14-15, при содержании азотной кислоты в исходном растворе уранилнитрата, выходящем за интервал 0,8-2,4 моль/л, значения степени насыщения, хотя и соответствуют соотношению (I), но не обеспечивают получение сбросных по урану (ниже 0,07 г/л) рафинатов.

Таблица
№ опыта	Исходный раствор, моль/л	Экстракт	Рафинат [U], г/л
[SO4]	[HNO3]	[Fe]	[PO4]	насыщение, %	[U], г/л
1	0,20	0,80	0,30	0	94,9	121,6	11,2
85,4	109,4	0,07
1 расч.	У≤90,2	У≤115,5	-
2	0,20	0,80	0,10	0	95,4	122,2	16,4
88,6	113,4	0,07
82,6	105,8	0,07
2 расч.	У≤88,6	У≤113,4	-
3	0,20	1,00	0,30	0	96,1	123,1	8,2
92,5	118,5	0,07
89,2	114,3	0,07
3 расч.	У≤92,5	У≤118,5	-
4	0,20	1,00	0,10	0	94,2	120,7	5,3
78,1	100,1	0,07
4 расч.	У≤89,9	У≤115,1	-
5	0,60	1,80	0,10	0	84,8	108,6	4,7
78,7	100,8	0,07
71,0	91,0	0,07
5 расч.	У≤78,7	У≤100,8	-
6	0,60	1,80	0,30	0	87,8	112,5	16,3
71,0	91,0	0,07
6 расч.	У≤81,8	У≤104,8	-
7	0,20	1,60	0,30	0	99,5	127,5	0,07
91,0	116,6	0,07
7 расч.	У≤99,5	У≤127,5	-
8	0,20	1,60	0,10	0	99,7	127,7	19,2
88,3	113,1	<0,07
8 расч.	У≤93,8	У≤320,1	-
9	0,60	2,40	0,10	0	92,5	118,5	3,6
82,4	105,6	0,07
78,9	101,1	<0,07
9 расч.	У≤82,4	У≤305,6	-
10	0,60	2,40	0,30	0	95,9	122,9	5,2
86,4	110,7	0,07
10 расч.	У≤93,1	У≤19,3	-
11	0,40	1,70	0,20	0	93,0	119,1	3,2
89,0	114,0	0,07
82,4	105,6	0,07
11 расч.	У≤89,0	У≤114,0	-
12	0,40	1,70	0,20	0,027	91,9	117,7	2,7
88,2	113,0	0,07
79,2	101,5	0,07
12 расч.	У≤88,2	У≤13,0	-
13	0,40	1,70	0,20	0,100	92,1	118,0	4,1
86,2	110,4	0,07
78,0	99,9	0,07
13 расч.	У≤86,2	У≤310,4	-
14	0,60	0,60	0,10	0	81,9	104,9	31,4
71,2	91,2	3,2
68,0	87,1	0,41
14 расч.	У≤71,2	У≤91,2	-
15	0,60	2,60	0,30	0	97,6	125,0	12,8
96,9	124,1	1,7
93,8	120,2	0,14
15 расч.	У≤96,9	У≤124,1	-

В реэкстрактах урана опытов 1÷13 содержание всех балластных примесей было меньше значений, приведенных в ASTM C787-03 на гексафторид урана для обогащения, т.е. обеспечена необходимая очистка урана.

Способ переработки химического концентрата природного урана, включающий его растворение в водном растворе азотной кислоты, экстракцию урана из раствора трибутилфосфатом в углеводородном разбавителе и реэкстракцию урана, отличающийся тем, что растворению подвергают концентрат урана с содержанием железа 1,2÷3,7 мас.% к урану, серы 1,4÷4,0 мас.% к урану и фосфора 0÷0,7 мас.% к урану, при этом при растворении воду и азотную кислоту берут в количестве, обеспечивающем в направляемом на экстракцию азотнокислом растворе уранилнитрата концентрации: урана 450÷480 г/л, ионов трехвалентного железа 0,1÷0,3 моль/л, сульфат-ионов 0,2÷0,6 моль/л, фосфат-ионов 0÷0,10 моль/л и свободной азотной кислоты 0,8÷2,4 моль/л, и насыщение экстрагента ураном в процессе экстракции поддерживают в соответствии с соотношением:У≤90,691-34,316·[SO₄]+7,611·([Fe]-[PO₄])+5,887·[HNO₃]-9,921·[SO₄]·[HNO₃]+19,841·[SO₄]²+7,481·([Fe]-[PO₄])·[HNO₃]-64,728·([Fe]-[PO₄])·[SO₄]+92,701·[SO₄]·[HNO₃]·([Fe]-[PO₄])-185,402·[SO₄]²·([Fe]-[PO₄]), где У - насыщение экстрагента ураном, %, и концентрации в растворе, направляемом на экстракцию, моль/л: [SO₄] - сульфат-ионов, [PO₄] - фосфат-ионов, [HNO₃] - азотной кислоты, [Fe] - ионов трехвалентного железа.