способ переработки кремнийсодержащего химического концентрата природного урана

Формула изобретения

Способ переработки кремнийсодержащего химического концентрата природного урана, включающий выщелачивание концентрата водным раствором азотной кислоты при повышенной температуре с получением пульпы, состоящей из твердой и водной фаз, отделение фильтрацией водной фазы в виде азотнокислого раствора нитрата уранила от твердой фазы, подачу раствора на экстракционный аффинаж урана с применением трибутилфосфата в углеводородном разбавителе, отличающийся тем, что отфильтрованный азотнокислый раствор нитрата уранила, содержащий уран в концентрации 200-400 г/л, растворенный кремний в концентрации 1,0-3,2 г/л и азотную кислоту в концентрации 1-2 моль/л, перед подачей на экстракционный аффинаж выдерживают до стабилизации вязкости раствора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам переработки химических концентратов природного урана (ХКПУ) и может быть использовано в технологии экстракционной переработки ХКПУ с повышенным содержанием кремния с целью получения ядерно-чистых материалов, пригодных для производства гексафторида урана для обогащения.

Известно, что пороговая концентрация кремния в кислых растворах, при которой не образуются его полимерные соединения, составляет 0,1 г/л. С увеличением содержания кремния в кислом растворе кремниевая кислота превращается в гель, стабилизирующий экстракционные эмульсии и снижающий очистку урана от балластных примесей (Дуйсебаев Б.О., Малимбаев М.С., Сайкиева С.Х. и др. Исследование поведения кремния в процессах подготовки урансодержащего сырья. Очистка урансодержащих растворов от кремния. Доклад на 3-й Международной конференции «Актуальные проблемы урановой промышленности». - Алмата, Республика Казахстан, 2004).

Известно несколько способов, предупреждающих негативное влияние геля кремниевой кислоты на экстракционный аффинаж урана.

Известен способ, предупреждающий образование геля кремниевой кислоты путем введения коагулянтов - полимеров в катионной форме (Айлер Р. Химия кремнезема. - М: Мир, 1982, ч.1, С.315).

Однако это приводит к образованию осадков, которые замедляют расслаивание экстракционных эмульсий в процессе аффинажа урана.

Негативное влияние геля кремниевой кислоты можно избежать, если на экстракцию подавать раствор нитрата уранила, в котором гелирование кремниевой кислоты только началось. Например, известен способ переработки ХКПУ (Патент РФ № 2444576, МПК С22В 60/02, опубл. 10.03.2012). Указанный способ переработки ХКПУ с повышенным содержанием кремния включает растворение концентрата в растворе азотной кислоты и экстракцию нитрата уранила из свежеприготовленной пульпы, которую получают прямоточным взаимодействием при температуре 20-65°С предварительно подготовленного потока суспензии концентрата в воде и потока раствора азотной кислоты при соотношении расходов потоков, обеспечивающих концентрацию азотной кислоты в пульпе 25-120 г/л, при этом время от начала выщелачивания до начала экстракции не превышает 10 минут.

Недостаток способа состоит в том, что для его осуществления необходим специальный реактор, обеспечивающий непрерывное растворение концентрата и равномерное распределение нерастворившихся остатков в пульпе, подаваемой на экстракцию.

В случае если ХКПУ неоднороден или загрязнен механическими включениями, для предупреждения забивки коммуникаций и запорной арматуры емкостного оборудования аффинажного завода пульпу от растворения ХКПУ перед экстракцией необходимо разделять фильтрацией. Известен способ переработки химического концентрата природного урана (Патент РФ № 2447168, МПК С22В 60/02, опубл. 10.04.2012). Способ принят за прототип. Данным способом перерабатывают концентрат с повышенным содержанием кремния. Способ включает следующие операции: выщелачивание концентрата водным раствором азотной кислоты; отделение фильтрацией водной фазы в виде азотнокислого раствора урана от твердой фазы (нерастворимых остатков); экстракцию урана из азотнокислого раствора трибутилфосфатом в углеводородном разбавителе, промывку экстракта и реэкстракцию урана. При этом выщелачивание ведут путем добавления азотной кислоты и воды в количестве, обеспечивающем получение в водной фазе пульпы азотнокислого раствора, содержащего растворенный кремний в концентрации 2,5-3,7 г/л. Твердую фазу, состоящую из нерастворимых остатков концентрата, отделяют фильтрацией от раствора, содержащего растворенный кремний, уран в концентрации 170-250 г/л и азотную кислоту в концентрации 80-120 г/л. Фильтрацию осуществляют не позднее 24 часов от окончания выщелачивания, преимущественно не позднее 5 часов после окончания выщелачивания.

Данный способ позволяет вместе с нерастворимыми остатками удалить из раствора часть геля кремниевой кислоты. Однако этот способ не защищает экстракционный аффинаж урана от негативного влияния геля кремниевой кислоты в том случае, если технические возможности не позволяют незамедлительно проводить экстракцию отфильтрованного раствора нитрата уранила.

Если отфильтрованный исходный раствор нитрата уранила подавать на экстракцию не сразу, а после выдержки (например, после накопления исходного раствора в сборнике в течение нескольких суток), то условия экстракционного аффинажа нитрата уранила ухудшаются: на экстракции нитрата уранила снижается скорость расслаивания эмульсий (в этом случае для увеличения продолжительности процесса расслаивания эмульсии снижают производительность экстракционного передела) или происходит накопление на границе раздела фаз межфазных образований (медуз), перенос которых с экстрактом снижает очистку урана от балластных примесей. Причина этого заключается в гелировании кремниевой кислоты, которая на момент фильтрации еще не загелировалась и перешла в отфильтрованный раствор нитрата уранила.

