СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ АМЕРИЦИЯ
AMERICIUM EXTRACTION METHOD

Изобретение относится к радиохимическим технологиям, в частности, к извлечению америция из рафинатов от экстракционной переработки плутонийсодержащих азотнокислых растворов, проводимой с целью переочистки плутония.
Известно, что америций хорошо экстрагируется неразбавленным трибутилфосфатом из растворов, содержащих значительное количество азотнокислых солей - высаливателей, предпочтительно нитрата алюминия (Землянухин В.И., Савоскина Г.П., Пушленков М.Ф. Радиохимия, 1961, т. 3, в. 4, с. 411). Однако, такой способ неудобен для применения в технологическом процессе (высокая вязкость экстрагента, проблемы утилизации водного раствора).
Более технологичным является способ извлечения америция из отходов химико-металлургического производства, включающий растворение отходов, экстракцию америция из полученного раствора твердым экстрагентом на основе фосфиноксида разнорадикального (ТВЭКС-ФОР), промывку экстракта, реэкстракцию америция и оксалатное осаждение америция из реэкстракта (патент РФ №2 508 413, опубл. 27.02.2014 г., бюл. №6). ТВЭКС-ФОР, получаемый сополимеризацией стирола и дивинилбензола в присутствии экстрагента (ФОР), имеет фактуру ионита, что позволяет использовать твердый экстрагент без применения экстракционного оборудования; в простейшем случае извлечение америция осуществляют при одноразовом контакте твердого экстрагента с водным раствором при выбранном соотношении фаз.
По решаемой задаче способ наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.
При анализе выполнения процесса извлечения америция по способу-прототипу выявлены недостатки способа:
- процесс извлечения и концентрирования с применением твердого экстрагента является периодическим, следовательно, длительным и малопроизводительным;
- на всех стадиях работы ТВЭКС-ФОР происходит вымывание экстрагента из полимерной матрицы, что приводит к нестабильности технологических показателей и сокращению технологического ресурса ТВЭКСа;
2
- при извлечении америция из кислого водного раствора степень концентрирования америция невысокая, коэффициент распределения америция на стадии экстракции - менее 10.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение извлечения и концентрирования америция в непрерывном и стабилизированном экстракционном процессе.
Указанный технический результат достигается в способе извлечения америция из азотнокислых растворов, включающем подготовку растворов к экстракции, использование фосфиноксида разнорадикального в качестве экстрагента и реэкстракцию америция, отличающемся тем, что азотнокислый раствор, содержащий америций, нейтрализуют до остаточного содержания кислоты, отвечающего интервалу значений рН=1,5-2,5. Нейтрализацию проводят в две стадии. На первой стадии используют щелочной реагент, предпочтительно гидроксид или карбонат натрия с окончанием первой стадии при достижении рН=0,8-1,0. На второй стадии используют буферный реагент, предпочтительно аминоуксусную кислоту (глицин) в количестве, обеспечивающем интервал значений рН=1,5-2,5 в нейтрализованном растворе. Из подготовленного раствора экстрагируют америций раствором ФОР в инертном разбавителе с последующей реэкстракцией америция из органической фазы, при этом операции экстракции и реэкстракции осуществляют в массообменных сепараторах при прямоточном движении фаз в сепарирующем слое.
В качестве экстрагента используют раствор ФОР с концентрацией 35-45 об.% в инертном разбавителе.
Извлечение америция осуществляют при соотношении потоков органической (О) и водной (В) фаз на операции экстракции O:В=1:(15-25) и на операции реэкстракции O:В=(15-25): 1.
3
3
Нейтрализация азотнокислого раствора до приведенного выше интервала значений рН позволяет реализовать максимальные значения коэффициентов распределения америция для системы ФОР-НNO-NаNO), а проведение нейтрализации в две стадии с применением на второй стадии буферного реагента делает операцию нейтрализации технологически устойчивой, исключающей ошибки при дозировке реагентов с переходом в щелочную область.
