CN102249331A - 一种四价铀溶液的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种四价铀溶液的制备方法，在铀酰离子的酸性溶液中加入有机还原剂和催化剂，在催化剂的作用下进行反应，铀酰离子被还原为四价铀离子。该发明提供了一种铀转化率高、操作简便、反应条件温和、制得四价铀浓度高的可用于核燃料后处理工业中的四价铀溶液的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及核燃料后处理技术领域，特别涉及一种四价铀溶液的制备方法。
背景技术
核燃料后处理是核燃料循环中的一个重要组成部分，其主要任务是从反应堆用过的乏燃料中除去裂变产物，回收易裂变的材料(239Pu、233、235U)和可转换材料(238U)。核燃料后处理经过60多年的发展，目前普遍认为普雷克斯(Purex)流程是一个切实可行、经济可靠的方法，在反应堆乏燃料后处理中占据了主导地位。
Purex流程的实质在于利用TBP对铀、钚的高萃取性，利用钚的易氧化还原性质，实现铀、钚的萃取及相互分离。典型的Purex流程包括铀钚共去污分离、铀净化和钚的净化三个萃取循环。在铀、钚分离及钚的净化循环阶段，都是先把Pu(III)氧化成易被TBP萃取的Pu(IV)。为使铀和钚分离，需要再把Pu(IV)还原成不易被萃取的Pu(III)，反萃入水相中。因此，还原剂对铀钚的分离过程起着重要的作用。
用U(IV)-肼作为还原剂和支持还原剂，能够完全、快速的还原Pu(IV)，是目前铀钚共去污分离循环中实现铀和钚分离的理想选择。因此，四价铀的制备在Purex流程的实现过程中也具有重要的作用。
目前，核燃料后处理厂中四价铀溶液的制备主要有两种工艺，电解还原法和加氢催化还原法。
直接电解UO2(NO3)2水溶液的办法制备U(IV)，具有过程简单，不增加废液，不引入杂质等特点，目前已经在许多后处理厂获得生产规模的应用。在实际工作中，U(IV)的转化率也比较低，一般只有50-60％。将此还原料液应用到Purex流程中的铀和钚的分离中，会产生较多不利影响。另外，电解池的结构也比较复杂的，电极材料一般都是在钛基上电镀一层贵金属氧化物。在连续的电解还原反应的情况下，镀层就有可能脱落或者失活，从而造成反应速率或者转化率的降低，电极的更换和再生也是一个较困难的工艺。
加氢催化还原是目前大型后处理厂制备U(IV)采用比较多的一种工艺，此工艺的还原剂是气体，反应产物是U(IV)和水，不向系统中引入杂质离子，且U(IV)的转化率高，能够达到95％以上。但是加氢催化还原制备U(IV)所需要的设备比较复杂，由一系列高压反应器、高压分离器、低压分离器等组成。此外，此工艺中采用高压氢气作为还原剂，工业反应器中气体的压力达到了10MPa，这在放射性极强的核燃料后处理车间是一个很大的安全隐患。
目前仅有俄罗斯的一些研究者进行过用肼、甲酸等还原低浓度U(VI)的动力学及反应机理的研究，例如分别在2007年和2008年的《Radiochemistry》的“Reactivity of Platinum Nanoaggregates in Catalytic Reduction of U(VI)withHydrazine in Acid Solutions”、“Catalytic Reduction of U(VI)with Formic Acid inAcid Solutions on Palladium Catalysts”、“Catalytic Reduction of U(VI)withHydrazine on Palladium Catalysts in Acid Solutions”三篇文章中仅仅对用肼、甲酸等还原低浓度U(VI)的动力学及反应机理进行了简单介绍，而未具体提出适合后处理工业应用的四价铀制备方法。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种铀转化率高、操作简便、反应条件温和、制得四价铀浓度高的可用于核燃料后处理工业中的四价铀溶液的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种四价铀溶液的制备方法，关键在于，在铀酰离子的酸性溶液中加入有机还原剂和催化剂，在催化剂的作用下进行反应，铀酰离子被还原为四价铀离子。
在上述的制备过程中，所述的铀酰根离子的浓度为0～2mol/L。所述的铀酰根离子的浓度为0.88mol/L。所述的酸性溶液中H+浓度为0.1～4mol/L。所述的酸性溶液中H+浓度为0.5～1.2mol/L。所述的有机还原剂采用能够溶于水，在酸性溶液中能够较稳定存在，还原性较强的有机试剂肼或肼的衍生物或羧酸。所述的酸性溶液的阴离子为硝酸根或硫酸根或高氯酸跟或氯离子。所述的在催化剂的作用下进行反应，其中反应的温度为10～90℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该方法是一种新型的制备四价铀的方法，通过在铀酰离子的酸性溶液中加入有机还原剂，在催化剂的作用反应制备四价铀，该方法操作简便、反应速率快、铀转化率高，而且制备的四价铀浓度高。又能使反应过程中使用的设备和工艺流程简化。本方法是利用催化还原方法制备四价铀，尚属于首次。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
