Глава 2. УСТАНОВКА ДЛЯ СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ ФЛЮИДНОЙ ЭКСТРАКЦИИ КОМПЛЕКСОВ УРАНА ИЗ ТЕХНОГЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Украина обеспечена собственными урановыми ресурсами лишь на 30 %. В то же время в стране имеются техногенные месторождения с высокой концентрацией радиоактивных и токсичных компонентов, представляющие опасность для окружающей среды и здоровья населения. Так, в Днепродзержинске на площади 2,5 млн м2 расположено 7 хвостохранилищ, в которых накоплено около 42 млн т отходов переработки урана, содержащих уран, продукты его распада, мышьяк, селен, торий, радий и т. п.

В ряде промышленных регионов Украины радиоэкологическая обстановка определяется деятельностью угольных шахт. Например, в Донбассе за 200 лет добычи каменных углей и антрацитов образовано 1 257 терриконов общим объемом 1 056 519,9 тыс. м3. Угольные породы занимают 5 526,3 га. Отвалы, особенно горящие, являются источниками пыли и токсичных соединений. Исследования показали, что в отходах гравитационного и флотационного обогащения угля содержание урана составляет 15—150 г/т, тория — 20 г/т.

Таким образом, возникает необходимость в разработке технологий:

— уменьшения количества радиоактивных отходов в процессах получения и переработки ядерного топлива;

— глубокого извлечения актинидов и других элементов из техногенных месторождений.

Внедрение таких технологий позволит повысить объем производства ядерного топлива, а также решить экологические и социальные проблемы регионов.

В ННЦ ХФТИ создана экспериментальная установка СФЭ-U (рис. 1) для извлечения радионуклидов с использованием метода сверхкритической флюидной экстракции углекислым газом (СФЭ-СO2).

Рис. 1. Установка СФЭ- U

Сверхкритическая флюидная экстракция — новейший, перспективный, экологически чистый, сухой метод получения различных материалов из растительного, минерального и техногенного сырья с использованием экстрагентов, находящихся при температуре и давлении выше критических. Наиболее часто применяют углекислый газ, циркулирующий в замкнутом объеме без сброса в атмосферу. Он нетоксичен, неактивен, доступен, дешев и обладает невысокими критическими параметрами (температура 37 °С, давление 7,3 МПа). В отличие от традиционных методов жидкостной экстракции при СФЭ-СО2 экстрагируемое вещество не содержит следов экстрагента.

Содержание урана в материалах определяли гамма-спектрометром СЭГ-50(П) с детектором ДГДК-60В. Погрешность измерения концентраций излучающих изотопов 15 %. На этапе пробоподготовки и установления эффективности экстракции применяли рентгеновский флуоресцентный анализатор КРАБ-3УМ и спектрофотометр СФ-2000 с использованием реагента Арсеназо-III. Суммарная погрешность определения количества урана в образцах составила 10 %.

Модельными материалами служили граниты. Из пяти образцов выбраны № 2 и 4 (условно) с содержанием урана 5,5 и 3,1 мкг/г соответственно.

Образцы дробили, измельчали в порошок с размером зерна менее 50 мкм, после чего заливали 30%-й азотной кислотой в массовом соотношении 1: 1 и выдерживали в течение суток. Полученный раствор смешивали с 20%-м раствором ТБФ в уайтспирите и взбалтывали. После расслоения на лист фильтровальной бумаги диаметром 150 мм наносили 1 мл органической фазы, высушивали для удаления растворителя и помещали в экстракционную ячейку.

Экстракция включала две стадии: быструю (давление 90 атм, температура 38 °С, время 2 мин) и медленную (давление 185 атм, температура 45 °С, время 60 мин). После каждой стадии продукт сбрасывали на стопку из пяти пронумерованных бумажных фильтров. Содержимое каждого из них анализировали на рентгеновском анализаторе. Для получения спектров поглощения задержанного экстракта фильтры на 10 мин погружали в 0,005%-й водный раствор Арсеназо-Ш.

На рис. 2 и 3 представлены спектры поглощения комплексов Арсеназо-Ш с продуктами экстракции гранитов.

Рис. 2. Спектры оптического поглощения комплексов Арсеназо-Ш с продуктами СФЭ-СО2 гранита № 4

Анализ спектров свидетельствует, что основная часть комплексов урана извлекается при быстрой экстракции. Спектр поглощения (сплошная кривая на рис. 2 с характерной резонансной полосой 651 нм) совпадает со спектром поглощения комплекса Арсеназо-Ш—уранилнитрат и указывает на 6-валентное состояние урана в экстракте.

На рис. 3 видно количественное различие в спектрах поглощения продуктов быстрой и медленной стадий. По-видимому, изменение давления и температуры влияет на эффективность извлечения отдельных компонентов исходного материала, в результате чего примеси других элементов экстрагируются в ТБФ и дают дополнительные цветовые реакции с Арсеназо-Ш.

Рис. 3. Спектры оптического поглощения комплексов Арсеназо-Ш с продуктами СФЭ-СО2 гранита № 2

В таблице приведены результаты СФЭ-СО2 урана из исследованных образцов гранита.