Получение химических концентратов урана методами сорбции и экстракции

Сорбция урана может осуществляться как из осветленных растворов, так и из пульп. Возможность сорбции из пульп (отсепарированных только от крупнозернистых твердых частиц) ведет к существенному упрощению процессов, снижению капитальных и эксплуатационных затрат. Поэтому сорбционный метод в настоящее время занял доминирующее положение в сырьевой промышленности урана.

Сорбционный метод основан на ионообменных процессах и селективности определенного сорта ионообменных смол по отношению к урановым соединениям, находящимся в растворе или пульпе. Ионообменная смола применяется здесь в виде мелких сферических гранул и вводится в процесс различным образом: в качестве неподвижного слоя, периодически перемещаемого или непрерывно циркулирующего вместе с раствором веществ. Десятки и сотни тысяч гранул смолы, омываемые раствором, избирательно сорбируют на своей поверхности преимущественно урановые соединения и в очень небольшой мере соединения некоторых других элементов, находящихся в растворе. Больше всего вместе с ураном сорбируется на смоле трехвалентное железо.

Так как плотность гранул смолы меньше плотности воды, то они в водном растворе могут всплывать, что позволяет, по достижении насыщения сорбирующей поверхности, отделять смолу от раствора и осуществлять процесс ее десорбции, при котором смываются с поверхности гранул все сорбированные вещества и получается, таким образом, концентрированный раствор урана. Сама смола при этом регенерируется, восстанавливает свою сорбционную емкость и снова возвращается в технологический процесс. Смола от раствора или рудной пульпы отделяется с помощью различных устройств.

В качестве сорбентов используются смолы в двух формах: анионитной и катионитной. Для сорбционных процессов в урановой промышленности и цветной металлургии в России и других странах созданы высококачественные анионообменные смолы различных марок, обладающие полной нерастворимостью в воде, химической устойчивостью, прочностью и высокой ионообменной емкостью (например, иониты типа амберлит, дауэкс, АМ, АМП, АМК, АФИ и др.). По истечении некоторого срока смола «отравляется» - забивается некоторыми несмываемыми химическими соединениями, теряет свою сорбционную емкость и требует замены.

В СССР была разработана и до сих пор успешно используется технология непрерывного бесфильтрационного процесса сорбции урана из плотных тонкоизмельченных пульп. Сорбция из пульп позволяет совмещать операции по отделению твердой массы от раствора, концентрирование и очистку от примесей. Необходимое количество сорбционных аппаратов соединяются последовательно в технологическую цепочку, что обеспечивает высокий коэффициент извлечения урана. Эффективность сорбции из пульп значительно возрастает при совмещении процессов сорбции и выщелачивания.

Процесс вымывания урана с поверхности смолы называется десорбцией или элюированием. В качестве промывочной жидкости предпочтительно использовать нейтральные или щелочные содовые растворы. Широко применяется подкисленный водный раствор поваренной соли.

При десорбции урана стремятся иметь минимальный объем промывочного раствора, чтобы получить наиболее концентрированный по содержанию урана раствор – элюат. Из элюата уран выделяется в виде концентрата аммиаком, щелочью или окисью магния. Если в элюате много железа, его сначала обрабатывают известью. Однако в результате всех этих и предшествующих операций урановый регенерат загрязняется различными примесями. Из элюата уран осаждается в две стадии с использованием извести и окиси магния. Состав конечного продукта примерно следующий 87% U₃O₈; 2-2,5% Na; 5,6% H₂O; 0,2% V₂O₅. На ряде заводов элюат подвергается экстракционной перечистке, что обеспечивает получение концентрата высокой чистоты (95-96% U₃O₈).

Экстракционный метод переработки рудных растворов основан на свойстве некоторых органических растворителей (экстрагентов), не смешиваться с водой (простые и сложные эфиры, керосиновые растворы аминов и алкилортофосфатов), образовывать с солями урана и уранила комплексы, которые затем можно реэкстрагировать, т.е. растворять в избытке растворителя и получать концентрированный раствор урана.

При контакте хорошо отфильтрованного и осветленного после выщелачивания урановой руды раствора уран распределяется между водной и органической фазами, и процесс можно провести в несколько стадий (несколько ступеней экстракции) так, что практически весь уран будет выведен в органическую фазу, а примеси останутся в водной.

Экстракция всегда сопровождается реэкстракцией, т.е. извлечением урана из органического раствора и следующим за этим возвращением экстрагента в цикл. В качестве реэкстрагентов применяются чистая вода или слабые растворы азотной кислоты. Экстракционный метод привлекателен высокой емкостью экстрагента по урану, большой селективностью и глубиной извлечения урана (в пределе до 99,7%), высокой скоростью рециркуляции экстрагента и его дешевизной по сравнению с сорбентами. Экстракция имеет дело с жидкостями, что позволяет легче автоматизировать процессы.

Экстракция успешно применяется для производства чистых концентратов урана (до 95-96% U₃O₈) из элюатов, полученных в сорбционном процессе. Широкое применение экстракционный метод получил в технологии производства реакторно-чистых соединений урана (аффинаж). Экстракция является основным методам, на котором в настоящее время строится и промышленная технология переработка отработавшего в ядерных реакторах топлива. Она применяется также в процессах регенерации и очистки урана, извлекаемого из отходов его производства на различных переделах.

Во всех процессах массообмена (сорбция, экстракция) интенсификация их достигается усиленным перемешиванием реагентов с помощью механических мешалок или барботажа воздухом. В последнее время в химической технологии урана стали применять весьма эффективный метод пульсационного перемешивания. В нем используются вращающиеся элементы внутри аппарата. Низкочастотные (возвратно-поступательные) импульсы (от 1 до 300 колебаний в минуту) подаются на реагенты от пульсатора - генератора импульсов, размещаемого вне химического реактора. Периодически создаваемые импульсы приводят в движение реагенты во всем объеме аппарата благодаря установленным дырчатым перегородкам, снабженным системой насадок и сопл. Пульсационная аппаратура снабжается автоматическим управлением и работает в непрерывном режиме.