Способ сверхкритической флюидной экстракции комплексов урана


 


Владельцы патента RU 2606973:

НАЦИОНАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "ХАРЬКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ" (ННЦ ХФТИ) (UA)

Изобретение относится к способу сверхкритической флюидной экстракции комплексов урана. Способ включает создание сверхкритического растворителя в реакторе и растворение комплексов урана с лигандами в присутствии воды, экстракцию растворенных комплексов урана с лигандами из реактора. При этом в среде сверхкритического растворителя при сохранении его сверхкритичного состояния создают градиент температуры в интервале 0,10-0,23°С/см вдоль его вертикального столба при более высокой температуре нижнего уровня столба по сравнению с его верхним уровнем, экстракцию комплексов металла с лигандами из реактора осуществляют из слоя, находящегося на высоте от 1/3 до 2/5 высоты столба сверхкритического растворителя от его нижнего уровня. Изобретение позволяет изменить изотопный состав металла при его извлечении из реактора. 2 з.п. ф-лы, 1 пр.

 

Изобретение относится к сверхкритической флюидной экстракции металлов из твердой фазы с помощью растворов экстрагентов при повышенном давлении.

Использование сверхкритических флюидов (СКФ) в процессах экстракции основано на высокой растворяющей способности различных веществ в сверхкритическом состоянии, которая может быть сравнимой с растворяющей способностью жидких органических растворителей. Используется также существенная особенность, связанная с тем, что растворяющая способность флюида в околокритической области претерпевает значительные изменения при малых изменениях температуры и давления. Это, в свою очередь, позволяет проводить углубленное фракционирование исходного сырья и регенерацию растворителя без дополнительных энергетических затрат путем дросселирования флюида до давления, при котором растворимость пренебрежимо мала.

Важнейшими преимуществом СКФ технологий является возможность предсказуемого масштабирования технологических процессов от лабораторного уровня до уровня промышленного производства с сохранением основных характеристик технологического процесса.

Сверхкритическую флюидную экстракцию осуществляют, как правило, по схеме двухстадийного непрерывного процесса в аппаратах высокого давления, например в тарельчатых колоннах. На первой стадии сверхкритический газ контактирует с жидкой или твердой смесью, извлекая растворимые компоненты. На второй стадии экстрагент регенерируют путем сброса давления или изменения температуры, что приводит к полному осаждению извлеченных веществ, которые экстрагируют. Затем рабочие параметры газа изменяют до требуемых значений и снова направляют его на первую стадию, организуя циркуляцию экстрагента.

Известны способы сверхкритической экстракции различных металлов (Wai, С.М.; Smart N.G.; Phelps, С. US Patent 5606724 А. Опубл 25 Feb 1997; Beckman, Е.J.; Russel A. J. US Patent 5641887 А. Опубл. 24 июня 1997 г.; Wai, C.M. Patent PCT International; WO 9533541 A1. Опубл. 14 декабря 1995 г.). Эти способы позволяют проводить экстракцию различных металлов, таких как уран, редкоземельные элементы. По предлагаемым способам матрица, содержащая металлы (песок, бумага, поверхность нержавеющей стали и т.п.), обрабатывается комплексоном, растворенным в сверхкритическом углекислом газе. В качестве комплексонов использовались различные органические соединения, наилучшие результаты наблюдались для фторированных β-дикетонов.

Известен также способ (Мурзин А.А., Старченко В.А., Шадрин А.Ю. и др. Доклад "Decontamination of Real World Contaminated Stainless Steel Using Supercritical CO2 "Spectrum'98, Denver, Colorado, USA, September 13-18, 1998, Proceedings, American Nuclear Society Inc, USA, 1998, p. 94-98). По этому способу матрица, содержащая цезий (песок, бумага, поверхность нержавеющей стали и т.п.), обрабатывается смесью краун-эфира и ди-2-этилгексилфосфорной кислоты, растворенными в сверхкритическом углекислом газе. Способ позволяет экстрагировать цезий и трансурановые элементы с различных матриц.

