Процессы и аппараты урановых производств Курс лекций Доцент кафедры ХТРЭ Кантаев Александр Сергеевич МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 1

Лекция 8 Обогащение руд Химическое обогащение 2

Схема цепи аппаратов выщелачивания урана 3 Рисунок – 1 Схема цепи аппаратов узла выщелачивания урановой руды: 1 - чаны; 2 - агитаторы; 3 - классификаторы; 4 – гидроциклоны; 5 - сгустительный конус; 6 - сборный чан; 7 - зумпф

4 Ионообменная сорбция урана из растворов

Области применения, классификация сорбентов, основные понятия и определения 5 Ионообменные смолы представляют собой высокомолекулярные материалы, состоящие из трехмерного каркаса (матрицы) – полимерных углеводородных цепочек, соединенных между собой поперечными связями и ионогенных групп, присоединенных к каркасу. В зависимости от ионогенной группы, которую называют также функциональной, или активной группой, ионообменные смолы делятся на катиониты, аниониты, полиамфолиты (бинарные, или амфотерные иониты), комплексообразующие сорбенты и окислительно-восстановительные полимеры.

Области применения, классификация сорбентов, основные понятия и определения 6 По степени диссоциации ионогенных групп, от которой зависит способность смолы к ионному обмену, иониты разделены на четыре группы : 1. Иониты, проявляющие свойства сильных кислот или оснований. 2. Иониты, проявляющие свойства слабых кислот или оснований. 3. Иониты, проявляющие свойства смеси сильной и слабой кислоты, сильного и слабого основания. 4. Иониты, подобные смеси кислот и оснований различной силы.

Области применения, классификация сорбентов, основные понятия и определения 7 Рисунок – 2 Кривые, характеризующие иониты четырех типов: 1 - иониты, проявляющие свойства сильных кислот или оснований; 2 - иониты, проявляющие свойства слабых кислот или оснований; 3 - иониты, проявляющие свойства смеси сильной и слабой кислот (оснований); 4 - иониты, подобные смеси кислот и оснований различной силы

Области применения, классификация сорбентов, основные понятия и определения 8 Различают полную, статическую и динамическую емкости смолы. Полная обменная емкость (ПОЕ) определяется количеством функциональных групп в смоле и соответствует участию в обмене всех ионогенных групп смолы. Равновесная статическая обменная емкость (РСОЕ) – емкость смолы при достижении равновесия в статических условиях с раствором определенного объема и состава. Полная статическая обменная емкость (ПСОЕ) – равновесная емкость смолы, определенная при содержании в растворе большого избытка сорбируемого иона. Динамическая обменная емкость (ДОЕ) соответствует количеству определенного иона, поглощенного смолой при фильтрации раствора через ее слой до проскока сорбируемого иона. Полная динамическая объемная емкость (ПДОЕ) емкость, аналогичная динамической, но соответствует количеству сорбируемого иона, поглощенного смолой, не до проскока, а до момента выравнивания концентраций входящего и выходящего растворов.

Области применения, классификация сорбентов, основные понятия и определения 9 Рисунок – 3 Выходная кривая сорбции при содержании в растворе одного сорта ионов, способных к ионному обмену Полная динамическая емкость обычных ионитов по однозарядным ионам колеблется от 3 до 10 ммоль/г сухой смолы.

Области применения, классификация сорбентов, основные понятия и определения 10 Рисунок – 4 Изотермы ионного обмена различного типа эквивалентные доли иона в смоле и растворе соответственно: 1 - выпуклая (благоприятная) изотерма; 2 - линейная изотерма; 3 - вогнутая (неблагоприятная) изотерма Для описания равновесия обмена между ионами А с + В b В с + А b используют изотермы ионного обмена, т.е. графики зависимости между молярной долей иона В в ионите и молярных долей его в растворе. Существуют изотермы трех основных видов (рис. 4): выпуклая (благоприятная, указывающая на преимущественную сорбцию иона В), линейная (безразличная, сродство ионов одинаковое) и вогнутая (неблагоприятная).

Области применения, классификация сорбентов, основные понятия и определения 11 Рисунок – 5 Вытеснительная хроматография Разделение двух сортов ионов В 1 + и В 2 + : на катионите в А -форме при помощи раствора, содержащего ионы С +. Сродство к катиониту С + > В 2 + > С + > В 1 + > А

Кинетика ионного обмена 12 В ионообменном процессе можно выделить пять стадий: 1) Диффузия вытесняющего иона через слой (пленку) жидкости, окружающей зерно ионита, к контурной поверхности ионита; 2) диффузия вытесняющего иона в объеме зерна ионита к точке обмена; 3) химическая реакция двойного обмена; 4) диффузия вытесненного иона в объеме зерна ионита от точки обмена к контурной поверхности зерна ионита; 5) диффузия вытесненного иона от контурной поверхности зерна ионита жидкости в объем раствора.

Динамика ионного обмена 13 Рисунок – 6 Процесс ионного обмена в колонне к моменту времени τ 1 (1), τ 0 (2) и τ 2 (3): I - ионит, насыщенный ионами А; II - ионит, насыщенный ионами В

Сорбционно-десорбционные каскады 14 Рисунок – 7 Работа сорбционно- десорбцнонного цикла: 1 цикл сорбция , десорбция ; 2 - цикл - сорбция , десорбция ; 3 цикл - сорбция 3 – 6 - 5, десорбция ; 4 цикл - сорбция , десорбция

Сорбционно-десорбционные каскады 15 Рисунок – 8 Каскад непрерывного ионного обмена для извлечения урана из пульпы: 1 - пачуки; 2 - регулятор расхода пульпы; 3 - сепараторы; 4 – колонны КДС для отмывки сорбента от пульпы; 5 - десорбционнойй-регенерационная колонна; 6 - колонна для отмывки от регенерационного раствора

Сорбционно-десорбционные каскады 16 Рисунок – 9 Каскад непрерывного действия из пульсационных колонн для очистки РЗЭ (а) и извлечения урана из плотных пульп (6): 1 - колонна отмывки сорбента от исходного раствора; 2, 3 сорбционные колонны; 4 - колонна отмывки сорбента от регенерационного раствора или пульпы; 5 - десорбционнойй- регенерационная колонна; 6 троммели; 7 - промежуточные емкости; 8, 9 - аэролифты для смолы; 10 – циркуляционный аэролифт для пульпы; 11 - напорный бачок со смолой