Задачей изобретения является предотвращение снижения производительности экстракционного передела и снижения очистки урана от балластных примесей в результате негативного влияния гелей кремниевой кислоты на экстракционный аффинаж нитрата уранила при переработке выдержанных растворов, полученных от растворения ХКПУ с повышенным содержанием кремния.

Поставленную задачу решают тем, что в способе переработки кремнийсодержащего химического концентрата природного урана с повышенным содержанием кремния, включающем выщелачивание концентрата водным раствором азотной кислоты при повышенной температуре с получением пульпы, состоящей из твердой и водной фаз, отделение фильтрацией водной фазы в виде азотнокислого раствора нитрата уранила от твердой фазы, экстракционный аффинаж урана с применением трибутилфосфата в углеводородном разбавителе, отфильтрованный азотнокислый раствор нитрата уранила, содержащий уран в концентрации 200-400 г/л, растворенный кремний в концентрации 1,0-3,2 г/л и азотную кислоту в концентрации 1-2 моль/л, перед подачей на экстракцию выдерживают до стабилизации вязкости раствора. Способ осуществляют следующим образом.

Растворили несколько партий ХКПУ, отличающихся содержанием кремния, в растворе азотной кислоты при температуре 80-90°С. Полученные пульпы охладили до комнатной температуры и не позднее одних суток после окончания растворения разделили фильтрацией. Отфильтрованные растворы выдерживали в течение нескольких суток, периодически замеряя вязкость растворов и скорость расслаивания экстракционной эмульсии и объем медузы в тесте, имитирующем экстракционный процесс.

На рис.1 приведены результаты измерения вязкости и тестирования отфильтрованного раствора состава [U]=216,2 г/л, [HNO₃ ]=2,2 моль/л, [Si]=1,8 г/л.

Из рисунка видно, что в процессе выдержки отфильтрованного раствора нитрата уранила его вязкость растет в первые восемь суток сравнительно медленно с 1,307 до 1,693 мм²/с, а затем в течение суток происходит резкое увеличение до 2,684 мм²/с. И далее с десятых суток вязкость остается постоянной, равной 2,952 мм² /с.

Также из рисунка видно, что рост вязкости отфильтрованного раствора сопровождается изменением скорости расслаивания экстракционной эмульсии с отфильтрованным водным раствором и изменением размера медузы. При этом в первые несколько суток скорость расслаивания эмульсии снижается, а высота медузы увеличивается, а после восьми суток выдержки направленность процессов сменяется: скорость расслаивания эмульсии стала расти, а высота медузы уменьшаться, вплоть до ее полного исчезновения.

Следовательно, гелирование кремниевой кислоты в отфильтрованном растворе, сопровождающееся увеличением вязкости отфильтрованного раствора, приводит к ускорению расслаивания эмульсии и уменьшению размера медузы во время экстракции.

Также было проведено измерение вязкости и тесты отфильтрованных растворов, полученных в результате растворения ХКПУ с иным содержанием кремния. Результаты определения продолжительности роста вязкости растворов с различным содержанием кремния приведены в таблице 1.

Таблица 1
Продолжительность роста вязкости растворов с различным содержанием кремния в зависимости от концентрации азотной кислоты и урана
№ опыта	Состав исходного раствора			Продолжительность роста вязкости раствора, сутки
	[Si], г/л	[HNO3], моль/л	[U], г/л
1	0,9	1,0	203	28
3	0,9	2,0	207	17
2	0,9	1,0	398	11
4	0,9	2,0	403	9
5	1,8	1,0	199	20
6	1,8	2,0	216	10
7	1,8	1,0	406	7
8	1,8	2,0	409	5
9	3,2	1,0	205	7
10	3,2	2,0	209	5
11	3,2	1,0	401	2
12	3,2	2,0	403	1

Из таблицы следует, что прекращение роста вязкости отфильтрованных растворов нитрата уранила зависит от содержания в них урана, концентраций кремния и азотной кислоты: с ростом концентрации урана (при прочих равных условиях), с ростом концентрации растворенного кремния и увеличением концентрации азотной кислоты отмечено уменьшение продолжительности роста вязкости растворов. При этом, как и в предыдущем опыте, прекращение роста вязкости растворов также сопровождалось ускорением расслаивания эмульсии и уменьшением размера медузы во время экстракции.

Переработка растворов кремнийсодержащих ХКПУ, очищенных от взвесей фильтрацией, в производственных условиях на экстракционном каскаде противоточных экстракционных колоннах с применением в качестве экстрагента 30%-го ТБФ в углеводородном разбавителе показала, что выдержка перед экстракцией растворов нитрата уранила (с составом, аналогичным составу вышеописанных растворов) до стабилизации вязкости растворов обеспечивала уменьшение объема межфазных образований на границе раздела фаз экстракционной колонны, снижение задержки водной фазы в сплошной органической фазе и прекращение уноса водной фазы с экстрактом урана. Это позволило увеличить производительность экстракционного каскада, снизить содержание примесей в реэкстракте урана и получить продукт, удовлетворяющий требованиям ASTM С 788-03.

Таким образом, выдержка отфильтрованного раствора до стабилизации его вязкости позволяет защитить экстракционный аффинаж нитрата уранила от негативного влияния гелей кремниевой кислоты.