Актуальность темы
.
Редкоземельное сырье Российской Федерации (лопарит, монацит, ортит) содержит уран, торий и продукты их радиоактивного распада. Подлежащие переработке концентраты РЗМ требуют дезактивации на стадии производства редкоземельной продукции. Выделенные из указанного сырья концентраты урана и тория являются дополнительными источниками для получения ядерных сырьевых материалов. Для очистки концентратов РЗМ от то-рия (1У) и уранила (У1) наиболее часто используется метод жидкостной экстракции. Три-н.-бутилфосфат (ТБФ) и растворы ТБФ в углеводородных раз-бавителях (УР) широко используются в технологической практике. Ввиду ограничений по взаимной растворимости координационных сольватов нитратов тория (1У) и РЗМ (Ш) в УР в ряде систем возможно расслоение органической фазы на две (образование «третьей фазы»). С целью предотвращения эффекта образования «третьей фазы» возможно заменить часть углеводородного растворителя на алифатические спирты или ароматические соединения, использовать системы на основе три-н.-бутилфосфата и указанных растворителей или композиционные материалы на основе полимерных носителей и экстра-гентов различных классов. Вместе с тем, сведения о распределении нитратов уранила (У1), тория (1У), а также сведения о совместной экстракции нитратов уранила (У1), тория (1У) и РЗМ (Ш) в системах на основе ТБФ, н.-октанола и КМ практически отсутствуют, хотя эти данные представляют собой теоретический и практический интерес в химии и технологии актиноидов и лантаноидов.
Для дальнейшего развития химии и термодинамики неводных многокомпонентных растворов, а также для выбора природы разбавителя и концентрации компонентов в экстракционных системах с высокой концентрацией растворенных веществ представляет интерес изучение расслоение в тройных жидких системах (ТЖС), содержащих координационные сольваты актиноидов и лантаноидов при различных температурах.
Для практического использования композиционных материалов необходимы сведения, как о распределении соединений металлов в равновесных условиях, так и данные о кинетических особенностях процессов экстракции и реэкстракции при различных температурах. Эти сведения полностью отсутствуют в литературе. Применение композиционных материалов таюке включает и вопросы, связанные с исследованием динамики процессов экстракции и реэкстракции.
Актуальной задачей является систематическое исследование вышеуказанных экстракционных систем, построение физико-химических и математических моделей, адекватно описывающих межфазное распределение нитратов металлов.
Цель и задачи исследования
.
Цель работы состоит в исследовании экстракция нитратов тория (ГУ), уранила (У1) и редкоземельных металлов (Ш) в системах, содержащих углеводородные растворители, три-н.-бутилфосфат и полимерные композиционные материалы с экстрагентами различных классов и выдача рекомендаций по использованию экстракционных систем технологии очистки концентратов РЗМ от примесей урана и тория.
Задачи исследования состоят: — в изучении диаграмм состояния ТЖС содержащих координационные соль-ваты актиноидов и лантаноидов при различных температурах, в области двухфазных систем с расслоениемопределении бинодальных кривых и нод;
— в изучении экстракция нитратов уранила (У1), тория (1У) и редкоземельных металлов (Ш) растворами три-н.-бутилфосфата в растворителях РЭД-1, Эк-сайд-100 в присутствии н.-октанола и из растворов сложного солевого состава растворами три-н.-бутилфосфата в н.-октаноле;
— в изучении экстракции нитратов уранила (У1), тория (1У) и редкоземельных металлов (Ш) полимерными композиционными материалами с экстрагентами различных классов в равновесных условиях при взаимном влиянии элементов;
— в изучении кинетики и динамики процессов экстракции и реэкстракции нитратов уранила (УТ), тория (1У) и редкоземельных металлов (Ш) композиционными материалами;
— в выдаче практических рекомендаций по использованию три-н—бутилфосфата в системах с разбавителями и композиционных материалов применительно к технологии очистки концентратов РЗМ от примесей урана и тория.
Научная новизна работы.
1. Приведены диаграммы состояния ТЖС «пентадекан (декан, изооктан) — н.-октанол (о-ксилол) — сольват нитрата тория (1У) с ТБФ ([Th (N03)4(TE0)2])» в области расслоения на две жидкие фазы, определены бинодальные кривые и ноды при различных температурах.
