Автор работы: Пользователь скрыл имя, 13 Мая 2014 в 14:06, реферат
Технологический цикл добычи урана методом подземного скважинного выщелачивания включает следующие взаимосвязанные технологические процессы: собственно подземное выщелачивание урана, сорбционное извлечение урана из продуктивных растворов, десорбцию урана с насыщенного ионита, выделение десорбированного урана из товарных регенератов в виде химконцентрата.
В соответствии со сложным химическим составом продуктивных растворов и невысоким содержанием полезных компонентов наиболее приемлемый вариант их переработки – сорбционные методы, которые основаны на использовании ионного обмена.
Технологический цикл добычи урана методом подземного скважинного выщелачивания включает следующие взаимосвязанные технологические процессы: собственно подземное выщелачивание урана, сорбционное извлечение урана из продуктивных растворов, десорбцию урана с насыщенного ионита, выделение десорбированного урана из товарных регенератов в виде химконцентрата.
В соответствии со сложным химическим составом продуктивных растворов и невысоким содержанием полезных компонентов наиболее приемлемый вариант их переработки – сорбционные методы, которые основаны на использовании ионного обмена.
Создание большого ассортимента ионообменных материалов со специфическими для каждого конкретного случая их применения свойствами позволило широко и эффективно использовать сорбционные методы в гидрометаллургии при переработке моно- и полиметаллических руд, процессах концентрирования, разделения и очистки тяжелых, цветных и благородных металлов, в процессах очистки сточных вод и сбросных вредных газов, в фармакологии, медицине и др.
Немаловажную роль в большом распространении сорбционных методов в различных отраслях науки и техники сыграло начало 40…45 лет назад широкого использования их в технологии урана. Исключение из технологии многостадийной отмывки и фильтрации урановых пульп с целью получения из них чистых растворов, неоднократного осаждения химических концентратов с целью концентрирования и очистки урана от примесей привело, благодаря применению сорбционных методов, к созданию высокоэффективной технологии выделения, концентрирования и аффинирования урана с использованием непрерывных противоточных процессов, автоматизации, высокопроизводительного оборудования.
Сорбция – поглощение газов, паров и растворенных веществ твердыми телами и жидкостями.
Ионный обмен – обмен ионов между двумя электролитами. Может происходить как в гомогенной среде, так и в гетерогенной, в которой один из электролитов является, например, твердым (при контакте с ионитами).
Иониты – высокомолекулярные органические вещества (трёхмерной структуры), практически нерастворимые в воде и органических средах и обратимо обменивающие ионы, входящие в их состав, на эквивалентное количество других ионов того же знака, находящихся в растворе.
Обменная емкость – количество ионов, которое может быть поглощено единицей массы ионита. Ионообменная емкость зависит от природы смолы, количества и свойств ее функциональных групп, а также от условий, в которых используют смолу. Различают полную, динамическую и рабочую обменные емкости. (Громов, 122-123 с)
Полная обменная емкость (ПОЕ) – характеризует максимальное количество ионов, которое может быть поглощено смолой при полном насыщении всех способных к обмену функциональных групп, и определяется концентрацией функциональных групп в смоле. Она не зависит от природы раствора, рН среды, условий сорбции, но требует достижения состояния равновесия. ПОЕ выражают в миллиграм-эквивалентах на 1 г ионита в воздушно-сухом состоянии.
Динамическая обменная емкость – это количество ионов определенного вида, поглощенных смолой, находящейся в равновесии с раствором определенного состава. Динамическая обменная емкость – величина непостоянная, зависящая от условий сорбции, например, от скорости пропускания и состава раствора (т.е. от концентрации извлекаемого иона, присутствия примесей и т.д).
В реальных технологических процессах равновесие между ионитом и раствором обычно не достигается. В этом случае пользуются понятием рабочей емкости. Рабочая обменная емкость аналогична динамической, с тем отличием, что соответствует количеству сорбируемого иона, поглощенного ионитом, не до равновесия, а до момента выравнивания концентраций входящего и выходящего растворов по сорбируемому иону.
Насыщенный ионит – ионообменная смола, прошедшая процесс сорбции и имеющая максимальную обменную емкость, обеспечивающую получение допустимых (заданных) концентраций урана в маточниках сорбции.
Бедный ионит – ионообменная смола, прошедшая процесс десорбции, подготовленная для сорбции урана и имеющая минимальное содержание урана в пределах, допустимых регламентом.
Используемые в сорбционной технологии ионообменные материалы можно классифицировать по их структуре и свойствам на ряд групп или классов.
По структуре – на гелевые и пористые.
Гелевые иониты характеризуются большей объемной обменной емкостью, чем пористые, но уступают им по осмотической стабильности, механической прочности. Представители гелевых ионитов - аниониты АМ, АМП, ВП-1А, ВП-3А.
Пористые иониты характеризуются высокой набухаемостью, лучшими кинетическими свойствами, менее подвержены отравлению органическими ионами. Представители – АМ-п, АМП-п, ВП-1Ап и др.
По характеру обмена ионов – на анионообменные, катионообменные и комплексообразующие иониты.
Анионообменные иониты (аниониты) имеют в своем составе анионообменные функциональные группы - . Анионита в результате реакции ионного обмена способны извлекать из технологических сред полезные компоненты, находящиеся в виде комплексных анионов. Конкурентами являются обычные анионы – нитрат-, хлорид-, сульфат-, бисульфат-ионы и др. Причем, конкурирующее действие их характеризуется разной степенью сродства к сорбенту.
Аниониты (сильноосновные, слабоосновные – с различной матрицей – полистирольные, полигетероциклические, полиакриловые) являются самым обширным классом ионообменных материалов.
