Использование коагулирующих агентов для разделения

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОАГУЛИРУЮЩИХ АГЕНТОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ
ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ РАСТВОРОВ УРАНА И ТВЕРДЫХ
ВЗВЕСЕЙ
Шикерун Т.Г, Терентьев С.Г., Шамин В.И., Скуратова М.В., Рыбаков А.Н.
ФГУП «Сибирский химический комбинат», г. Северск
В высококонцентрированных растворах урана (300…500 г/дм3 по урану),
полученных при растворении концентратов урана в азотной кислоте, присутствуют в
виде примесей тонкодисперсные оксиды веществ, сопутствующих урану в рудных
образованиях – это, в основном, соединения железа, кремния, алюминия, молибдена.
Подобные стабильные дисперсные системы не отстаиваются в течение нескольких
месяцев и создают трудности при экстракционной переработке, поскольку попадание
взвесей в экстракционные аппараты приводит к нарушению гидродинамики процесса и
снижению эффективности извлечения и очистки целевого компонента. Необходимость
в очистке таких систем потребовала применения реагентов, повышающих скорость
седиментации в десятки раз, а также способствующих удовлетворительному
разделению твердой и жидкой фаз центрифугированием и фильтрацией.
С целью интенсификации процессов разделения азотнокислых растворов
уранила и тонкодисперсных твердых примесей было исследовано влияние на этот
процесс коагулянтов и флокулянтов. Под действием коагулянтов очень маленькие,
чрезвычайно дисперсные частички объединяются в большие массы (микрохлопья).
После дестабилизации коллоидной суспензии коагулянтами, чтобы увеличить
эффективность процесса очистки, часто применяют полимерные флокулянты.
Благодаря очень большой молекулярной массе флокулянты чрезвычайно эффективно
образуют мостики между микрохлопьями, возникшими при коагуляции, создавая более
крупные макрохлопья. Образовавшиеся макрохлопья затем можно удалить такими
методами разделения твердой и жидкой фазы, как фильтрация и центрифугирование.
Следует отметить, что в опубликованных исследованиях нам не удалось
обнаружить
сведений
по
применению
коагулянтов
для
очистки
высококонцентрированных растворов урана от твердых примесей. Все исследования
проводились либо с рудными щелоками урана (концентрация урана менее 10 г/дм3) [1],
либо с сильно разбавленными растворами [2, 3].
При поиске подходящего коагулянта, выпускаемого в промышленном масштабе,
было обращено внимание на четвертичные жидкие полиамины, применяемые для
очистки питьевой воды от твердых примесей неорганического и органического состава
[4-6]. На Российском рынке продаются полиамины французского и российского
производства. Наиболее эффективным оказался коагулянт серии FLOQULATTM FL 45C
на основе диаллилдиметиламмоний хлорида. Аналогичный коагулянт производится в
России под названием «полиэлектролит водорастворимый ВПК-402».
Использование флокулянтов позволяет ограничить дозировку коагулянтов до
минимального количества, необходимого для дестабилизации коллоидной суспензии,
при этом получаются осадки более плотные и быстро осаждаемые. В исследованиях
применяли флокулянты, которые имели разный состав и находились в неионной,
анионной и катионной формах. Наибольшая эффективность разделения растворов
азотнокислого уранила и твердых примесей была достигнута при использовании
катионного полимера серии FLOPAMTM – FO 4140 PWG.
Для определения оптимальной концентрации коагулянта приготовили 9
образцов коллоидной суспензии по 100 мл. В каждый образец вводили раствор
коагулянта FL 45 С, концентрация коагулянта в пересчете на активную часть
составляет 10; 50; 80; 100; 120; 150; 180; 200; 500 мг/дм3. В контрольный опыт
коагулянт не вводили. Работы выполняли при комнатной температуре. Перемешивание
проводили сжатым воздухом по 5 минут. Затем растворы переливали в мерные
цилиндры и отмечали концентрацию коагулянта, при которой суспензия имела
максимальную скорость седиментации. При концентрации коагулянта (в пересчете на
активную часть) от 0 до 50 мг/дм3 растворы не осветлялись, оставались мутными; от
100 до 200 мг/дм3 – растворы урана были прозрачными, осадок занимал примерно 30 %
(образуется плотный осадок); 500 мг/дм3 – раствор урана был прозрачным, осадок
занимал 40 % (рыхлый осадок). При введении коагулянта до концентрации 80 мг/дм3
растворы осветлялись, однако скорость седиментации составляла 0,3 мл/мин. Скорости
седиментации в опытах с концентрацией коагулянта выше 100 мг/дм3 составляли
2,2…2,8 мл/мин.
Таким образом, установлено, что концентрация коагулянта FL 45C, при которой
осветляются растворы урана с наибольшей скоростью, находится в интервале от 100 до
200 мг/дм3.
Определение зависимости скорости коагуляции (флокуляции) от концентрации
флокулянта проводили с коагулянтом FL 45 С и флокулянтом FO 4140 Наилучшее
осветление раствора получается при концентрации коагулянта 200 мг/дм3 и флокулянта
FO 4140 – 5 мг/дм3.
