изучение возможности применения катионитов Purolite s 957, Purolite D 5041 И lewatit tp 260 для извлечения урана из азотнокислых растворов
, ,
»», г. Озерск
Целью работы являлось изучение сорбционных свойств и возможности использования катионитов Purolite S 957, Purolite D 5041 (производитель «Purolite International Limited», Великобритания) и Lewatit TP 260 (производитель «Bayer AG», Германия) для извлечения урана из азотнокислых растворов.
Основные физико-химические свойства исследуемых катионитов приведены в таблице 1.
Подготовку сорбентов к работе проводили в статических условиях в стеклянном стакане путем обработки раствором азотной кислоты с молярной концентрацией 2 моль/дм3, при постоянном перемешивании сжатым воздухом, объемном соотношении жидкая фаза: твердая фаза равном 10 и времени контакта фаз – 3 часа. Затем промывали сорбенты дистиллированной водой до достижения в фильтрате значения рН = 5,5. Промытые сорбенты высушивали при комнатной температуре.
Сорбцию урана в статических условиях проводили путем встряхивания навески сорбента массой 0,1 г в воздушно-сухом состоянии с аликвотой модельного раствора объемом 5 см3 на механической мешалке в течение 3 часов. Было установлено, что при этом времени контакта фаз и массовой концентрации урана в исходном растворе 1 г/дм3 обеспечивается достижение полного сорбционного равновесия. Молярную концентрацию азотной кислоты в исходном растворе изменяли от 1,0×10-5,5 до 7,0 моль/дм3.
Таблица 1 – Основные физико-химические свойства катионитов
Наименование | Катионит | Катионит | Катионит Lewatit TP 260 |
Тип катионита | Сильнокислотный | Среднекислотный | Слабокислотный катионит |
Функциональная группа | Фосфоновая и сульфоновая кислоты | Фосфорная кислота | Аминометил-фосфоновая кислота |
Структура | Макропористая | Макропористая | Макропористая |
Матрица | Сшитый полимер | Сшитый полимер | Сшитый полимер |
Внешний вид | Непрозрачные | Непрозрачные | Непрозрачные |
Размер гранул*, мм | От 0,4 до 0,7 | От 0,4 до 1,0 | От 0,4 до 0,5 |
Насыпной вес*, г/дм3 | 662 | 514 | 669 |
Плотность, г/см3 | 1,19 | – | 1,20 |
Набухаемость при переводе в Н+форму*, % | 75 | 40 | 3 |
Примечание – * – показатель определен опытным путем |
После окончания процесса сорбции твердую и жидкую фазу разделяли. Массовую концентрацию урана в растворах определяли фотоколориметрическим методом с арсеназо III при длине волны 490 нм.
По результатам анализа рассчитывали величину коэффициента распределения урана Кd (см3/г) и статическую обменную емкость СОЕ (мг/г) по формулам:
, (1)
, (2)
где С0, Сt – концентрация урана исходная и в момент времени t, мг/дм3; V – объем раствора, см3; m – масса сорбента, г.
При определении кинетических параметров сорбционного процесса были проведены опыты, в которых жидкую фазу отбирали и анализировали через разные промежутки времени.
Массовую концентрацию урана в исходном растворе выбирали таким образом, чтобы в процессе сорбции обеспечивать полное насыщение сорбента ураном.
По полученным данным рассчитывали степень обмена урана по формуле:
, (3)
где С∞ –массовая концентрация урана в равновесном растворе, мг/дм3.
Затем построили зависимость степени обмена урана от времени контакта фаз и определили период полуобмена (τ1/2) для катионитов.
Предполагая, что для эффективной сорбции в динамическом режиме достаточно обеспечить продолжительность контакта сорбента с раствором равную 10×τ1/2, возможную максимальную скорость пропускания раствора через сорбционную колонну в динамическом режиме Q (к. о./ч) рассчитывали по формуле:
, (4)
где V – объем жидкой фазы, см3; m – масса воздушно-сухого сорбента, мг; ρнасып – экспериментально определенный насыпной вес сухого ионита, мг/мл; τ1/2 – период полуобмена, ч.
Опыты по десорбции урана проводили при перемешивании раствора и навески сорбента с известной исходной массой урана в течение 3 часов при комнатной температуре. Затем твердую и жидкую фазу разделяли. В десорбате определяли массовую концентрацию урана.
Степень десорбции φ (%) рассчитывали по формуле:
, (5)
где mt – масса десорбированного урана в момент времени t, мг; m0 – исходная масса урана на сорбенте, мг.
В ходе статических экспериментов были определены коэффициенты распределения урана, статическая и полная обменная емкость по урану, изучены кинетические закономерности сорбции урана и влияние примесей на сорбцию урана.