2. Диаграммы состояния ТЖС состоят из области гомогенных растворов и области расслоения на две жидкие фазы (I, II) -1 фаза обогащена УР, а II фаза.
— [ТЬ (КОз)4(ТБФ)2]. В условиях расслоения органической фазы на две н.-октанол и о-ксилол преимущественно распределяются в фазу II, а УР в фазу I. Увеличение длины алкильной цепи углеводородного растворителя приводит к расширению области гетерогенных растворов в ТЖС. Использование алифатических спиртов в качестве модификаторов органической фазы более эффективно, чем замена углеводородных растворителей, на растворители, содержащих ароматические соединения.
3. Приведены диаграммы состояния ТЖС <<[ТЬ (Ж)3)4(ТБФ)2] -[Ьп (Ж)3)3(ТБФ)3] - изооктан", <<[Th (N03)4(TBO)2] - [U02(N03)2(TB0)2] - изо-октан (тетрадекан, растворитель Эксайд-100)", «растворитель РЭД-1 -[Ln (N03)3(TB0)3] - растворитель Эксайд-100» и «[Ln (N03)3(TBO)3], -[U02(N03)2(TBO)2] - тетрадекан» при различных температурах. Диаграммы состояния ТЖС состоят из области гомогенных растворов и области расслоения на две жидкие фазы. Рассмотрена роль [U02(N03)2(TB.
4. Определены изотермы экстракции, пределы насыщения фазы, состав образующихся соединений в фазе КМ, вычислены значения констант экстракции. Установлено, что КМ на основе (i-C4H9)3PS не поглощает нитраты РЗМ (Ш), а поглощает нитраты уранила (У1) и тория (1У). Для КМ на основе R4NN03 установлена инверсия фактора разделения La/Th при изменении состава и соотношения компонентов водной фазы. Рассмотрена зависимость фактора разделения P (U/Th) в зависимости от суммарной равновесной концентрации нитратов уранила (У1) и тория (1У) в водной фазе для КМ на основе (i-C4H9)3PS и (С4Н9)3РО.
5. Установлено, что скорость определяющей стадией процесса экстракции КМ является диффузия через границу раздела фаз. Определены значения коэффициентов массопередачи, оценены значения эффективных энергий активации. Значения коэффициентов массопередачи при экстракции увеличиваются при переходе от растворов нитратов металлов к водно-солевым растворам и с ростом температуры. Значения эффективных энергий активации практически не зависят от концентрации нитрата натрия и природы нитратов металлов, но возрастают в ряду экстрагентов: R3NHNO3, (i-C^Hc^PS, (С4Н9)3РО, R4NNO3. Значения коэффициентов массопередачи для процесса реэкстракции выше, чем для процесса экстракции.
Практическая значимость и рекомендации по использованию результатов диссертационной работы.
1. Полученные в работе диаграммы трехкомпонентных систем с расслоением органических фаз позволяют предсказать области практического использования двухи трехфазных систем в технологической практике. Для практического использования экстракционных систем на основе ТБФ и УР без образования «третьей фазы» для обеспечения гарантированного гомогенного состояния ТЖС независимо от природы углеводородного растворителя (при использовании промышленных разбавителей, содержащих углеводороды различной длины цепи и строения) и температуры (до Т=283.15 К) необходимо заменить углеводородные растворители на н.-октанол и на о-ксилол в пределах до 30% об. или использовать смеси на основе ТБФ и н.-октанола.
2. Для практического использования экстракционных систем на основе смесей ТБФ — РЭД-1 — Эксайд-100 в условиях полного насыщения органической фазы нитратами редкоземельных металлов (Ш) необходимо частично заменить углеводородные растворители на углеводородные разбавители, содержащие до 20% ароматических соединений в пределах 0.6 мае. д. для полной гомогенизации систем при низких температурах.
3. Установлено, что КМ на основе (i-C4H9)3PS не поглощает нитраты РЗМ (Ш), а поглощает нитраты уранила (У1) и тория (ГУ). Для остальных КМ характерно преимущественное поглощение нитратов уранила (У1) и тория (1У) по сравнению с нитратами РЗМ (Ш). КМ могут быть использованы для извлечения уранила и тория из концентрированных растворов нитратов РЗМ в динамических условиях.
