Выделение уранового концентрата методом осаждения

Основной задачей последней стадии гидрометаллургической переработки урановой руды является получение высокочистого концентрата с соответствующими физическими характеристиками. Это должно быть кристаллическое вещество без существенных примесей, которое легко фильтруется, промывается и высушивается. Продукт должен отвечать требованиям, предъявляемым к продукту, идущему на изготовление ядерного топлива.

Требования для уранового концентрата довольно строгие. Например, нежелательными примесями являются кадмий и бор, как сильные поглотители нейтронов, и галогены, как элементы, обладающие корродирующими свойствами. В табл. 1.1.1 приведены типичные требования по допустимому содержанию примесей в урановом концентрате.

Уран можно осадить из раствора в широком интервале рН в зависимости от типа раствора и используемого метода осаждения. На выбор реагента для осаждения урана влияют:

· степень чистоты раствора, из которого осаждают уран,

· требования к продукту,

· стоимость реагента для осаждения,

· возможное вредное воздействие реагента на окружающую среду.

Рис. 1.1.7 Пульсационная колонна

Таблица 1.1.1

Типичные требования к урановому концентрату по содержанию урана и примесей

Из кислых растворов (реэкстрактов) уран осаждают перекисью водорода, оксидом магния, аммиаком или гидроксидом аммония.

Рис. 1.1.8 Схематическое изображение комбинированного смесительно-отстойного экстрактора

Газообразный аммиак и гидроксид аммония широко использовались в практике осаждения урана, однако этот метод постепенно утрачивает свою привлекательность по мере ужесточения требований по охране окружающей среды. При осаждении аммиаком протекает реакция:

.

Осаждение обычно проводится смесью газообразного NH₃ и воздуха в соотношении 1:3, соответственно, при температуре 30-50 °С и рН = 7-8.

Уран можно осадить при помощи оксида магния при рН 7,0-7,5 по реакции:

UO₂SO₄ + MgO + xH₂O ® UO₃·xHO + MgSO₄, x = 1,2.

В последние годы в качестве осадителя все большее внимание привлекает пероксид водорода. При добавлении к кислому раствору урана пероксида водорода протекает реакция:

.

Пероксид водорода (70 %-ный раствор) добавляют к урановому раствору в избытке (35-100 %) при 25 °С и рН 3,5. Нейтрализацию образующейся кислоты производят гидроксидом аммония или натрия. Этот метод обладает высокой селективностью, но требует тщательного соблюдения условий его проведения.

Осаждение из щелочных реэкстрактов проводят с помощью гидроксида натрия по реакции:

2Na₄UO₂(CO₃)₃ + 6NaOH ® Na₂U₂O₇ + 6Na₂CO₃ + 3H₂O.

Процесс протекает при комнатной температуре в течение 2-4 часов. На каждый килограмм U₃O₈ требуется 3-4 кг NaOH.

В случае, если использование NaOH нежелательно, можно использовать Mg(OH)₂ или Н₂О₂. Перекись водорода используют, если требуется предотвратить соосаждение металлов примесей с ураном. В этом случае раствор урана перед осаждением подкисляют.

Альтернативой классическому осаждению урана из растворов после очистки экстракционным или сорбционным методами является прямое осаждение растворов после кислотного или карбонатного выщелачивания.

Прямое осаждение из кислых растворов после выщелачивания может быть применено, если:

· содержание урана в растворе довольно высокое (несколько грамм на дм³),

· имеющиеся запасы урановой руды слишком малы, чтобы оправдать затраты на строительство установки для очистки раствора экстракционным или ионообменным методом,

· к продукту предъявляются не очень жесткие требования по чистоте.

Прямое осаждение из кислых растворов производят в две стадии. На первой стадии с помощью извести осаждают железо и другие примеси, такие как сульфаты и гидроксиды. Оптимальная величина рН составляет, обычно 3-4 ед. Это значение рН является компромиссным между величиной, требуемой для осаждения урана, которое более полное при более высоких значениях рН и для осаждения примесей, требующего более низких значений рН. Осадок, содержащий примеси и несколько процентов урана, обычно рециклируется на установке для выщелачивания или выщелачивается отдельно при рН ниже 3.

На второй стадии уран осаждают оксидом магния, гидроксидом аммония или пероксидом водорода.

Прямое осаждение урана из растворов после карбонатного выщелачивания производят гидроксидом натрия при 50-80 °С в течение 6-12 часов. Для получения 1 кг U₃O₈ требуется 5-6 кг NaOH, причем последний берут в избытке, чтобы максимально выделить карбонат, который рециклируется при операциях по выщелачиванию. При осаждении протекает реакция:

2Na₄UO₂(CO₃)₃ + 6NaOH ® Na₂U₂O₇ + 6Na₂CO₃+ 3H₂O.

Обычно щелочной раствор после карбонатного выщелачивания не содержит большого количества примесей, и осаждение проводят в одну стадию. При наличии нежелательных примесей, которые могут соосаждаться с ураном, требуется дополнительная обработка. Например, для удаления ванадия в Канаде осадок кальцинируют с последующим выщелачиванием ванадата натрия.

После осаждения продукт отделяют от жидкой фазы центрифугированием или отстаиванием. Затем его сушат или отфильтровываютя и промывают. Когда фильтрование оказывается затруднительным, пытаются варьировать температуру, скорость осаждения и другие параметры процесса. В табл. 1.1.2 приведены характеристики процессов отделения осадков от жидкой фазы, используемых в США.

Таблица 1.1.2

Характеристики процессов отделения “желтого кека” от жидкой фазы

Наиболее распространенный метод отделения осадка от жидкой фазы – отстаивание в комбинации с центрифугированием. Такое сочетание методов дает продукт, который легко отмывается от большинства примесей.

Сырой концентрат затем высушивают или кальцинируют и упаковывают в бочки, облицованные полиэтиленом. Диуранат аммония сушат при 150-250 °С, в то время как диуранат натрия обычно кальцинируют при 400 °С. Иногда кальцинируют диуранат аммония и продукт осаждения перекисью водорода. При кальцинации полностью удаляется вода и аммиак, но при этом необходимо проявлять осторожность, чтобы не допустить спекания продукта.

Для сушки продукта используют разнообразное оборудование, в том числе печи, барабанные, ленточные и винтовые сушильные аппараты. Характеристики процессов сушки и кальцинации приведены в табл. 1.1.3.

Таблица 1.1.3

Характеристики процессов сушки и кальцинации уранового концентрата