Использование ФОР в виде раствора в инертном разбавителе позволяет вести процесс извлечения америция в непрерывном режиме, а использование массообменных сепараторов позволяет проводить операции экстракции и реэкстракции при соотношении потоков фаз, недоступном для других экстракторов (В.И. Волк, С.Н. Веселов, А.А. Жеребцов, В.Н. Рубисов. Радиохимия, 2010, т. 52, в. 5, с. 428).
3
Выбранный концентрационный интервал, 35-45 об.% ФОР в разбавителе, обеспечивает высокие значения коэффициента распределения америция при сохранении приемлемых гидродинамических показателей (плотность 40% ФОР в декане -0,8 г/см, вязкость -3,7 сСт).
3
Пример выполнения. Предлагаемый способ был проверен при извлечении америция из раствора следующего состава: HNO - 2,3 моль/л, Am - 35 мг/л, Рu - 15 мг/л. Такой состав типичен для рафинатов экстракционной переочистки плутония.
2
2
3
Для подготовки раствора к экстракции использовали раствор гидроксида натрия с концентрацией NaOH 19 моль/л и раствор глицина с концентрацией HNCHCOOH 5 моль/л. Первую стадию нейтрализации проводили при подаче раствора щелочи под зеркало раствора при интенсивном перемешивании и завершали при рН=0,85, вторую стадию - в таких же условиях и завершали при рН=2,1. Суммарное увеличение объема раствора за две стадии составило 7,3%, состав откорректированного раствора (потока питания для экстракционной переработки): NaNO - 2,14 моль/л, рН - 2,1, Am - 32,6 мг/л, Рu - 14 мг/л.
Для экстракционной переработки использовали два сепаратора с верхней камерой разделения фаз. Сепарирующий слой каждого был сформирован металлосферическим порошком из нержавеющей стали, диаметр зерен 0,4-0,6 мм. Внутренний диаметр зоны загрузки сепарирующего слоя первого сепаратора (экстракция америция) - 5 см, второго (реэкстракция америция) - 1,2 см, высота загрузки в каждом сепараторе - 50 см.
Экстрагент - 40 об. % ФОР в декане, реэкстрагент - 5% раствор карбоната аммония с добавкой 5 г/л диэтилентриаминпентауксусной кислоты.
3
2
3
2
Экстракционную переработку осуществляли следующим образом. Экстрагент и поток питания совместно подавали на входное сечение первого сепаратора. Расход водного потока 4,67 л/час, органического потока 0,23 л/час. Из камеры разделения фаз водный поток поступал в сборник рафината, органический поток (экстракт) совместно с реэкстрагентом подавался на входное сечение второго сепаратора, расход реэкстрагента -0,0115 л/час. Транспортировку каждого из потоков через зернистые слои сепараторов осуществляли перистальтическими насосами. Нагрузка по сумме фаз на входное сечение составляла 2,5 м/м⋅ч на первом сепараторе и 2,14 м/м⋅ч на втором, что оптимально для процесса.
Всего было переработано 20,6 литров потока питания и получено 0,05 л реэкстракта. Периодически, через каждый час, отбирали пробы потоков, выходящих из сепараторов, и анализировали на содержание америция и плутония. Усредненные результаты анализов представлены в таблице.
Таким образом, предлагаемый способ, включающий заявляемые условия подготовки азотнокислого раствора америция к экстракции и проведения экстракционного процесса, позволил достичь следующих показателей:
- степень концентрирования америция - 400
- степень извлечения америция - 98%,
что по конечному результату многократно превосходит показатели способа-прототипа. Извлечение америция осуществляется в стабильном непрерывном процессе.
Близкие показатели получены и для плутония, что вполне ожидаемо при использовании мощного экстрагента (фосфиноксида разнорадикального) в заявляемых условиях. Это обстоятельство является дополнительным преимуществом предлагаемого способа, снижающим потери плутония на операции его переочистки. Концентрат америция после корректировки состава (подкисление до 2-3 моль/л свободной азотной кислоты) возвращается отдельной партией на узел переочистки плутония, на котором по известному способу получают раздельно америциевый (рафинат) и плутониевый (реэкстракт) продукты.