铀的提取和纯化

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铀的提取和纯化是指从铀矿石中提取铀直到制成核纯(见放射性核素纯度)铀化合物的工艺过程,是天然铀生产的重要步骤。

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铀的提取和纯化正文

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主要产品有重铀酸铵(俗称黄饼)和三碳酸铀酰铵等。纯化(又称精制)后的铀化合物产品,必须达到核纯的要求。精制的产品进一步干燥、煅烧,加工成二氧化铀或八氧化三铀,供制作反应堆元件或六氟化铀(用于铀235的同位素分离)用。整个过程须经下述单元操作:铀矿石的破碎和磨细、铀矿石的浸取、矿浆的固液分离、离子交换和溶剂萃取法提取铀浓缩物、溶剂萃取法纯化铀浓缩物。可根据矿石种类、产品要求等不同情况,选择由上述单元操作所组成的适当流程。
  破碎和磨细 破碎是将矿石经颚式破碎机、圆维破碎机或锤式破碎机粗碎、中碎和细碎以达到所要求的粒度。然后进行细磨,以达到浸取工序所要求的粒度。
  浸取 用溶剂将矿石中的铀选择性地溶解。铀矿石经浸取后,铀与大部分脉石分离,浸取液中铀与杂质的比例比原矿石中约提高10~30倍,因此,浸取过程也是铀与杂质初步分离的过程。
  铀矿石浸取方法一般有酸法和碱法两种。多数铀水冶厂采用酸浸取法,少数厂用碱浸取法,只有个别厂同时采用酸、碱两种浸取流程。酸浸取法一般用硫酸作浸取剂,矿石中的铀和硫酸反应,生成可溶的铀酰离子(UO卂)和硫酸铀酰离子 【UO(SO)】;浸取时常加入氧化剂(常用二氧化锰、氯酸钠),以保持适宜的氧化还原电势(约450毫伏),使四价铀氧化成六价,以提高铀的浸出率。含碳酸盐的铀矿石主要用碱法浸取,常用的浸取剂为碳酸钠和碳酸氢钠的水溶液,在鼓入空气的条件下,矿石中的铀与碳酸钠生成碳酸铀酰钠 Na【UO(CO)】,溶于浸取液。
  矿浆的固液分离 矿石浸取后所得到的酸性或碱性矿浆(包括含铀溶液、部分杂质及固体矿渣)中的溶液和矿渣须经分离。根据需要也可进行粗矿分级,以除去+200~40目的粗砂,得到细泥矿浆。常用的固液分离设备有过滤机、沉降槽(浓密机);分级设备有螺旋分级机、水力旋流器。中国还采用流态化塔进行分级和洗涤。
  分离出的溶液可用离子交换法分离铀,也可用溶剂萃取法分离和纯化铀,或将铀从含铀溶液中沉淀出来。
  离子交换法提取铀 固液分离后的浸取液中八氧化三铀的含量大致为500~1000毫克/升。对于含铀浓度低的浸取液采用离子交换法提取铀较为合宜。离子交换法一般采用强碱性阴离子交换树脂吸附铀。按吸附液含固量的多少,吸附可分为清液吸附、混浊液吸附和矿浆吸附。当树脂吸咐饱和后,经水洗,再用淋洗剂(硫酸-氯化钠、硫酸-氯化铵、硝酸-硝酸钠、硝酸-硝酸铵、稀硫酸或稀硝酸)将铀从树脂上淋洗下来。
  萃取法提取和精制铀 铀水冶厂处理的溶液是体积大、铀浓度低、杂质含量高的稀溶液,须将铀与杂质分离并初步使铀浓缩,而在精制工艺中,处理的是高浓度的含铀溶液,产品质量要求达到核纯。在铀的萃取工艺中常用的有机膦与烷基胺类萃取剂有磷酸三丁酯 (TBP)、二(2-乙基己基)磷酸、三辛胺等。
  在铀水冶厂,硫酸体系的萃取多采用磷类和胺类两种萃取工艺(碱性体系的萃取常用季铵盐萃取工艺),如烷基膦萃取工艺和胺类萃取工艺流程,后者在世界上应用较多。中国应用较多的是淋萃流程。淋萃过程的原则流程见图1。吸附铀的饱和树脂,用1摩/升硫酸淋洗,随后对此淋洗液进行萃取。例如淋萃流程所用的萃取剂是0.2摩/升二(2-乙基己基)磷酸-0.1摩/升三烷基氧膦体系.有机相的饱和度控制在85%以上,经水洗后,用碳酸铵结晶反萃取,可得核纯三碳酸铀酰。此流程中淋洗与萃取结合,使萃取所处理的液量减少,金属回收率高,节省试剂,产品纯度也高。
  铀的提取和纯化
铀的提取和纯化 铀的提取和纯化
铀的提取和纯化
铀的提取和纯化 铀的提取和纯化
铀水冶厂生产的产品一般为工业铀浓缩物,仍含有硫酸盐、硅、钙、镁等杂质,须进一步精制,才能得到核纯产品。精制过程中最常用的是TBP萃取工艺,TBP对铀饱和容量大,可处理含铀量高的溶液,在有机相接近饱和的条件下,对杂质元素有较高的净化能力。TBP精制工业铀浓缩物的典型流程见图2。
  从含铀溶液中沉淀铀 在浸取所得溶液中,也可将铀以不溶性化合物的状态分离出来;并可通过对沉淀物的多次溶解及再沉淀而进行纯化。主要有碱中和法和过氧化氢沉淀法:
  ① 碱中和法 将碱性沉淀剂如氨水、氧化镁、气态氨等加入到酸性含铀溶液中,并控制最终pH值为6.5~8.0,铀以重铀酸盐形式完全沉淀出来。对碱性浸取液主要采用氢氧化钠沉淀剂,得铀酸钠或重铀酸钠沉淀。如果从纯化过的酸性溶液中沉淀铀,则其沉淀物重铀酸铵的纯度较高。
  ② 过氧化氢沉淀法 将含铀溶液的 pH调至2.5~4.0,缓慢加入比化学计算量过量的 30%过氧化氢,再加入适量的氨水,以中和反应过程生成的酸,使最终pH达2.8,生成铀的过氧化物(UO·HO)沉淀。过氧化氢沉淀法对铀选择性高,并可获得晶状、易处理的产品,也具有工业意义。