СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ КОНЦЕНТРАТОВ ПРИРОДНОГО УРАНА
TREATMENT METHOD OF CONCENTRATES OF NATURAL URANIUM

Изобретение относится к способам переработки концентратов природного урана и может быть использовано в технологии их переработки до оксидов урана или гексафторида урана энергетического назначения.
Известен способ переработки концентратов природного урана, который заключается в следующем. Соединения урана выщелачивают раствором азотной кислоты с избыточной кислотностью 20-30 г/л, после чего осуществляют экстракцию урана раствором 30-40% ТБФ в углеводородном разбавителе при отношении потока органического раствора к потоку водного О:В=2,5:1. Экстракт, содержащий 100-140 г/л урана (83-87% от предельного насыщения экстрагента ураном), отмывают от примесей 60-240 г/л раствором азотной кислоты при отношении потока органического раствора к потоку промывного О:В=10:1. Промывной раствор, выходящий из промывного блока, подсоединяют к исходному раствору в экстракционном блоке. Реэкстракцию урана осуществляют при 60°С подкисленной водой при отношении потоков О:В=1:(1-2). Водный раствор урана, содержащий 50-115 г/л урана (реэкстракт), направляют на операции денитрации раствора уранилнитрата или осаждение полиураната аммония либо пероксида урана с дальнейшим прокаливанием их до оксида урана. Органический раствор, выходящий из реэкстракционного блока, после карбонатной промывки возвращают в экстракционный блок. (Н.С.Тураев, И.И. Жерин. Химия и технология урана. - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2006, - 315-316 с.).
Недостатками способа являются:
- относительно низкое содержание урана в исходном растворе 250-350 г/л, что снижает удельную производительность экстракционной установки, увеличивает объем водно-хвостовых растворов и затраты на подготовку их к захоронению;
- низкое насыщение экстрагента ураном в промывном блоке экстракционной установки при переработке концентратов природного урана с большим содержанием примесей не обеспечивает достаточную очистку урана от примесей; вследствие этого содержание примесей в гексафториде урана (ГФУ) для обогащения превышает допустимые ASTM С 787-03 значения;
- применение на операции промывки экстракта урана растворов, содержащих 60-240 г/л азотной кислоты, дает незначительный эффект по очистке урана от примесей, кроме того, приводит к увеличению содержания азотной кислоты в водно-хвостовых растворах, что требует дополнительных затрат на подготовку их к захоронению.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ переработки концентратов природного урана, который включает следующие операции (прототип).
Концентрат выщелачивают 40%-ным раствором азотной кислоты. В готовой пульпе обычно содержится урана 350-450 г/л, концентрация свободной азотной кислоты 0,8-1,8 моль/л. Экстракцию урана ведут (30±2) об.% раствором трибутил-фосфата в углеводородном разбавителе. Экстракт содержит урана около 95 г/л, рафинат - меньше 0,1 г/л. Экстракт урана промывают для удаления примесей при соотношении потоков О:В, равном 10:1, причем в качестве промывного раствора используют «готовый раствор» со стадии реэкстракции - реэкстракт, содержание в нем урана около 115 г/л. Органический раствор, выходящий из промывной колонны, содержит урана около 90 г/л, а водный раствор после промывки им экстракта содержит урана около 165 г/л - этот раствор добавляется к пульпе, полученной после растворения концентратов урана, перед подачей ее в экстракторы. Из промытого экстракта реэкстрагируют уран при соотношении 0:В=0,8:1, в качестве реэкстрагирующего раствора используют слабокислый конденсат от упаривания реэкстракта на стадии производства оксидов урана (Ч.Харрингтон, А.Рюэле. Технология производства урана. - М.: Госатомиздат, 1961, сс.178-186).
Невысокое насыщение ураном экстрагента на стадии экстракции (95 г/л, 79,1% насыщение экстрагента ураном) и на стадии промывки экстракта (90 г/л, 75% насыщение экстрагента ураном) не обеспечивает очистку от ряда примесей, содержание которых в гексафториде урана (ГФУ) для обогащения регламентируется нормами ASTM С 787-03.