Известен способ сверхкритической флюидной экстракции металлов, включающий выдержку матрицы, содержащей металл, в камере высокого давления в среде сверхкритического растворителя в присутствии воды, полифторкарбоновых кислот и полиэтиленгликолей (Бабаин В.А., Киселева Р.Н., Мурзин А.А. и др. Патент РФ 2168779 "Способ сверхкритической флюидной экстракции металлов". БИ №16. 10.06.2001. МПК G21F 9/28).

В качестве ближайшего аналога можно рассмотреть, например, способ сверхкритической флюидной экстракции металлов, по которому создают сверхкритический растворитель в реакторе и растворяют комплексы металла с лигандами в присутствии воды. После выдержки осуществляют экстракцию растворенных комплексов металла с лигандами из реактора (Б.Ф. Мясоедов, Ю.М. Куляко, А.Ю. Шадрин, М.Д. Самсонов. Сверхкритическая флюидная экстракция нуклидов // «Сверхкритические Флюиды: Теория и Практика». Том 2. №3. 2007).

Общим недостатком всех приведенных выше способов является невозможность изменения изотопного состава урана при его извлечении из реактора.

Задачей, на решение которой направлено патентуемое изобретение, является усовершенствование способа сверхкритической флюидной экстракции комплексов урана для реализации возможности изменения изотопного состава урана при его извлечении из реактора. Задача должна решаться выбором режимных параметров растворения комплексов урана в сверхкритическом растворителе и особенностью его извлечения из реактора.

Поставленная задача решается патентуемым способом сверхкритической флюидной экстракции урана, в соответствии с которым, так же как и в ближайшем аналоге, создают сверхкритический растворитель в реакторе и растворяют комплексы урана с лигандами в присутствии воды. Затем осуществляют их экстракцию из реактора.

В отличие от ближайшего аналога в среде сверхкритического растворителя при сохранении его сверхкритического состояния создают градиент температуры в интервале 0,10-0,23°С/см вдоль его вертикального столба при более высокой температуре нижнего уровня столба по сравнению с его верхним уровнем. Экстракцию комплексов металла с лигандами из реактора осуществляют из слоя, находящегося на высоте от 1/3 до 2/5 высоты столба сверхкритического растворителя.

Патентуемый способ можно реализовать, осаждая вначале комплексы металла с лигандами на матрице, которую затем помещают в вышеупомянутый реактор.

В качестве сверхкритического растворителя может быть использован диоксид углерода при давлении более 7,38 МПа и критической температуре выше 31,06°С.

Как показали эксперименты, благодаря вышеуказанному градиенту температуры в вертикальном столбе сверхкритического растворителя, при извлечении комплексов металла из слоя, находящегося в нижней части столба, происходит изменение изотопного состава урана с увеличением доли более легкого изотопа. При градиенте температуры менее 0,10°С/см изменение изотопного состава становится незначительным для практического использования. Верхняя граница температурного градиента определяется энергетическими возможностями.

Объяснить полученный результат можно следующим образом. Процесс перераспределения изотопного состава комплексов урана обусловлен физическим механизмом индуцированного перехода квазичастиц, содержащих комплекс урана, между двумя энергетическим уровнями, один из которых соответствуют энергии квазичастиц в матрице, второй - в растворе. Наличие, по-крайней мере, двух изотопов урана в образуемых комплексах урана создает условия для формирования двух видов квазичастиц, образуемых в микрокаплях воды. Одни квазичастицы содержат только легкий изотоп, другие - только тяжелый. Вероятности переходов между энергетическими уровнями зависит от температуры среды. Более легкие квазичастицы (содержащие легкий изотоп) характеризуются большей частотой индуцированных переходов между уровнями при более высокой температуре, чем тяжелые квазичастицы (содержащие тяжелый изотоп). Отметим, что плотность сверхкритического растворителя с увеличением температуры уменьшается и в результате этого создаются условия для конвективного массопереноса по высоте ректора, что способствует увеличению интенсивности перераспределения квазичастиц. Поэтому при более высокой температуре в нижней части вертикального столба сверкритического растворителя происходит преимущественное сосредочение более легкого изотопа урана в нижней части реактора.

