ЭКСТРАГЕНТ ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ АКТИНИДОВ В СТЕПЕНИ ОКИСЛЕНИЯ +4 И +6 ИЗ АЗОТНОКИСЛЫХ РАСТВОРОВ
EXTRACTION AGENT FOR EXTRACTING ACTINIDES IN OXIDATION STATES +4 AND +6 FROM NITRIC ACID SOLUTIONS

Изобретение относится к области химической технологии выделения радионуклидов и может быть использовано в экстракционных процессах извлечения актинидов из азотнокислых растворов радиохимических производств.
Известны экстрагенты для извлечения актинидов в степени окисления +4 и +6 на основе трибутилфосфата (ТБФ) в алифатических углеводородах: н-додекане; углеводородах, содержащих 12-14 атомов углерода; керосине; сульфированном синтине (Шевченко В.Б., Судариков Б.Н. / Технология урана. - М.: Госатомиздат, 1961, с.182-185). Недостатком этих экстрагентов является низкая температура вспышки, а также, в определенных условиях, появление третьей фазы в процессе экстракции нитратов четырехвалентных плутония, циркония и тория.
Известен экстрагент для извлечения актинидов в степени окисления +4 и +6 на основе трибутилфосфата в четыреххлористом углероде (Химическая технология облученного ядерного горючего. Учебное пособие для вузов / Под ред. В.Б.Шевченко. - М.: Атомиздат, 1971, с.147-154). Недостатком экстрагента является токсичность четыреххлористого углерода, применяемого в качестве разбавителя.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому техническому решению по совокупности признаков является экстрагент для извлечения актинидов в степени окисления +4 и +6 на основе трибутилфосфата в гексахлорбутадиене (ГХБД), выбранный в качестве прототипа (Волк В.И., Бахрушин А.Ю., Мамаев С.Л. Экстракция урана и тория из фторидно-азотнокислых сред // Радиохимия, 1999, Т.41, №2, с.116-118). Недостатком этого экстрагента является высокая токсичность ГХБД, относящегося к вредным веществам 1 класса опасности.
Задачей изобретения является исключение токсичных компонентов из состава экстрагента.
Решение поставленной задачи достигается тем, что для извлечения актинидов в степени окисления +4 и +6 в качестве экстрагента используют раствор трибутилфосфата (ТБФ) в формалях фторированных спиртов, например формале тетрафторпропилового спирта (формаль 1), формате октафторамилового спирта (формаль 2), формате 21 - смешанный формаль из смеси тетрафторпропилового и октафторамилового спиртов, с объемной долей формаля от 50% до 80%. Формали фторированных спиртов относятся к вредным веществам 4 класса опасности. Таким образом, исключается токсичность экстрагента.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав экстрагента отличается от известного тем, что в качестве разбавителя ТБФ используют новый класс разбавителей - формали фторированных спиртов. Таким образом, заявляемый экстрагент соответствует требованию «новизна».
В литературных источниках не найдено информации об использовании формалей фторированных спиртов как разбавителей ТБФ в радиохимических процессах.
Для иллюстрации заявляемого технического решения в таблице в качестве примера приведено влияние концентрации азотной кислоты в растворе на коэффициенты распределения актинидов в степени окисления +6 (урана) и степени окисления +4 (тория), а также влияние объемной доли ТБФ в экстрагенте на коэффициент распределения урана.
Таблица
Зависимость коэффициентов распределения урана и тория при их извлечении в растворы ТБФ в формалях от концентрации азотной кислоты в водной фазе
Концентрация азотной кислоты в водной фазе, моль/дм<sup>3</sup>
Коэффициенты распределения
урана
тория
ТБФ с объемной долей 30% в формале 1
ТБФ с объемной долей 50% в формале 21
ТБФ с объемной долей 20% в формале 2
ТБФ с объемной долей 50% в формале 2
ТБФ с объемной долей 40% в формале 2
0,5
0,3
0,8
0,1
0,7
0,1
1,0
1,2
1,5
1,1
1,4
0,2
1,5
2,2
4,1
1,5
3,6
0,3
2,0
3,6
9,2
2,3
8,8
0,4
2,5
5,6
14,7
3,1
15,2
0,9
3,0
8,5
17,8
4,9
18,0
1,2
4,0
-
-
-
-
2,3
3
3
Результаты статических экспериментов, представленные в таблице, показали, что при использовании формалей в качестве разбавителей ТБФ актиниды в степени окисления +4 и +6 удовлетворительно экстрагируются в широком диапазоне концентраций азотной кислоты. Увеличение объемной доли ТБФ выше 50% не является целесообразным, так как приведет не только к увеличению коэффициентов распределения сопутствующих примесей, но и к инверсии фаз. При объемной доле ТБФ меньше 20% значения коэффициентов распределения урана и тория резко падают. Заявляемый экстрагент позволяет извлекать актиниды в степени окисления +6 (уран), начиная с концентрации азотной кислоты в растворе, равной 1,0 моль/дм, а актиниды в степени окисления +4 (торий) - с 3,0 моль/дм, когда коэффициенты распределения соответствующих элементов становятся больше единицы. Не отмечено образование осадков или третьей фазы при насыщении экстрагента ураном либо торием. Таким образом, обеспечивается растворимость образующихся сольватов, что является одним из определяющих показателей пригодности формалей в качестве разбавителей ТБФ.