Установлено, что коэффициенты распределения урана для Purolite S 957, Purolite D 5041 уменьшаются с увеличением концентрации азотной кислоты в растворе. Катионит Lewatit TP 260 проявляет хорошие сорбционные свойства по отношению к урану во всей исследованной области концентраций азотной кислоты (от рН = 5,5 до молярной концентрации азотной кислоты в растворе 7,0 моль/дм3). Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Зависимость коэффициентов распределения урана на катионитах от молярной концентрации азотной кислоты в растворе
Молярная концентрация азотной кислоты в растворе, моль/дм3 | Катионит | Катионит | Катионит |
Кd ·10-3, см3/г | Кd ·10-3, см3/г | Кd ·10-3, см3/г | |
1,0·10-5,5 (рН = 5,5) | 15,7 | 36,9 | 6,3 |
1,0·10-4 (рН = 4,0) | 12,6 | 36,2 | 6,3 |
1,0·10-3 (рН = 3,0) | 14,8 | 27,8 | 2,9 |
1,0·10-1,5 (рН = 1,5) | 8,4 | 14,9 | 5,6 |
0,5 | 3,7 | 1,1 | 1,2 |
1,5 | 0,6 | 0,7 | 3,9 |
3,0 | 0,3 | 0,5 | 15,4 |
4,0 | 0,25 | 0,4 | 24,1 |
5,0 | 0,23 | 0,3 | 25,7 |
7,0 | 0,22 | 0,3 | 26,8 |
Примечание – Массовая концентрация урана в исходном растворе – 1,0 г/дм3 |
На сорбцию урана на катионитах Purolite S 957 и Purolite D 5041 негативное влияние оказывают примеси – щавелевая кислота (от 0,2 г/дм3), ДТПА (от 25 г/дм3), ионы кальция и натрия (от 2,0 г/дм3)и железа (Fe3+) (от 1,0 г/дм3), аммония (от 2,0 г/дм3) и хрома (от 0,05 г/дм3). Наиболее негативное влияние оказывают ионы Fe3+. Присутствие ионов кальция, Fe3+ и хрома в растворе также снижает коэффициент распределения урана на катионите Lewatit TP 260.
Полная обменная емкость катионитов Purolite S 957, Purolite D 5041 и Lewatit TP 260 по урану составила 293, 345 и 235 мг/г сорбента, соответственно.
Кинетические кривые сорбции урана на катионитах представлены на рисунке. Определенный по приведенным кривым период полуобмена для катионитов Purolite S 957, Purolite D 5041 и Lewatit TP 260 составил – 2,03; 0,73 и 0,8 ч соответственно. Максимальная расчетная скорость фильтрации раствора через сорбционную колонну – 1,63; 3,52 и 4,2 к. о./ч соответственно.
В статических условиях показана возможность проведения десорбции урана с насыщенных ураном образцов сорбентов растворами карбоната аммония и карбоната натрия с долей 5 %.
1 – Purolite S 957; 2 – Purolite D 5041; 3 – Lewatit TP 260
Рисунок – Зависимость степени обмена урана от времени контакта сорбентов Purolite S 957, Purolite D 5041 и Lewatit TP 260 с раствором
Изучены процессы сорбции и десорбции урана в динамических условиях. Установлено, что при извлечении урана катионитами Purolite S 957, Purolite D 5041 и Lewatit TP 260 из растворов без примесей с молярной концентрацией азотной кислоты 0,5 моль/дм3 и массовой концентрацией урана 1,0 г/дм3 нагрузка урана на сорбент, при которой массовая концентрация урана в фильтрате менее 1,0 мг/дм3, составила 70, 163 и 121 г/дм3, соответственно. При извлечении урана из растворов с рН = 5,5 на катионитах нагрузка составила 75, 53 и 128 г/дм3, соответственно. При проведении второго цикла емкость сорбентов не уменьшилась. В динамических условиях показано, что присутствие в растворе ионов Ca2+, Fe3+ и Cr3+ ухудшает сорбцию урана на катионитах Purolite D 5041 и Lewatit TP 260.
Установлено, что для полной десорбции урана с катионитов Purolite S 957 и Purolite D 5041 необходимо пропустить не менее 20 к. о. раствора карбоната аммония с массовой долей 5 %. Для полной десорбции урана с катионита Lewatit TP 260 необходимо пропустить 6 к. о. раствора карбоната аммония с массовой долей 5 %.
Таким образом, в результате проведенных экспериментов показана принципиальная возможность применения исследованных катионитов для извлечения урана из азотнокислых растворов. Можно сделать вывод о том, что наилучшими свойствами по сорбции и десорбции урана обладает катионит Lewatit TP 260.