Пример реализации патентуемого способа рассмотрим на сверхкритической флюидной экстракции комплексов урана, проведенной на лабораторной установке. В качестве сверхкритического растворителя использовался углекислый газ по ГОСТ 8050-85 с объемным содержанием CO2 99,8%. Для придания исходным образцам свойства растворимости в сверхкритическом углекислом газе проводилась пробоподготовка. Исходный образец гранита дробился и размалывался в порошок с размером зерна менее 50 мкм. Отобранное количество порошка заливалось 40% раствором азотной кислоты и выдерживалось в течение суток. Полученный отфильтрованный раствор смешивался с 30% раствором трибутилфосфата в керосине и взбалтывался. После расслоения органическая фаза фильтровалась через бумажный фильтр. Таким образом, получалась матрица с комплексами урана с лигандами. Далее эта матрица помещалась в реактор. Верхний фланец реактора нагревался до 35°С, нижний фланец - до 40°С с тем, чтобы в столбе сверхкритического растворителя поддерживался градиент температуры 0,10-0,23°С/см. Затем в реактор нагнетался диоксид углерода до давления 16,0 МПа и добавлялась вода. После чего осуществлялась выдержка в течение 30 минут для образования соответствующего растворенного состояния комплексов урана с лигандами и распределения их по высоте столба в реакторе. Экстракция осуществлялась из слоев, находящихся на высоте от 1/3 до 2/5 высоты столба сверхкритического растворителя от его нижнего уровня. В результате в экстрагированных комплексах урана наблюдалось изменение изотопного состава по сравнению с природным составом. В результате в экстрагированных комплексах урана наблюдалось изменение изотопного состава с увеличением содержания изотопа 235U на 20% по сравнению с природным составом.

Этот результат получен при анализе экстрагированных образцов на содержание изотопов урана по спектрам, зарегистрированным детектором гамма-излучения с последующей их обработкой программой FRAM, разработанной в Лос-Аламосской национальной лаборатории. Использовался коаксиальный германиевый детектор GC 1818 с относительной эффективностью регистрации εотн=18%, энергетическим разрешением ΔЕ=180 кэВ при энергии гамма-квантов Еγ=1,33 МэВ.

Следует отметить, что описанный способ может быть использован для изменения изотопного состава различных нитратообразующих металлов при растворении и извлечении их комплексов из реактора. В качестве сверхкритического растворителя могут быть использованы фреоны и другие растворители.

1. Способ сверхкритической флюидной экстракции комплексов урана, включающий:

- создание сверхкритического растворителя в реакторе и растворение комплексов урана с лигандами в присутствии воды,

- экстракцию растворенных комплексов урана с лигандами из реактора,

отличающийся тем, что

- в среде сверхкритического растворителя при сохранении его сверхкритичного состояния создают градиент температуры в интервале 0,10-0,23°С/см вдоль его вертикального столба при более высокой температуре нижнего уровня столба по сравнению с его верхним уровнем,

- экстракцию комплексов металла с лигандами из реактора осуществляют из слоя, находящегося на высоте от 1/3 до 2/5 высоты столба сверхкритического растворителя от его нижнего уровня.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вначале комплексы металла с лигандами осаждают на матрице, которую затем помещают в вышеупомянутый реактор.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве сверхкритического растворителя используют диоксид углерода при давлении более 7,38 МПа и критической температуре выше 31,06°С.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к изготовлению тепловыделяющих элементов ядерных реакторов с урановым и МОКС-топливом. Дезактивация осуществляется методом протягивания твэла через картридж, содержащий чистящий материал, не оставляющий следов на поверхности твэла.

Группа изобретений относится к ядерной физике, к технологии обработки твердых радиоактивных отходов. Способ очистки облученных графитовых втулок уран-графитового реактора включает их нагрев, обработку газом, перевод примесей в газовую фазу, охлаждение углеродного материала.

Изобретение относится к технологии утилизации и может быть использовано при утилизации крупногабаритных плавучих объектов с ядерной энергетической установкой. После вывода из эксплуатации и принятия решения об утилизации производят выгрузку отработавшего ядерного топлива из реакторов, демонтируют надстройку, выгружают часть оборудования, формируют реакторных блок, разгружают объект до состояния, при котором плоскость ватерлинии объекта оказывается ниже сформированного реакторного блока, выполняют технологический вырез в борту объекта, монтируют выкатное устройство, удаляют реакторный блок с помощью выкатного устройства.