4. Определены оптимальные условия разделения уранила, тория и РЗМ в растворах сложного состава. С использованием математического моделирования приведена принципиальная технологическая схема очистки растворов РЗМ от естественных радиоактивных и нередкоземельных примесей с использованием 100 и 30% ТБФ в н.-октаноле.
5. Приведенные в работе физико-химические и математические модели, параметры фазовых экстракционных равновесий и кинетические параметры представляют собой справочный материал и позволяют оптимальные условия разделения уранила, тория и РЗМ в растворах сложного состава.
НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ СЛЕДУЮЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
— результаты изучения распределения нитратов тория (ГУ), уранила (У1) и РЗМ (Ш) в системах с ТБФ в растворителях РЭД-1 и Эксайд-100 при образовании двухи трехфазных систем;
— диаграммы состояния ТЖС «пентадекан (декан, изооктан) — н.-октанол (о-ксилол) — сольват нитрата тория (ГУ) с ТБФ ([Th (N03)4(TBO)2])», «[Th (N03)4(Tb0)2] - [Ьп (Ж)з)з (ТБФ)з] - изооктан», «[ТЬ (Ж>з)4(ТБФ)2] -[и02(Ж)3)2(ТБФ)2] - изооктан (тетрадекан, растворитель Эксайд-100)», «растворитель РЭД-1 — [Ьп (Ж)3)3(ТБФ)3] - растворитель Эксайд-100» и «[Ln (N03)3(ТБФ)3] - [и02(Ж)3)2(ТБФ)2] - тетрадекан» в области расслоения на две жидкие фазы с определением бинодальных кривых и нод при различных температурах;
— результаты изучения распределения нитратов тория (1У), уранила (УГ), РЗМ (Ш) и азотной кислоты растворами ТБФ в растворителях РЭД-1, Эксайд-100 в присутствии н.-октанола, а также ТБФ в н.-октаноле;
— результаты изучения распределения, кинетики и динамики экстракции и реэкстракции нитратов РЗМ (Ш), уранила (У1), тория (1У) между водно-солевыми растворами и композиционными материалами (КМ) на основе полимерных носителей и экстрагентов различных классов;
— физико-химические и математические модели, адекватно описывающие распределение индивидуальных РЗМ (Ш) в многокомпонентных двухи трехфазных экстракционных системах;
— практические рекомендации по использованию экстракционных систем на основе ТБФ, углеводородных растворителей и н.-октанола и принципиальная технологическая схема очистки растворов РЗМ от естественных радиоактивных и нередкоземельных примесей с использованием 100 и 30% ТБФ в н.-октаноле и практические рекомендации по использованию КМ для извлечения уранила и тория из концентрированных растворов нитратов РЗМ в динамических условиях.
Апробация работы f.
Материалы работы обсуждались на XII Российская конференция по экстракции 19−24 сентября 2004 г., Москва — Клязьма, II Международном симпозиуме «Разделение и концентрирование в аналитической химии радиохимии», Краснодар, 25−30 сентября 2005 г., X Международной конференции «Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии». 24−28 апреля 2006 г., Москва — Клязьма, и Международной конференции по химической технологии, 17−23 июня 2007 г., г. Москва.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, основных результатов и их обсуждения, основных итогов и выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста и содержит 118 рисунков и 9 таблиц. В приложении — 20 рисунков и 20 таблиц. Список цитируемой лите.
4. ВЫВОДЫ.
1. Установлено, что экстракция нитрата тория (1У) ТБФ в РЭД-1 и Эксайд-100 и нитратов РЗМ (Ш) в РЭД-1 характеризуется образованием «третьей фазы» — одна из органических фаз обогащена нитратом тория (1У) (РЗМ (Ш)), а другая — углеводородным растворителем. Расслоение органической фазы наблюдается при более низких концентрациях нитрата тория (ГУ) в системе с разбавителем РЭД-1, чем в системе с разбавителем Эксайд-100. Предложена замена углеводородных растворителей на н.-октанол.
