Процессы и аппараты урановых производств Курс лекций Ассистент 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 10 Оборудование экстракционных процессов 2

Общая характеристика, области применения, классификация экстрагентов, основные понятии и определения 3 Экстрагент – органическое вещество, образующее с извлекаемым металлом комплекс или соль, способные растворяться в органической фазе. Разбавитель – жидкое органическое вещество, не смешивающееся с водой, служащее растворителем экстрагента. Высаливатель – неорганическое вещество, улучающее показатели экстракции. Экстракт – органическая фаза после экстракции, насыщенная извлекаемым компонентом. Рафинат – водная фаза после экстракции, очищенная от извлекаемого компонента. Реэкстракт – водная фаза, полученная после реэкстракции, то есть извлечения данного компонента из экстракта в водный раствор.

4 Для описания равновесия процесса экстракции используются следующие характеристики: коэффициент распределения элемента ( ), константа распределения соединения, коэффициент разделения двух компонентов ( ). где x 1, y 1, x j, y i,– концентрация элемента в различных химических формах. Общая характеристика, основные понятии и определения

5 Связь между константой распределения и константой равновесия определяется выражением: Коэффициент разделения – частное от деления отношений количеств разделяемых элементов в органической и водной фазах: то есть коэффициент разделения есть отношение коэффициентов распределения двух элементов. Общая характеристика, основные понятии и определения

6 Важной количественной характеристикой экстракционного процесса является степень извлечения элемента (ε) в органическую фазу от общего количества его в обеих фазах:

Классификация экстрагентов 7 1.Нейтральные экстрагенты; В их составе должны быть активные атомы, обладающие электронно-донорной способностью (кислород, сера, азот). КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИЕ ЭКСТРАГЕНТЫ Спирты Простые эфиры Экстрагенты с центральным атомом углерода. Кетоны Сложные эфиры карбоновых кислот

Классификация экстрагентов 8 Экстрагенты с центральным атомом фосфора. Нейтральные эфиры ортофосфорной кислоты (алкилфосфаты): Нейтральные эфиры алкилфосфоновой кислоты Эфиры диалкилфосфиновой кислоты (алкилфосфинаты): Фосфиноксиды

Классификация экстрагентов 9 Экстрагенты с центральным атомом серы Например, диоктилсульфоксид: Экстрагенты с центральным атомом азота Органические N-оксиды, например триоктиламинооксид. Самыми важными из них являются нейтральные фосфорорганические соединения (ФОС).

Классификация экстрагентов 10 Экстрагенты с центральным атомом серы Например, диоктилсульфоксид: Экстрагенты с центральным атомом азота Органические N-оксиды, например триоктиламинооксид. Самыми важными из них являются нейтральные фосфорорганические соединения (ФОС).

Классификация экстрагентов 11 циклические сульфиды: тиофан Это, в первую очередь органические сульфиды (тиоэфиры), например дибутилсульфид. Экстрагенты с активным атомом серы тиофен и их производные

Зависимость экстракционной способности от строения нейтрального экстрагента 12. Эфирный кислород оттягивает электронное облако от фосфорильного кислорода: Затраты энергии при переходе молекул соли из водной фазы в органическую компенсируется энергией сольватации их экстрагентом. Лучшие условия для экстракции создаются, если в водной фазе присутствуют не ионы, а нейтральные молекулы, тогда нужно компенсировать гораздо меньшую энергию гидратации. Этому способствует повышение концентрации одноименного иона в растворе (нитрат-иона в виде азотной кислоты или нитратов металлов).

Классификация экстрагентов 13. Жидкие катиониты моноалкилфосфаты, (первичные эфиры ортофосфорной кислоты), диалкилфосфаты, (вторичные эфиры ортофосфорной кислоты), алкилфосфоновая кислота, первичный эфир алкилфосфоновой кислоты, диалкилфосфиновая кислота.