Изобретение относится к способам химической дезактивации металлов с радиоактивным загрязнением. Способ дезактивации поверхностно загрязненных изделий из металлических сплавов или их фрагментов заключается в нанесении на дезактивируемую поверхность порошкового реагента, в котором по меньшей мере 80% частиц имеют размер менее 1 мкм, содержащего калий, натрий и серу, последующем нагреве поверхности, ее охлаждении и очистке от образовавшейся окалины.

Группа изобретений относится к способу и устройству для уменьшения содержания радиоактивного материала в объекте, содержащем радиоактивный материал, до безопасного для среды обитания уровня.

Изобретение относится к способу химической стабилизации соединения карбида урана и устройству для осуществления способа. Способ включает следующие этапы: этап повышения температуры внутри указанной камеры до температуры окисления указанного соединения на основе карбида урана в интервале приблизительно от 380°C до 550°C, причем в указанную камеру поступает инертный газ; этап изотермической окислительной обработки при указанной температуре окисления, причем указанная камера находится под парциальным давлением O2; этап контроля завершения стабилизации указанного соединения, который содержит отслеживание количества поглощенного молекулярного кислорода и/или диоксида углерода или выделенных диоксида или моноксида углерода до достижения входного заданного значения указанного количества молекулярного кислорода, минимального порогового значения указанного количества диоксида углерода или минимальных пороговых значений диоксида углерода и моноксида углерода.

Изобретение относится к атомной промышленности. Cпособ обращения с реакторным графитом остановленного уран-графитового реактора включает выборку из кладки реактора.

Изобретение относится к технологии урана, применительно к эксплуатации производств по разделению изотопов урана, и может быть использовано для очистки различных металлических поверхностей, работающих в среде гексафторида урана, от нелетучих отложений урана.

Изобретение относится к способу обработки твердых радиоактивных отходов, образованных при переработке ядерного топлива водо-водяных реакторов и реакторов РБМК. Способ заключается в хлорировании отходов молекулярным хлором при температуре 400-500°С и разделении полученных продуктов, при этом огарок и отфильтрованные пылевидные продукты направляют в пурекс-процесс, газовую смесь с целью очистки от ниобия и других легирующих элементов обрабатывают водородом при температуре 450-550°С и пропускают через керамический фильтр, нагретый до 500-550°С, очищенный тетрахлорид циркония кристаллизуют в конденсаторе при температуре не выше 150°С.

Изобретение относится к средствам детритирования. Заявленное устройство содержит печь (1) для плавления тритированных отходов, при этом указанная печь содержит топку для приема тритированных отходов и барботажное устройство для ввода гидрогенизированного барботирующего газа в топку во время плавления и обработки тритированных отходов в печи.

Изобретение относится к способу и устройству для приведения в контакт двух несмешивающихся жидкостей. Способ приведения в контакт без смешивания первого вещества, состоящего из металла или сплава металлов, в жидком состоянии, и второго вещества, состоящего из соли или смеси солей, в жидком состоянии, в котором: помещают первое вещество в твердом состоянии в первый контейнер, приводят в контакт первый контейнер со вторым веществом в твердом состоянии, находящимся во втором контейнере, подвергают первый и второй контейнеры воздействию электромагнитного поля, первое вещество в жидком состоянии приходит в движение, второе вещество в твердом состоянии начинает плавиться под действием потока тепла от первого контейнера, второе вещество в жидком состоянии приходит в движение, первое вещество в жидком состоянии остается в контакте со вторым веществом в жидком состоянии в течение периода времени, извлекают первый контейнер из второго вещества в жидком состоянии, охлаждают первый контейнер до тех пор, пока первое вещество не вернется в твердое состояние.

Настоящее изобретение относится к способу переработки отработанных смазочных материалов, который включает отгон воды и легких углеводородных фракций из исходного сырья, обработку сырья атмосферным воздухом и экстракцию алифатическим растворителем, при этом обработку атмосферным воздухом, с одновременным отгоном воды и легких углеводородных фракций, проводят при температуре 100-300°С и атмосферном давлении, а дальнейшую экстракцию масляных фракций алифатическим растворителем осуществляют при температуре 90-95°С, давлении 65-75 кг/см2 и массовом отношении растворителя и масла (4-5):1 соответственно.