一种四价铀溶液的制备方法，在铀酰离子的酸性溶液中加入有机还原剂和催化剂，调整铀浓度、酸度和还原剂的浓度的比例，控制反应体系的温度，在催化剂的作用下，在常压下进行反应，铀酰离子被还原为四价铀离子。
催化剂采用还原性较强的有机还原剂，是铂或钯或铑贵金属中的一种或几种，这些催化剂以金属态或者氧化态的形式存在，可以单独使用，也可以负载在二氧化硅、活性炭、石棉等载体上使用。固体催化剂与反应液体的接触方式可以是通过搅拌悬浮在反应液中，也可以将催化剂装入固定床反应器中，反应液通过催化剂颗粒所形成的床层进行反应。
其中，催化还原反应既可以在反应釜中进行，也可以在固定床、流化床等化工设备中进行；制备过程既可以是间歇操作，也可以连续操作。
实施例1
在反应釜中加入20ml反应液，其中硝酸铀酰浓度为0.88mol/L、硝酸浓度为0.8mol/L、硝酸肼浓度0.96mol/L，水浴加热维持反应体系温度为60℃，催化剂为铂黑，用磁力搅拌保证固液充分混合，反应5小时后四价铀的转化率达到99％。
实施例2
在反应釜中加入25ml反应液，其中高氯酸铀酰浓度为0.32mol/L、高氯酸浓度为0.1mol/L、高氯酸肼浓度为0.2mol/L，水浴加热维持反应体系温度为10℃，催化剂为钯，使用磁力搅拌保证固液充分混合，反应400分钟后四价铀的转化率达到38％。
实施例3
在反应釜中加入25ml反应液，其中硫酸铀酰浓度为0.88mol/L、硫酸浓度为2.0mol/L、甲酸浓度为1.05mol/L，水浴加热维持反应体系温度为90℃，催化剂为铑，使用磁力搅拌保证固液充分混合，反应4小时后四价铀的转化率达到93％。
实施例4
在反应釜中加入25ml反应液，其中氯化铀酰浓度为1.5mol/L、盐酸浓度为0.5mol/L、甲酸浓度为1.05mol/L，水浴加热维持反应体系温度为60℃，催化剂为5％Pt/C催化剂(活性炭负载的铂，铂含量为5％)，使用磁力搅拌保证固液充分混合，反应3.5小时后四价铀的转化率达到91％。
实施例5
在反应釜中加入25ml反应液，其中硝酸铀酰浓度为2mol/L、硝酸浓度为1.2mol/L、硝酸肼浓度为1.32mol/L，水浴加热维持反应体系温度为60℃，催化剂为5％Pt/SiO2催化剂(二氧化硅负载的铂，铂含量为5％)，使用磁力搅拌保证固液充分混合，反应3小时后四价铀的转化率达到93％。
实施例6
在反应釜中加入5L反应液，其中硝酸铀酰浓度为0.87mol/L、硝酸浓度为0.78mol/L、硝酸肼浓度为0.92mol/L，水浴加热维持反应体系温度为40℃，催化剂为铂黑，使用磁力搅拌保证固液充分混合，反应5小时后四价铀的转化率达到98％。
Claims (9)
1.一种四价铀溶液的制备方法，其特征在于，在铀酰离子的酸性溶液中加入有机还原剂和催化剂，在催化剂的作用下进行反应，铀酰离子被还原为四价铀离子。
2.根据权利要求1所述的一种四价铀溶液的制备方法，其特征在于，所述的铀酰根离子的浓度为0～2mol/L。
3.根据权利要求2所述的一种四价铀溶液的制备方法，其特征在于，所述的铀酰根离子的浓度为0.88mol/L。
4.根据权利要求1所述的一种四价铀溶液的制备方法，其特征在于，所述的酸性溶液中H+浓度为0.1～4mol/L。
5.根据权利要求4所述的一种四价铀溶液的制备方法，其特征在于，所述的酸性溶液中H+浓度为0.5～1.2mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种四价铀溶液的制备方法，其特征在于，所述的有机还原剂为肼或肼的衍生物或羧酸。
7.根据权利要求1所述的一种四价铀溶液的制备方法，其特征在于，所述的催化剂为贵金属铂或钯或铑。
8.根据权利要求1或4或5所述的一种四价铀溶液的制备方法，其特征在于，所述的酸性溶液的阴离子为硝酸根或硫酸根或高氯酸跟或氯离子。
9.根据权利要求1所述的一种四价铀溶液的制备方法，其特征在于，所述的在催化剂的作用下进行反应，其中反应的温度为10～90℃。
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| WO2008010538A1 (fr) * | 2006-07-19 | 2008-01-24 | Japan Atomic Energy Agency | Procédé de réduction de l'uranium hexavalent par propagation d'ultrasons |
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2011
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