Определение зависимости скорости коагуляции от температуры проводили с
коагулянтом FL 45 С (200 мг/дм3) и флокулянтом FO 4140 (5 мг/дм3). Введение
реагентов в суспензию, перемешивание, а также осаждение взвесей в растворах урана
проводили при температурах: 20, 40, 60, 80 и 100 С. Скорость седиментации взвесей
достигала максимума при 40 С. Было установлено (рисунок 1), что увеличение
температуры приводит к обратному эффекту и, вероятно, может быть объяснено
деструкцией макромолекул коагулянта и флокулянта и пептизацией осадка.
Осветленная часть, %
70
60
50
40
20 
40 
60 
80 
100 
30
20
10
0
0
50
100
150
200
Время, мин
Рисунок 1 – Зависимость скорости седиментации от температуры
Определение влияния концентрации азотной кислоты проводили на растворах, в
которых концентрация азотной кислоты составляла 0,5; 1,0; 1,5; 2,0 и 3,0 моль/дм3
(рисунок 2). Увеличение ее содержания улучшает процесс отделения твердой фазы. С
увеличением концентрации азотной кислоты увеличивается скорость седиментации
твердых частиц. Это явление может быть объяснено растворением наиболее тонкой
фракции частиц при повышенной кислотности и изменением условий взаимодействия
оксидной поверхности частиц с молекулами присутствующей воды.
Зависимость начала коагуляции от количества твердой фазы проводили на
суспензиях, в которых содержание твердой фазы составляло 0,1; 0,3; 0,6; 1,1; 1,9; 2,7;
4,5 и 8,2 %. Установлено, что с увеличением концентрации твердой фазы возрастает
количество коагулянта, необходимого для начала процесса седиментации (рисунок 3).
Осветленная часть, %
70
60
50
0,5 М/дм3 азотной кислоты
1,0 М/дм3 азотной кислоты
1,5 М/дм3 азотной кислоты
2,0 М/дм3 азотной кислоты
3,0 М/дм3 азотной кислоты
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Время, мин
Рисунок 2 – Зависимость скорости седиментации от концентрации азотной кислоты
Коэффициент фильтрации
6
5
4
3
2
0,1…2,7 % твердой фазы
4,5 % твердой фазы
8,2 % твердой фазы
1
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Концентрация коагулянта, мг/дм3
Рисунок 3 – Зависимость коэффициента фильтрации от количества коагулянта и твердой фазы
Проверили также отечественный коагулянт ВПК-402 – аналог коагулянта
французского производства FL 45 С. ВПК-402 аналогичен по химическому составу.
Проведенные исследования полностью подтвердили и идентичность коагуляционных
свойств обоих коагулянтов.
Проведена сравнительная оценка эффективности коагулянтов FL 45C и ВПК-402
с катионным полиакриламидным флокулянтом BS 856 марки Praestol (производство
ООО «Штокхаузен Евразия. Техника и окружающая среда»). Установлено, что
концентрация флокулянта, при которой осветляются суспензии, состоящие из раствора
урана с концентрацией 400 г/дм3, 1 моль/дм3 азотной кислоты и твердых примесей,
находится в интервале от 20…30 мг/дм3.
Выводы
1
Исследования
по
интенсификации
процессов
разделения
высококонцентрированных растворов уранилнитрата и твердых взвешенных частиц
показали высокую эффективность применения органических коагулянтов и
флокулянтов.
2 В исследованных областях концентраций урана, азотной кислоты и твердых
примесей для эффективного разделения фаз достаточно введения 100…200 мг/дм3
коагулянта на основе диаллилдиметиламмоний хлорида или 30 мг/дм3 катионного
флокулянта на основе полиакриламида.
3 Найдены оптимальные условия для эффективного разделения азотнокислых
растворов уранила и тонкодисперсных твердых взвесей: температура 40 С;
концентрация азотной кислоты не менее 1 моль/дм3.
4 В настоящее время выполнена подготовка для проведения опытнопромышленных испытаний по применению коагулянта FLOQULATTM FL 45C для
разделения суспензии, состоящей из раствора уранилнитрата и твердых взвесей.
Список литературы
1 Технология атомного сырья / Под ред. А.П. Зефирова. – М.: Главное управление
по исследованию атомной энергии при Совете Министров СССР, 1959. – 147 с.
2 Дытнерский Ю.И., Жилин Ю.Н., Волчек К.А. и др. // Химия и технология
воды. – № 5, 6. – С. 401-404.
3 Коварский Н.Я., Иваненко В.В., Кустов В.Н. Комплексное определение
микроэлементного состава морских вод с использованием электроосажденного
гидроксида магния // Журн. аналит. химии. – 1987. – № 12. – С. 2126-2179.
4 Лобанов Ф.И., Коробов А.С., Кузьмицкий В.Г., Спиридонова Н.Н.
Организация производства полимерных флокулянтов ПРАЕСТОЛ в России и опыт их
применения на коммунальных и промышленных предприятиях России и СНГ //
Материалы 2 Междунар. научно-практ. конф., посвященной 1000-летию Казани. –
Казань, 2005. – С. 140-142.
5 Новые технологии и оборудование в водоснабжении и водоотведении. – № 5. –
С. 16-17.
6 Полиакриламид / Под ред. В.Ф. Куренкова. – М.: Химия, 1992. – 192 с.