Изобретение относится к способу обогащения или выделения целевого дитерпенового или фенольного соединения из сточных вод целлюлозно-бумажного комбината, при этом способ включает следующие стадии: получение конденсата из выпарного аппарата, или ретентата процесса обратного осмоса (RO) конденсатов целлюлозно-бумажного комбината, или обоих, при этом конденсат, ретентат или оба из них по существу не содержат высокомолекулярную целлюлозу, и/или лигнин, и/или происходящие из лигнина материалы; центрифугирование конденсата или RO-ретентата для сбора нерастворимого в воде материала и тем самым обогащения или выделения указанного целевого соединения из указанных сточных вод целлюлозно-бумажного комбината; необязательно экстрагирование нерастворимого материала в конденсате органическим растворителем методом экстракции в системе твердое тело - жидкость с получением экстракта, содержащего указанные целевые соединения; и необязательно очистка целевого соединения из экстракта путем термического фракционирования, хроматографического разделения, рекристаллизации, ионного обмена, хелатирования, адсорбции/десорбции, лиофилизации и сублимации или их комбинаций.

Изобретение относится к группе новых экстрагентов для извлечения азотной кислоты из водных растворов, в том числе из сточных вод, которые могут быть использованы для жидкостной экстракции азотной кислоты и разделения соляной и азотной кислот.

Изобретение относится к способу для удаления органического соединения из водного раствора. Способ включает стадии a)-c).

Изобретение может быть использовано в гидрометаллургии редких металлов и предназначено для извлечения скандия из хлоридных растворов. Для осуществления способа в качестве экстрагента скандия используют смесь трибутилфосфата с элементным йодом, взятым в количестве 12,5-76 г/л, реэкстрагируют металл водой.
Изобретение относится к области экологической аналитической химии. Способ включает отбор проб массой 2-4 г, их сушку, измельчение и двухкратную экстракцию целевых компонентов дихлорметаном при воздействии на пробу ультразвуковых колебаний, фильтрование объединенного экстракта и упаривание досуха при давлении не выше 0,1 мм рт.ст.

Изобретение относится к области цветной металлургии и химической промышленности. Хлорид-содержащий технологический раствор контактирует с раствором хлорноватистой кислоты в трибутилфосфате.

Изобретение относится к пищевой и/или косметической промышленности. Раскрыт способ получения биологически активного продукта из сульфатного мыла, включающий растворение мыла в спирто-водной смеси, в которой в качестве спирта применяют изопропиловый спирт из расчета на каждые 50 г мыла 30 мл спирта и 70 мл воды, экстракцию ее углеводородным растворителем с количеством углеродных атомов 5-6, предпочтительно бензином, с последующим разделением смеси на экстракт нейтральных веществ и рафинат, а затем отгонкой растворителей из экстракта и рафината.

Изобретение описывает способ экстракционного извлечения гомогенного рутениевого катализатора из продукта реакции гидрирования гликолевой кислоты, сложных эфиров гликолевой кислоты и/или олигомеров гликолевой кислоты под действием экстрагента, содержащего гидрофобный растворитель и необязательный гидрофильный растворитель.

Изобретение относится к гидрометаллургии цинка и может быть использовано для очистки сульфатных цинковых электролитов от хлорид-иона, являющегося вредной примесью в цинковом производстве. Способ включает экстракцию хлорид-иона из сернокислых цинковых растворов смесью триалкилфосфиноксида фракции С6-С8 с ди(2,4,4-триметилпентил)фосфиновой кислотой. Реэкстракцию хлорида осуществляют щелочными растворами до конечного pH водной фазы 6,5-8,0. Регенерацию экстрагента проводят обработкой органической фазы растворами серной кислоты с концентрацией 0,5-1,0 моль/л. Обеспечивается упрощение стадии реэкстракции хлорид-иона щелочными растворами и предотвращение образования осадков и нерасслаивающихся эмульсий на стадии реэкстракции. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 7 табл., 6 пр.
Наверх