пиридиниевый ионит для сорбции урана из растворов и пульп

Формула изобретения

1. Пиридиниевый ионит на основе сополимера стирола и дивинилбензола для сорбции урана из растворов и пульп, отличающийся тем, что в состав исходной полимерной матрицы ионита дополнительно вводят метакриловую кислоту в количестве 3,0-6,0 мас.%.

2. Пиридиниевый ионит по п.1, отличающийся тем, что метакриловую кислоту в ионит вводят на стадии получения сополимера и/или путем обработки сополимера смесями дозированных количеств исходных мономеров с последующей полимеризацией продуктов обработки сополимера.

Описание изобретения к патенту

Заявляемый ионит относится к сорбционной гидрометаллургии урана и может быть использован для извлечения урана из растворов и пульп.

Известны пиридиниевые иониты для сорбции урана из сернокислых растворов и пульп на основе сополимеров стирола и ДВБ: АМП, АМП-п и АМП-1 (Справочник «Ионообменные материалы для процессов гидрометаллургии, очистки сточных вод и водоподготовки». Под ред. акад. Б.Н.Ласкорина. М., ВНИИХТ, 1989; Справочник по геотехнологии урана. Под ред. Д.И.Скороварова. М.: Энергоатомиздат, 1997, с.385-404; Ю.В.Нестеров. Иониты и ионообмен. Сорбционная технология при добыче урана и других металлов методом подземного выщелачивания. М., 2007, с.39-40, с.233-316). Кроме того, известны винилпиридиновые иониты для сорбции урана на основе сополимеров 2-метил-5-винилпиридина и ДВБ:ВП-1Ап, ВП-3Ап, ВП-4Ап (Б.Н.Ласкорин, Г.Н.Никульская, К.Ф.Перелыгина. Аниониты на основе винилпиридинов // Производство и переработка пластмасс и синтетических смол. М.: вып. НИИПМ. 1977, № 16, с.16-19; Справочник «Ионообменные материалы для процессов гидрометаллургии, очистки сточных вод и водоподготовки». Под редакцией акад. Б.Н.Ласкорина. М., ВНИИХТ, 1989; Химия урана. Под ред. Б.Н.Ласкорина. М.: Наука, 1981, с.58-63).

К недостаткам вышеуказанных ионитов относятся недостаточно высокая весовая (мг/г) и объемная (мг/см³) емкости по урану, необходимость использования для десорбции урана высококонцентрированных растворов кислот и солей. Это приводит к большому расходу сорбентов и реагентов при переработке сернокислых растворов и пульп и в целом - к снижению эффективности этого процесса.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату при использовании является пиридиниевый ионит на основе сополимера стирола и дивинилбензола марки АМП, который применяется для сорбции урана из растворов и пульп (Химия урана. Под ред. Б.Н.Ласкорина. М.: Наука, 1981, с.58-63).

Недостатками этого ионита являются:

- сравнительно невысокая емкость по урану;

- большая продолжительность контакта насыщенного ураном ионита с раствором элюента, например сернокислым раствором селитры, на операции десорбции урана;

- большой объем (выход) товарной фракции десорбата;

- сравнительно высокая остаточная емкость ионита по урану после его десорбции.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат достигается тем, что в состав пиридиниевого сополимера долнительно вводят метакриловую кислоту в количестве 3,0-6,0 мас.%, причем ее вводят в ионит на стадии получения сополимера и/или путем обработки сополимера смесями дозированных количеств исходных мономеров с последующей полимеризацией продуктов обработки сополимера.

Заявляемый ионит получают следующим образом.

Низкосшитый стирольный или акрилатно-стирольный сополимер, являющийся исходной (базовой) полимерной матрицей, получают суспензионной сополимеризацией в среде водного раствора картофельного крахмала мономерной смеси, состоящей из стирола, технического дивинилбензола (ДВБ), этилстирола (ЭС), инициатора полимеризации перекиси бензоила (ПБ) и порообразователя, или мономерной смеси, включающей стирол, ДВБ, ЭС, ПБ, порообразователь и метакриловую кислоту (МАК).

Полученную базовую матрицу обрабатывают смесью дозированных количеств стирола, ДВБ, ЭС, ПБ и МАК и продукт обработки подвергают вторичной полимеризации в определенных условиях. Такая обработка базовой матрицы с последующей полимеризацией продукта обработки может осуществляться одно- или двукратно.

Дальнейшие стадии получения пиридиниевого ионита заключаются в хлорметилировании сополимеров стирола, ДВБ и МАК и аминировании хлорметилированных сополимеров пиридином.

Полученный ионит после перевода в SO₄-форму используется для сорбции урана.

Пример 1. Для сорбции урана из сернокислого продуктивного раствора подземного выщелачивания (ПВ), содержащего, г/л: 0,05 урана; 1,3 железа (Fe²⁺+Fe³⁺); 0,2 кальция; 0,08 магния; 0,07 кремния; 2,1 алюминия; 3,7 серной кислоты, используют пиридиниевые иониты с различным содержанием МАК в полимерной матрице. Для сравнения сорбцию урана из того же раствора ведут пиридиниевым анионитом АМП, не содержащим в сополимере МАК (прототип). Сорбцию урана ведут в статических условиях, контактируя иониты в SO₄-форме с раствором в течение 20 ч при постоянном механическом перемешивании, соотношении объемов раствора и ионита 3000:1 и температуре 18-20°С. Затем ионит отделяют от раствора, промывают водой, сушат при температуре 80 -85°С. В сухих ионитах после их разложения методом «мокрого сжигания» определяют содержание урана. Данные по весовой (мг/г) и объемной (мг/мл) емкостям испытанных ионитов приведены в табл.1.