Задачей изобретения является повышение степени очистки урана от молибдена и вольфрама при экстракционной переработке азотнокислых растворов природного урана с тем, чтобы содержание этих примесей в реэкстрактах урана не превышало значений, допустимых ASTM С 787-03 для примесей в ГФУ для обогащения.
Решение этой задачи достигается тем, что в способе переработки концентратов природного урана, включающем выщелачивание концентрата урана раствором азотной кислоты, экстракцию урана трибутилфосфатом в углеводородном разбавителе, промывку экстракта с использованием реэкстракта и реэкстракцию урана, экстракцию урана ведут до 85-92%-ного насыщения экстрагента ураном, а промывку экстракта осуществляют частью реэкстракта урана, упаренного до содержания 450-500 г/л урана, в режиме предельного насыщения экстрагента ураном до содержания урана в экстракте 119-120 г/л.
Промывной раствор, полученный после промывки экстракта урана, объединяют с раствором урана от выщелачивания концентратов, и после корректировки по содержанию азотной кислоты и урана объединенный раствор направляют на экстракцию.
Промывку экстракта осуществляют при соотношении потоков О:В=(15-20):1.
Содержание азотной кислоты в растворах урана, направляемых на экстракцию, составляет 0,5-0,8 моль/л.
Способ осуществляют следующим образом.
Выщелачивают концентрат природного урана раствором азотной кислоты с получением пульпы, из которой после отделения нерастворимого остатка получают раствор урана. Раствор урана, содержащий 400-450 г/л урана и 0,5-0,8 г/л азотной кислоты, направляют на экстракцию 30%-ным трибутилфосфатом (ТБФ) в углеводородном разбавителе. Экстракцию проводят до 85-92%-ного насыщения экстрагента ураном. Экстракт промывают концентрированным раствором урана в режиме предельного насыщения экстрагента ураном до содержания урана в экстракте 119-120 г/л, при этом для промывки используют часть реэкстракта, предварительно упаренного до 450-500 г/л урана, при отношении потока органического раствора к потоку водного О:В=(15-20):1. Из промытого экстракта осуществляют реэкстракцию урана раствором слабой азотной кислоты (можно использовать конденсат от операции упаривания реэкстракта) при отношении потоков органического раствора к водному О:В=1:(1-1,2) при температуре 40-70°С. Реэкстракт направляют на упаривание и далее на переработку до оксидов урана или ГФУ.
Водный раствор, полученный из промывного раствора на операции промывки, объединяют с раствором урана от выщелачивания концентратов урана, объединенный раствор после корректировки по содержанию урана и азотной кислоты направляют на стадию экстракции.
Предлагаемый способ опробован на лабораторной установке по переработке концентратов природного урана. В качестве исходного материала применяли концентрат урана, соответствующий по составу «Техническим требованиям для концентрата урана ASTM C967-87».
Пример.
Растворы урана получали путем выщелачивания концентратов природного урана растворами азотной кислоты и отделения их от нерастворимых остатков. В первом растворе содержание урана и азотной кислоты составляло 400 г/л и 1 моль/л соответственно (способ-прототип, опыт 1), во втором растворе содержание урана - 400 г/л, азотной кислоты - 0,5 моль/л (заявляемый способ, опыт 2).
Экстракционная переработка растворов урана осуществлялась на лабораторной экстракционной установке, состоящей из центробежных экстракторов, в следующих режимах проведения основных операций:
экстракция - 7 центробежных экстракторов, отношение потока исходного раствора к потоку органического выбиралось из насыщения экстрагента ураном 95 г/л по способу-прототипу и 110 г/л по предлагаемому способу;
промывка экстракта - 4 центробежных экстрактора, отношение потока органического раствора к потоку промывного при переработке растворов урана по способу-прототипу О:В=10:1, при переработке растворов урана по предлагаемому способу О:В=20:1;
реэкстракция урана - 13 центробежных экстракторов, температура - 70°С.