Катионообменные иониты (катиониты) имеют в своем составе катионообменные группы - -ОН, -СООН или –SO3Н. Катиониты в результате реакции ионного обмена способны извлекать из технологических сред полезные компоненты, находящиеся в виде катионов. Поэтому катиониты обладают меньшей селективностью по отношению к извлекаемому компоненту, чем аниониты, несмотря на это катиониты широко используются в гидрометаллургии редких и цветных металлов, в водоподготовке, при извлечении ценных элементов из сточных вод и т.д.
Катиониты (сульфатные, фосфатные, карбонатные с полистирольной и полиакриловой матрицей) – достаточно широкий класс ионообменных материалов.
Комплексообразующие иониты (амфолиты) имеют в своем составе функциональные ионообменные группы двух типов - анионообменные и катионообменные.
Амфолиты способны извлекать из технологических сред полезные компоненты, находящиеся как в анионной, так и в катионной форме, например, уран. Широко используются при ионообменном извлечении ванадия, вольфрама, платиновых, цветных металлов и редких металлов.
Амфолиты, также как аниониты и катиониты, могут иметь полистирольную, полигетероциклическую или полиакриловую матрицы.
Согласно научной классификации академика Б.Н. Никольского иониты разделяют на четыре класса, каждый из которых включает в себя как катиониты, так и аниониты.
К первому классу относятся иониты, проявляющие свойства сильных кислот (катиониты) или сильных оснований (аниониты). Характерной особенностью их является то, что обменная емкость их по отношению к различным извлекаемым ионам максимальна и постоянна в широком интервале значений рН среды. Основные представители этого класса сульфостирольный катионит КУ-2 и аналогичные ему катиониты американского производства IRA-120 и Дауэкс-50. Сильноосновные аниониты являются сополимерами стирола и дивинилбензола с четвертичными аминогруппами -АМ, АМП. IRA-400, Дауэкс-1 или сополимерами винилпиридина и дивинила – ВП-1Ап, ВП-3Ап.
Ко второму классу относятся иониты, проявляющие свойства слабых кислот (катиониты) и слабых оснований (аниониты). Обменная емкость их по отношению к извлекаемым ионам максимальна только при определенном значении величины рН рабочей среды – высоком для катионитов и низком для анионитов. К этому классу относятся как - ионит СГ-1, аниониты АН-2ф, ЭДЭ-10п, ВП-1п и др.
К третьему классу относятся иониты, проявляющие свойства смеси сильной и слабой кислот (катиониты) и смеси сильного и слабого основания (аниониты). Характерной особенностью их является наличие двух предельных значений обменной емкости для низкой и высокой величины рН рабочей среды.
К четвертому классу относятся иониты, проявляющие свойства смеси многих кислот (катиониты) и смеси многих оснований (аниониты). Характерной особенностью их является постепенное увеличение обменной емкости по отношению к извлекаемым ионам по мере увеличения значения рН среды.
Учитывая длительное время использования ионитов в технологическом процессе, они должны удовлетворять многим требованиям:
Иониты выпускаются, хранятся и транспортируются во влажном состоянии. Замораживание ионитов, равно как и высушивание их, приводит к существенному снижению механической прочности и осмотической стабильности. Высохший ионит перед загрузкой в технологический процесс замачивают в насыщенном солевом растворе на несколько часов, затем отмывают от соли постепенным разбавлением водой.
На практике при выборе ионита для решения конкретной задачи, а также при изучении закономерностей обмена на различных типах ионообменных материалов для получения воспроизводимых и сравнимых результатов необходимо использовать ионит, подготовленный к работе всегда одним и тем же способом и в одной и той же ионной форме.
Подготовка ионитов к испытаниям должна обеспечить:
Удаление примесей из ионитов обычно достигается путем последовательных многократных операций отмывок 5% растворами соляной кислоты и едкого натра с промежуточной и последующей промывками водой. В случае неустойчивости ионита в щелочной среде вместо раствора едкого натра используют раствор бикарбоната аммония.
В процессе эксплуатации ионитов наряду с ионообменными свойствами большое значение придается физико-химическим характеристикам ионита, зачастую, во многом определяющим экономическую эффективность применения ионообменных материалов в конкретных процессах.
Иониты в зависимости от гранулометрического состава выпускают двух классов: класс «А» – размер зерен от 0,63 до 1,6 мм и класс «Б» – размер зерен от 0,315 до 1,25 мм. Кроме того, в зависимости от конкретных ионообменных свойств и физико-химических характеристик иониты выпускаются первым и вторым сортами.
Ионит от изготовителя к потребителю поступает партиями. Партией считается количество ионита одной марки, однородного по своим качественным показателям и сопровождаемое одним документом о качестве, содержащим:
Для контроля соответствия качества ионита данной партии нормированным требованиям изготовитель отбирает и поставляет среднюю пробу. При получении неудовлетворительных результатов анализа хотя бы по одному из показателей проводят повторный анализ проб, отобранных от удвоенного количества мест той же партии.
В случае необходимости производят арбитражные анализы в другой, определенной совместно изготовителем и потребителем, организации.
Основные требования к ионитам, как регламентируемые соответствующими стандартами или техническими условиями, так и нерегламентируемые, в основном, практически одинаковы для всех ионообменных процессов. Принципиальным отличием продуктивных урановых растворов ПСВ от урановых растворов и пульп, получающихся в процессе переработки силикатных руд, является практическое отсутствие твердых рудных взвесей, низкий солевой состав раствора, низкая кислотность, и даже сравнительно низкая концентрация урана в растворах (30...70 мг/л) позволяет с высокой экономической эффективностью перерабатывать продуктивные растворы ионообменным способом.