Весовая емкость по урану (мг/г) заявляемого ионита Россион с содержанием МАК в сополимере 3,0-6,6 мас.% превышает емкость прототипа. В то же время объемная емкость прототипа (мг/см ³), которая определяет параметры технологического процесса сорбции урана, заметно ниже объемной емкости заявляемого ионита с содержанием МАК 3,0-6,0 мас.%. Увеличение содержания МАК свыше 6,0 мас.% приводит к значительному увеличению удельного объема набухшего в перерабатываемом растворе ионита и вследствие этого к резкому снижению его объемной емкости, что неприемлемо для технологических целей.

Таблица 1
Сравнительные характеристики и емкость по урану образцов заявляемого пиридиниевого ионита при сорбции урана из продуктивных растворов ПВ
Характеристики ионита	Марка и номер образца анионита
	Россион 609	Россион 610	Россион 611	Россион 62	Россион 612	АМП прототип
Содержание МАК	2,8	4,7	5,72	3,0	6,6	0,0
в сополимере, мас.%
Удельный объем, см3/г	2,3	2,4	2,5	2,2	3,5	2,4
при набухании в
продуктивном растворе
Емкость по урану, мг/г	46,2	56,4	56,3	74,4	55,2	50,5
Емкость по урану, мг/см3	20,0	23,5	22,5	33,8	15,8	21,0

Аналогичные результаты получены при сорбции урана заявляемым ионитом из сернокислой пульпы от выщелачивания урановых руд, содержащих, г/л: 1,0 урана; 0,23 кремния; 4,0 железа (II); 3,5 железа (III); 0,2 кальция; 2,0 алюминия; 0,5 магния и имеющих рН 1,7. Сорбцию вели в статическом режиме в вышеописанных условиях.

Полученные данные приведены ниже (табл.2).

Таблица 2
Емкость по урану образцов заявляемого пиридиниевого ионита при сорбции урана из пульп
Емкость ионита по урану	Марка и номер образца анионита
	Россион 609	Россион 610	Россион 611	Россион 62	Россион 612	АМП прототип
Весовая, мг/г	166,0	206	198	255	168,7	130,0
Объемная, мг/см3	72,2	85,8	79,2	116	48,2	54,2

Таким образом, введение в состав полимерной матрицы пиридиниевого ионита метакриловой кислоты в количестве 3,0-6,0 мас.% позволяет повысить весовую и объемную емкости ионита по урану при сорбции его как из растворов, так и из пульп, улучшить показатели сорбционного процесса, снизить единовременную загрузку ионита и уменьшить количество сорбционных аппаратов.

Введение МАК в состав заявляемого ионита позволяет не только повысить его емкость по урану, но и улучшить технологические параметры процесса десорбции урана с ионита в сравнении с прототипом.

Пример 2. С образцов заявляемого ионита, насыщенного ураном из продуктивного раствора ПВ вышеуказанного состава, в динамических условиях ведут десорбцию урана, пропуская десорбирующий раствор через слой ионита высотой 0,5 м в колонке со скоростью 1 объем раствора к объему сорбента в час при температуре 20°С. Вытекающий из колонки десорбат отбирают фракциями по 0,5 объема к объему сорбента в колонке и определяют в каждой фракции содержание урана. По полученным данным строят выходную кривую десорбции урана, по которой определяют ориентировочный выход (объем) товарной фракции десорбата и ожидаемую концентрацию урана.

В качестве десорбирующего раствора используют 10-процентный раствор аммиачной селитры с добавкой 1% серной кислоты (100 г/л NH₄NO₃+10 г/л H₂ SO₄).

В аналогичных условиях ведут десорбцию урана тем же раствором с прототипа - пиридиниевого ионита АМП.

Полученные данные представлены в табл.3.

Таблица 3
Сравнительные технологические показатели процесса десорбции урана с образцов заявляемого ионита и АМП
Технологический показатель	Марка и номер образца анионита
Россион 610	Россион 611	Россион 62	АМП прототип
Емкость насыщенного ионита по урану, мг/г	56,4	56,3	71,2	50,5
Емкость насыщенного ионита по урану, мг/см3	23,5	22,5	32,9	21,0
Необходимая продолжительность контакта ионита с десорбцинизирующим раствором, ч	10-12	15-18	7-10	15-20
Объем (выход) товарной фракции десорбата, объем/объем ионита	2,0	2,5-2,7	2,0-2,5	2,5-3,0
Остаточная емкость ионита по урану после десорбции, мг/см3	0,44	0,3	0,23	1,2
Ожидаемая (расчетная) концентрация урана в товарной фракции десорбата, г/л	11,5	8,2-8,9	13,1-16,3	6,8-8,2

Судя по приведенным данным, заявляемый ионит в сравнении с прототипом обладает значительно лучшими десорбционными характеристиками, что обеспечивает:

- лучшую кинетику десорбции урана;

- меньшую остаточную емкость по урану после десорбции;

- меньший объем (выход) товарной фракции десорбата;

- более высокую концентрацию урана в товарном десорбате.

Все вышеперечисленное позволяет в целом улучшить технико-экономические показатели сорбционно-десорбционного процесса извлечения урана из раствора:

- снижение единовременной загрузки ионита и его расхода;

- сокращение расхода реагентов на десорбцию урана;

- уменьшение количества технологического оборудования.