2. Приведены диаграммы состояния тройных жидких систем (ТЖС) «пентадекан (декан, изооктан) — н.-октанол (о-ксилол) — сольват нитрата то-рия (ГУ) с ТБФ ([ТЬ (ЫОз)4(ТБФ)2])» в области расслоения на две жидкие фазы с определением бинодальных кривых и нод при различных температурах. Диаграммы состояния ТЖС состоят из области гомогенных растворов и области расслоения на две жидкие фазы (I, II) — I фаза обогащена углеводородным растворителем (УР), а II фаза обогащена [ТЬ (М03)4(ТБФ)2]. В условиях расслоения органической фазы на две н.-октанол (о-ксилол) преимущественно распределяются в фазу II, а УР в фазу I. Область расслоения ТЖС уменьшается с ростом температуры, зависит от длины углеводородной цепи СпН2п+2 и уменьшается в ряду: пентадекан, декан, изооктан.
3. Приведены диаграммы состояния ТЖС «[ТЬ (>ТОз)4(ТБФ)2] — [Ьп (Шз)з (ТБФ)з] - изооктан», «[ТЬ (Шз)4(ТБФ)2] - [Ш2(Ж)з)2(ТБФ)2] - изооктан (тетрадекан, растворитель Эксайд-100)», «растворитель РЭД-1-[Ьп (Шз)з (ТБФ)з] - растворитель Эксайд-100» и «[Ьп (Ы03)3(ТБФ)3] -[1Ю2(>Юз)2(ТБФ)2] - тетрадекан» при различных температурах. Диаграммы состояния ТЖС состоят из области гомогенных растворов и области расслоения на две жидкие фазы. Рассмотрена роль [1Ю2(Ж)з)2(ТБФ)2] и [Ьп (1Ч03)з (ТБФ)з] как гомогенизаторов органической фазы.
4. Определены оптимальные условия разделения уранила, тория и РЗМ в растворах сложного состава при использовании растворов ТБФ в растворителях РЭД-1, Эксайд-100 в присутствии н.-октанола, а также ТБФ в н.октаноле. Приведена принципиальная технологическая схема очистки растворов РЗМ от естественных радиоактивных и нередкоземельных примесей с использованием 100 и 30% ТБФ в н.-октаноле и проведено математическое моделирование процесса.
5. Определены изотермы экстракции нитратов РЗМ (Ш), уранила (У1) и тория (1У) для композиционных материалов (КМ) на основе полимерных носителей и экстрагентов различных классов, пределы насыщения фазы КМ, состав образующихся соединений в фазе КМ и вычислены значения констант экстракции. Установлено, что КМ на основе (i-C4H9)3PS не поглощает нитраты РЗМ (Ш), а поглощает нитраты уранила (У1) и тория (1У). Для остальных КМ характерно преимущественное поглощение нитратов уранила (У1) и то-рия (ГУ) по сравнению с нитратами РЗМ (Ш). Для КМ на основе R4NNO3 установлена инверсия фактора разделения P (La/Th) при изменении состава и соотношения компонентов водной фазы. Рассмотрена зависимость P (U/Th) в зависимости от суммарной равновесной концентрации нитратов уранила (У1) и тория (1У) в водной фазе для КМ на основе (i-C^^PS и (СфН^зРО.
6. Установлено, что скоростьопределяющей стадией процесса экстракции нитратов металлов из водно-солевых растворов КМ при Т=293.15−333.15 К является диффузия через границу раздела фаз (пленочная кинетика). Определены значения коэффициентов массопередачи, а по их температурной зависимости оценены значения эффективных энергий активации. Значения коэффициентов массопередачи при экстракции увеличиваются при переходе от растворов нитратов металлов к водно-солевым растворам и с ростом температуры. Значения эффективных энергий активации практически не зависят от концентрации нитрата натрия и природы нитратов металлов, но возрастают в ряду экстрагентов: R3NHNO3, (i-C4H9)3PS, (С4Н9)3РО, R4NNO3. Значения коэффициентов массопередачи для процесса реэкстракции выше, чем для процесса экстракции.
7. Определены значения динамических обменных (ДОЕ) и полных динамических обменных емкостей (ПДОЕ) КМ по нитратам металлов. Установлено, что ПДОЕ определяются содержанием экстрагента и стехиометрией образующихся соединений в фазе КМ. Значения ДОЕ составляют 4(Н60% от ПДОЕ. КМ могут быть использованы для извлечения уранила и тория из концентрированных растворов нитратов РЗМ (Ш). Рассмотрен процесс реэкстракции нитратов металлов с КМ в динамических условиях.