3
3
Введение формалей в экстракционную систему позволяет проводить реэкстракцию урана растворами азотной кислоты с концентрацией до 0,5 моль/дм и четырехвалентных актинидов (тория) растворами азотной кислоты с концентрацией вплоть до 2,5 моль/дм при комнатной температуре, что следует из данных, представленных в таблице. Различие в коэффициентах распределения урана и четырехвалентных актинидов (тория) дает возможность их разделения как на стадии экстракции, так и на стадии реэкстракции. Использование азотной кислоты с достаточно высокой концентрацией в качестве реэкстрагента исключает возможность гидролиза четырехвалентных актинидов.
Таким образом, обнаружена новая и неожиданная возможность не только эффективно извлекать актиниды в степени окисления +4 и +6 из азотнокислых растворов в растворы ТБФ в формалях фторированных спиртов, но и проводить процесс реэкстракции растворами азотной кислоты с достаточно высокой концентрацией, а также осуществлять разделение урана и четырехвалентных актинидов путем изменения концентрации азотной кислоты на стадии экстракции или реэкстракции, что позволяет признать заявляемое техническое решение соответствующим требованию «изобретательский уровень».
Возможность применения заявляемого экстрагента подтверждается следующими примерами.
3
3
3
Пример 1. Извлечение урана из раствора с концентрацией азотной кислоты 3,0 моль/дм и концентрацией урана 50,0 г/дм проводили в раствор ТБФ с объемной долей 30% в формале 1. Объемное соотношение органической и водной фаз равнялось единице. Фазы перемешивали в течение 5 мин и проводили их разделение. Коэффициент распределения урана составил 6,0. За два последовательных контакта извлекается 98% урана. Реэкстракцию урана проводили раствором азотной кислоты с концентрацией 0,05 моль/дм при комнатной температуре. Коэффициент распределения урана составил 0,3. За три последовательных контакта реэкстрагируется 99% урана.
Во всех нижеприведенных примерах операции экстракции и реэкстракции проводили аналогичным способом.
3
3
3
Пример 2. Извлечение тория из раствора с концентрацией азотной кислоты 4,0 моль/дм и концентрацией тория 95,0 мг/дм проводили в раствор ТБФ с объемной долей 40% в формале 2. Коэффициент распределения тория составил 2,3. За три последовательных контакта извлекается 97% тория. Реэкстракцию тория проводили раствором азотной кислоты с концентрацией 0,5 моль/дм при комнатной температуре. Коэффициент распределения тория составил 0,1. За два последовательных контакта реэкстрагируется 99% тория.
3
3
3
Пример 3. Извлечение урана из раствора с концентрацией азотной кислоты 3,0 моль/дм и концентрацией урана 5,0 г/дм проводили в раствор ТБФ с объемной долей 30% в формале 2. Коэффициент распределения урана составил 7,3. За два последовательных контакта извлекается 98% урана. Реэкстракцию урана проводили раствором азотной кислоты с концентрацией 0,05 моль/дм при комнатной температуре. Коэффициент распределения урана составил 0,2. За три последовательных контакта реэкстрагируется 99% урана.
3
3
3
3
Пример 4. Извлечение урана и тория из раствора с концентрацией азотной кислоты 3,0 моль/дм, концентрацией урана 17,0 г/дм и концентрацией тория 75,0 мг/дм проводили в раствор ТБФ с объемной долей 40% в формале 2. Коэффициент распределения урана составил 8,8, тория - 1,2. За пять последовательных контакта извлекается 99,99% урана и 98% тория. Реэкстракцию урана и тория проводили раствором азотной кислоты с концентрацией 0,5 моль/дм при комнатной температуре. Коэффициент распределения урана составил 0,5, тория - 0,1. За три последовательных контакта реэкстрагируется 96% урана и более 99% тория.
3
3
3
Пример 5. Извлечение урана из раствора с концентрацией азотной кислоты 2,0 моль/дм и концентрацией урана 104,0 г/дм проводили в раствор ТБФ с объемной долей 50% в формале 2. Коэффициент распределения урана составил 4,2. За три последовательных контакта извлекается 99% урана. Реэкстракцию урана проводили раствором азотной кислоты с концентрацией 0,05 моль/дм при комнатной температуре. Коэффициент распределения урана составил 0,5. За четыре последовательных контакта реэкстрагируется 99% урана.
3
3
3
Пример 6. Извлечение урана из раствора с концентрацией азотной кислоты 3,0 моль/дм и концентрацией урана 47,7 г/дм проводили в раствор ТБФ с объемной долей 40% в формале 21. Коэффициент распределения урана составил 8,1. За два последовательных контакта извлекается 99% урана. Реэкстракцию урана проводили раствором азотной кислоты с концентрацией 0,05 моль/дм при комнатной температуре. Коэффициент распределения урана составил 0,4. За три последовательных контакта реэкстрагируется 98% урана.
Приведенные примеры показывают, что применение заявляемого экстрагента позволяет эффективно извлекать актиниды в степени окисления +4 и +6 и проводить их реэкстракцию в широком диапазоне концентраций азотной кислоты.