Нитратный способ десорбции

Лекция №4 - Десорбция урана с насыщенных смол

Эффективность сорбционного извлечения урана из растворов определяется степенью его перехода из раствора на выбранный анионит, максимальным насыщением по урану из раствора данного химического состава, кинетикой процессов сорбции и десорбции, аппаратурным оформлением процесса, условиями десорбции урана и целым рядом других физико-химических параметров, которые неразрывно связаны между собой и оказывают соответствующее влияние на технологический процесс извлечения и концентрирования урана.

Особо важная роль принадлежит выбору способа десорбции урана с насыщенных анионитов. Способ десорбции определяет степень очистки урана от сопутствующих примесей, степень его концентрирования и технологию последующей переработки урановых регенератов с целью получения высокочистой готовой продукции - уранового концентрата или закись-окиси урана.

Ниже приводится краткий сравнительный анализ некоторых способов десорбции урана с насыщенных анионитов, полученных в процессе переработки растворов при ПСВ урана, которые применяются в промышленной практике или могут быть применены при дальнейшем совершенствовании технологии (ЭД - процесс, ИД - процесс).

В сернокислых растворах по мере снижения кислотности уран находится в виде сульфатных комплексов: [UО₂(SО₄)₃]^4-, [UО₂(SО₄)₂]^2-, [U₂О₅(SO₄)₃]^4-, [U₂О₅(SО₄)₂]^2-.

Последние два комплекса образуются вследствие гидролиза при рН~2,5.

С повышением величины рН емкость анионитов по урану растет, но скорость сорбции заметно снижается вследствие затрудненной диффузии комплексных анионов.

Десорбция является процессом обратным процессу сорбции. Поэтому для эффективной десорбции урана используют реагенты, оказывающие наибольшее депрессирующее влияние при его сорбции.

Элюэкс-процесс (вытеснительный способ десорбции)

Сущность способа заключается в вытеснении из зерна анионита ионов уранилтрисульфата подходящими анионами – депрессорами без изменения ионной формы поглощенного компонента. В этом процессе анионом – депрессором является сульфат-ион и десорбцию урана проводят раствором серной кислоты обычно 15%-ной концентрации.

Процесс сорбции-десорбции является ионообменной обратимой реакцией, которая подчиняется закону действующих масс.

2[R₄N]₂SO₄ + [UO₂(SO₄)₃]^4- ↔ [R₄N]₄[UO₂(SO₄)₃] + 2SO₄^2-, (3.85)

При выводе из процесса насыщенного анионита (сорбция) реакция сдвигается вправо, при увеличении концентрации сульфат-ионов за счет вводимой в процесс серной кислоты и вывода из процесса отрегенерированного анионита (десорбция) реакция сдвигается влево.

Преимущества

- Исключается необходимость перезарядки анионита в исходную ионную форму перед сорбцией.

- Возможность последующего сорбционного или экстракционного концентрирования урана с утилизацией остаточной серной кислоты в технологическом процессе.

- Исключена практически возможность отравления окружающей среды по причине очень малой миграции сульфат-ионов.

Недостатки

- Большой выход товарного регенерата (3,0...3,5 об/об влажного сорбента) обуславливает низкую концентрацию урана в нем (8...12 г/л), что исключает прямую переработку регенерата без предварительного концентрирования.

- Большая длительность процесса десорбции урана (30...40 часов), что требует значительного увеличения загрузки анионита на операции десорбции и, соответственно, объема аппаратуры.

- Высокая коррозионная активность десорбирующего раствора.

Нитратный способ десорбции

Нитратный способ также относится к классу вытеснительных способов десорбции. В отличие от сернокислотного способа, после окончания десорбции урана требуется перевод аниопита в рабочую ионную форму. Сущность способа заключается в использовании для десорбции урана с насыщенных анионитов растворов азотной и серной кислот в смеси с азотнокислыми солями аммония или натрия.

(R₄N)₄[UO₂(SO₄)₃] + 4NH₄NO₃ = 4R₄NNO₃ + [UO₂(SO₄)₃]^4- (3.86)

Преимущества

- Высокая эффективность десорбции урана обуславливается высокой селективностью поглощения нитрат-ионов ионитами.

- По сравнению с сернокислой регенерацией в 1,5...2,0 раза снижается продолжительность регенерации, в 2…4 раза уменьшается выход товарного регенерата и, соответственно, во столько же раз повышается концентрация урана в нем. Возможность прямой эффективной экстракционной переработки товарных регенератов с получением кондиционной закись-окись урана. Возможность осаждения химического концентрата с высоким содержанием урана в нем.

Недостатки

- Достаточно высокий удельный расход азотной кислоты и нитратных солей. Трудности в утилизации нитрат-ионов, снижении концентрации их в сбросных растворах и пульпах до санитарных норм, из чего вытекает опасность заражения ими окружающей среды.

- Возможное накопление нитрат-ионов в технологическом процессе может привести к снижению эффективности сорбционного извлечения урана.

Твердофазная десорбция урана (ТФД)

Сущность твердофазной десорбции урана заключается в использовании веществ, обеспечивающих непосредственное выделение урана в твердую фазу, например, в виде кристаллов аммоний уранилтрикарбоната (АУТК) при использовании на десорбции аммиачно-карбонатных или карбонатно-сульфатных растворов.

[R₄N]₄[UO₂(SO₄)₃] + 4NH₄OH + 3(NH₄)₂CO₃ = 4R₄NOH +
+ (NH₄)₄UO₂(CO₃)₃↓ + 3(NH₄)₂SO₄ (3.87)

Предварительная обработка насыщенного анионита аммиаком предотвращает газовыделение и несколько сокращает расход реагентов.

Преимущества

- Совмещение в одной технологической операции регенерации анионита, достижения высокой степени концентрирования и очистки урана с получением химического концентрата, пригодного для получения закись-окиси урана – кристаллов аммонийуранилтрикарбоната (АУТК).

- Возможность получения кондиционной готовой продукции – закись-окиси урана путем непосредственной прокалки промытых кристаллов АУТК, или, в крайнем случае, с применением однократной углеаммонийной перечистки. Исключение необходимости растворения химического концентрата и последующей экстракционной переработки растворов.

- Простота аппаратурного оформления процесса десорбции и его обслуживания.

Недостатки

- Высокая концентрация урана в маточниках после выделения кристаллов АУТК (3...5 г/л) обуславливает большой заворот урана в голову процесса, повышенную остаточную емкость анионита, приводящую к необходимости увеличения высоты запирающего слоя ионита на сорбции и снижению степени извлечения урана на анионит.

- Повышенный расход химических реагентов на десорбцию и перезарядки анионита.

- Уменьшение механической прочности ионита при длительной эксплуатации с многократным чередованием циклов сорбция-десорбция.

- Несовершенство аппаратурного оформления процесса разделения кристаллов АУТК и ионита (особенно при использовании ионита класса Б) приводит к повышению механических потерь ионита.