Классификация экстрагентов 14. Жидкие катиониты моноалкилфосфаты, (первичные эфиры ортофосфорной кислоты), диалкилфосфаты, (вторичные эфиры ортофосфорной кислоты), алкилфосфоновая кислота, первичный эфир алкилфосфоновой кислоты, диалкилфосфиновая кислота.

Классификация экстрагентов 15. Например, диметилглиоксим, существующий в двух таутомерных формах: Он селективен к Ni 2+, Pd 2+, Fe 2+ образуя хелат со следующей структурной формулой: Это прочное, окрашенное в малиновый цвет соединение, оно позволяет обнаруживать 1 ч никеля более чем в л воды.

Классификация экстрагентов 16. Жидкие аниониты Соли ЧАО экстрагируют анионы металлов по реакции межфазного ионного обмена: выпускается хлорид триалкилбензиламмония (ТАБАХ): c противоионом Cl - : В кислых средах могут работать соли первичных, вторичных и третичных аминов:

Классификация экстрагентов 17. Жидкие аниониты Соли ЧАО экстрагируют анионы металлов по реакции межфазного ионного обмена: выпускается хлорид триалкилбензиламмония (ТАБАХ): c противоионом Cl - : В кислых средах могут работать соли первичных, вторичных и третичных аминов:

Расчет количества равновесных ступеней экстракции 18. Рисунок - 1. Изотерма экстракции. Определение числа теоретических ступеней экстракции

Расчет количества равновесных ступеней экстракции 19. Составим материальный баланс по урану для 1 ступени: разделим обе части равенства на из материального баланса 2 ступени: аналогично расчет продолжаем до

Расчет количества равновесных ступеней экстракции 20. Тогда Другой вариант Расчет от ступени к ступени можно начинать и слева и справа. Материальный баланс по урану для 1 ступени:

Расчет количества равновесных ступеней экстракции 21.

Расчет количества равновесных ступеней экстракции 22. Точки на прямой АВ удовлетворяют уравнению полученному из материального баланса всего каскада: Количество смесительных и отстойных камер экстракционного каскада получается делением n теор на КПД ступени Коэффициент полезного действия ступени определяется кинетическими и гидродинамическими факторами и изменяется чаще всего от 0,6 до 0,9.

Расчет количества равновесных ступеней экстракции 23. Рисунок - 2. Определение числа ступеней реэкстракции.

Кинетика процесса экстракции Скорость установления равновесного распределения вещества между водной и органической фазами определяется: скоростью массопередачи веществ внутри водной и органической фаз и через границу из раздела; скоростью химических реакций в каждой фазе или на межфазной границе. – степень достижения равновесного состояния, 24

Извлечение урана из растворов с применением экстракции Наибольшей селективностью по отношению к урану обладают нейтральные экстрагенты. Чаще всего из них применяется трибутилфосфат (ТБФ). Он извлекает уран из азотнокислых сред. Но так как азотная кислота не используется при выщелачивании бедных руд из-за ее большой стоимости, то использовать ТБФ на данной стадии нельзя. Для извлечения урана из сернокислых растворов чаще всего используют кислые ФОС и алкиламины. Из первичных эфиров ортофосфорной кислоты чаще всего используется додецилфосфат (ДДФК) Поэтому реакцию катионного обмена можно записать так: 25

Извлечение урана из растворов с применением экстракции 26 Рисунок – 3 Технологическая схема переработки уранованадиевой руды с применением ДДФК.

Извлечение урана из растворов с применением экстракции 27 Извлечение урана диалкилфосфатами Наибольшей известностью из них пользуется ди-(2этилгексил)-фосфорная кислота (ЭГФК) ЭГФК находится в органической фазе в димеризованной форме: экстракция катиона уранила протекает по следующему уравнению: Структурная формула образовавшегося соединения (хелата):

Извлечение урана из растворов с применением экстракции Рисунок - 4 Технологическая схема экстракции урана растворами ЭГФК