Сорбционное извлечение урана

Сорбционным способом выгоднее обрабатывать растворы при концентрации урана < 0,5 г/л.История сорбционного извлечения урана из растворов началась в 1949 г., когда компания Rohm and HAAS открыла, что в сернокислых растворах шестивалентный уран существует в виде ионного комплекса и что ионообменные смолы с четвертично-аммониевыми группами проявляют высокую селективность в отношении этих комплексов. Первое коммерческое применение ионообменной технологии было осуществлено на урановых заводах в северной Африке (West Rand Consolidated Mines, Ltd). С тех пор эта технология постоянно развивается и усовершенствуется. К последним разработкам можно отнести извлечение урана из неосветленных растворов.

В настоящее время на большинстве заводов применяют сильноосновные аниониты стиролдивинилбензольного типа с триметиламмониевыми группами, из них наиболее распространен анионит амберлит-IRA-400. Емкость по урану сильноосновных анионитов равнв 90 г U/л. Полнота извлечения урана из растворов достигает 99%.

Выбору смолы для конкретной системы предшествуют тщательные лабораторные исследования. Срок службы смолы зависит от многих факторов, главными из которых являются:

· используемые химические вещества, которые могут отравлять, окислять смолу,

· тип используемого оборудования, техника обращения со смолой,

· состав и характеристики смолы, которые определяются процессом ее производства и видом исходных материалов.

Срок службы смолы может превышать 8 лет, хотя в других случаях требуется ее замена уже после двух лет работы.

Урановая промышленность была лидером в разработке ионообменной технологии. Были разработаны системы периодического и непрерывного действия с фиксированным и подвижным слоем сорбента.

Сорбционная системаы с фиксированным слоем сорбента была использована в северной Африке в начале 1950-х годов, а затем и в США, Австралии, Канаде и других странах. Такая система, схема которой изображена на рис. 1.1.2, состоит из трех колонн, соединенных таким способом, что в любых двух из них производилась сорбция, а в третьей – элюирование. В них обрабатывался осветленный урановый раствор, содержащий 0,6-1,0 г U₃O₈/л.

Рис. 1.1.2 Последовательность расположения колонн при адсорбционной
очистке уранового раствора

Процесс элюирования проводили в автоматическом режиме с использованием электромеханического оборудования. Некоторые из таких установок до сих пор находятся в эксплуатации.

Для повышения эффективности операций по сорбционной очистке была применена система с подвижным слоем сорбента (Porter-Arden moving bed system). Она была использована в Канаде и США. Главные отличия этой системы от системы с фиксированным слоем сорбента следующие:

· для сорбции последовательно используются три колонны, позволяющие увеличить скорость сорбции,

· серия из трех колонн системы элюирования обеспечивает более низкое потребление элюата и сокращает цикл элюирования,

· отдельная колонна используется как резервуар для передачи смолы после сорбции на элюирование.

Когда смола в головной сорбционной колонне насыщается, она передается в колонну для элюирования. Пустая колонна тотчас же заполняется смолой из головной колонны из серии колонн для элюирования и становится последней колонной в серии сорбции. Такая система позволяет колоннам работать в режиме с высокой скоростью прохождения жидкости.

На действующих заводах с сорбцией урана в колоннах с подвижным слоем сорбента сорбционное отделение может состоять из шести-двенадцати колонн на сорбции (в две нитки), трех-шести колонн на десорбции (в одну-две нитки) и одной-двух колонн для перемещения смолы и промывки.

Для десорбции урана на американских заводах, например на заводе Lucky Mac, используется сернокислый раствор с концентрацией 115 г/л, на канадских заводах – раствор азотной кислоты.

Сорбционные системы непрерывного действия включают колонны с псевдоожиженным слоем сорбента и пульсационные колонны.

Разработано несколько видов колонн с псевдоожиженным слоем сорбента. Схема одной из них, созданной в Национальном металлургическом институте ЮАР приведена на рис. 1.1.3. Перфорированные тарелки разделяют колонну на ряд отделов. Раствор со скоростью 12-48 м/час подается в колонну снизу и псевдоожижает смолу. Периодически подача раствора прекращается и часть смолы выгружается, что позволяет смоле двигаться к питающему раствору.

В пульсирующей колонне (системы Chem-Seps) смола и раствор движутся противотоком в системе, разделенной на секции (рис. 1.1.4).

Сорбционное извлечение урана из шламовых пульп успешно применялось на заводах различных стран (Китая, США, Франции). Этот процесс создан, главным образом, для того, чтобы:

· исключить капитальные и эксплуатационные затраты на сгустители и фильтры,

· свести к минимуму потери урана, связанные с неполной отмывкой твердой фазы в сгустителях и на фильтрах.

Использовались разные коммерческие технологии, включая и ионный обмен в корзинах и непрерывный ионообменный процесс. В последнее время первая из названных технологий уже не используется, а вторая применяется только для шламов со средней и высокой плотностью.

Рис. 1.1.3 Схема устройства пульсационной колонны