Экстрагент - 30% ТБФ в углеводородном разбавителе.
Состав исходных, промывных и реэкстрагирующих растворов приведен в таблице 1.
Содержание в исходных растворах примесей, от которых требуется очистить уран, приведено в таблице 2. Там же приведено допустимое требованиями ASTM С 787-03 содержание примесей в ГФУ для обогащения.
Таблица 1- Состав исходных, промывных и реэкстрагирующих растворов
Раствор
Переработка по способу-прототипу
Переработка по предлагаемому способу
U, г/л
HNO<sub>3</sub>, моль/л
U, г/л
HNO<sub>3</sub>, моль/л
Исходный раствор
400
1,0
400
0,5
Промывной раствор
115
0,10
450
0,18
Реэкстрагирующий раствор
0,05
0,05
Таблица 2 - Содержание в исходных растворах примесей, от которых требуется очистка урана
Элемент
Содержание в исходном растворе, % к урану
Требуемое ASTM С 787-03 содержание примесей в ГФУ для обогащения, %к урану
Требуемый коэффициент очистки урана от примесей
Mo
0,06
0,00014
428,6
Ti
0,005
0,00010
50
V
0,004
0,00014
28,5
W
0,002
0,00014
14,3
Al
0,030
Содержание элементов, образующих нелетучие фториды, - не более 300 мкг/г U
Ca
0,033
Fe
0,030
Mn
0,01
Th
0,003
Zr
0,001
Содержание урана и азотной кислоты в технологических продуктах по способу-прототипу и предлагаемому способу приведено в таблице 3, содержание примесей в экстрактах и реэкстрактах урана по способу-прототипу и предлагаемому способу, а также коэффициенты очистки от примесей приведены в таблице 4.
Таблица 3 - Содержание урана и азотной кислоты в технологических продуктах
Продукт
Содержание
Опыт 1
Опыт 2
Экстракт U
U, г/л
94,9
109,8
Водно-хвостовой раствор
U, г/л
0,01
0,01
HNO<sub>3</sub>, моль/л
0,8
0,4
Экстракт U после промывки
U, г/л
90,2
119,2
Реэкстракт U
U, г/л
115
120
HNO<sub>3</sub>, моль/л
0,05
0,05
Органический раствор из блока реэкстракции
U, г/л
0,7
0,9
Из данных, приведенных в таблицах 2 и 4, следует, что при насыщении экстрагента ураном 94,9 г/л, соответствующем насыщению экстрагента ураном в способе-прототипе (79,1) %, коэффициенты очистки урана от молибдена и вольфрама составили 30 и 6,6. Увеличение насыщения экстрагента ураном на операции экстракции до 109,8 г/л по предлагаемому способу увеличило коэффициент очистки урана от молибдена до 60, от вольфрама до 10.
В результате промывки экстракта в режиме предельного насыщения экстрагента ураном (119-120 г/л), концентрированным (450-500 г/л) раствором урана (упаренный реэкстракт), получена большая по сравнению со способом-прототипом очистка урана от молибдена и вольфрама (таблица 4). Так, в способе-прототипе содержание молибдена и вольфрама в реэкстракте уменьшилось по сравнению с содержанием в экстракте соответственно в 3,3 раза и в 1,5 раза, а в заявляемом способе - более чем в 10 раз и более чем в 2 раза соответственно.
Суммарный коэффициент очистки урана (экстракция+промывка) составил от молибдена 100 по способу-прототипу и >600 по предлагаемому способу, от вольфрама - 10 по способу-прототипу и >20 по предлагаемому способу.
Таким образом, содержание примесей в реэкстрактах урана в заявляемом способе соответствовало требованиям ASTM С 787-03 по содержанию примесей в ГФУ для обогащения.