CN102534644B - 动态膜电解制备四价铀的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于核燃料后处理领域,具体涉及一种动态膜电解制备四价铀的装置及方法。该装置由阳离子交换膜、阳极、阴极、阳极液、阴极液、蠕动泵、衬垫a、电极框a、阳极液出口、阴极液出口、阳极液入口、阴极液入口、电极框b、衬垫b组成,其中,该装置从左至右分别是电极框a、衬垫a、阳离子交换膜、衬垫b、电极框b,它们之间层层叠加形成一个密封空间;衬垫a和衬垫b是四边形结构,其中,所述的阳极是钛涂钌铱网,所述的阴极是钛网;阴极与阳极之间的距离是6~15mm,阳离子交换膜采用全氟磺酸阳离子交换膜。本发明提供了一种动态膜电解制备四价铀的装置及方法,该方法既保证产品中的四价铀含量,又能实现稳定快速的制备。该装置结构简单。
Description
技术领域
本发明属于核燃料后处理领域,具体涉及一种动态膜电解制备四价铀的装置及方法。
背景技术
在普雷克斯流程中通常采用四价铀作还原剂、肼作支持还原剂,将钚从四价还原到三价,从而实现共萃的铀和钚之间的分离。但是所加的四价铀溶液,会造成钚产品的稀释,以及加重铀线的负担。为将这些效应降到最低,需要采用高浓度、高四价铀含量的还原剂溶液。因此,制备出高浓度、高四价铀含量的溶液具有非常重要的意义。
现有技术一:何阿弟等人发表的“隔膜电解还原法制备四价铀的研究”《核技术》1997年7月,第20卷第7期,该文献公开了一种制备四价铀的装置及方法,该装置是采用钛板作阴极,棱形网状镀铂钛网作阳极,阳离子交换膜作隔膜。该方法虽然可以制备得到四价铀高含量的产品,但采用静态槽式电解方式时,电解效率不高,电流密度不可太大,过大的电流密度会导致电解质溶液的温度升高。另外,该装置的阴极和阳极间的距离过大,加大了发热量,温度太高将影响阳离子交换膜的性能,而且还会加快肼的消耗及四价铀的氧化。
现有技术二:何阿弟等人发表的“动态连续电解还原制备四价铀的研究”《核技术》1998年10月,第21卷第10期,该文献中虽提到在装置中用阳离子交换膜作隔膜,然而通过该文献公开的装置图,电解料液只装在一个容器中,并未将阴极液和阳极液分开,阴极和阳极之间也并未安装隔膜,可以说该装置中并未使用阳离子交换膜。另外,用该装置制备四价铀的还原率仅有85%,电流密度在23~41mA·cm-2。同第一种相同,电流密度不可太大。
现有技术三:专利申请文献,专利申请号:201010131057.7,发明名称:一种四价的铀-铈-氧固溶体的制备方法,其中,权利要求1的步骤2)中公开的阴极电流密度为20~80mA·cm-2,在室温条件下进行电解5~30小时。该电流密度小,电解时间长,未公开四价铀的还原率以及装置图。
现有技术四:张招贤、蔡天晓著《钛电极反应工程学》第93页~97页介绍了一种离子膜电解法及装置,该装置及方法是应用于氯碱工业,而非核化工领域,对装置的结构、材料、工艺参数要求均不同。
发明内容
(一)发明目的
本发明提供了一种动态膜电解制备四价铀的装置及方法,该方法既保证产品中的四价铀含量,又能实现稳定快速的制备。该装置结构简单。
(二)技术方案
本发明提供了一种动态膜电解制备四价铀的装置,该装置由阳离子交换膜、阳极、阴极、阳极液、阴极液、蠕动泵、衬垫a、电极框a、阳极液出口、阴极液出口、阳极液入口、阴极液入口、电极框b、衬垫b组成,其中,该装置从左至右分别是电极框a、衬垫a、阳离子交换膜、衬垫b、电极框b,它们之间层层叠加形成一个密封空间;衬垫a和衬垫b是四边形结构;电极框a是中空框架结构,在电极框a的侧面安装有阳极,在电极框a的下端留有阳极液入口,在电极框a的上端留有阳极液出口;电极框b是中空框架结构,在电极框b的侧面安装有阴极,在电极框b的下端留有阴极液入口,在电极框b的上端留有阴极液出口,其中,所述的阳极是钛涂钌铱网,所述的阴极是钛网;阴极与阳极之间的距离是6~15mm,阴阳极面积比为1∶1,阳离子交换膜采用全氟磺酸阳离子交换膜。
上述动态膜电解制备四价铀的方法步骤是:
1)阳极液通过蠕动泵从阳极液入口进入电极框a内,阴极液通过蠕动泵从阴极液入口进入电极框b内,所述的阳极液是1~2.5mol/L硝酸溶液,所述的阴极液组成是:49~306g/L硝酸铀酰,1~4.1mol/L硝酸,0.1~0.52mol/L肼;阳极液(4)和阴极液(5)均为500ml,阳极液和阴极液均以300~600ml/min的速度循环;
2)接通电源,控制电流密度为85~160mA·cm-2,进行恒流电解,电解温度为31~50℃,电解时间为1.7~4.5小时。
(三)发明效果
本发明提供的动态膜电解制备四价铀的装置及方法,采用阳离子交换膜分隔阴极室和阳极室,并通过料液的高速流动增强传质和传热,既保证产品中四价铀含量,又能实现稳定快速的制备。该装置采用阳离子交换膜分隔阴极室和阳极室,防止阴极电解还原生成的四价铀被阳极或阳极产物所再次氧化。为提高传质和传热效率,阴阳极液均以500ml/min的速度循环,电极采用网状电极,通过料液高速流动以及网格所形成的湍流以减小边界层厚度。此外,料液高速流动有助于及时带出反应热。阳离子电解膜采用耐酸、耐高温、电阻小且机械强度良好的全氟磺酸阳离子交换膜。由于本电解装置阳极发生的是析氧反应,因此阳极采用了氧过电位低且在强酸性条件下较为稳定的钛涂钌铱电极。
附图说明
图1电解还原装置示意图
1阳离子交换膜,2阳极,3阴极,4阳极液,5阴极液,6蠕动泵;
图2电解还原装置结构简图
1阳离子交换膜,2阳极,7衬垫a,8电极框a,9阳极液出口,10阴极液出口,11阳极液入口,12阴极液入口,13电极框b,14衬垫b。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示,一种动态膜电解制备四价铀的装置,该装置由阳离子交换膜(1)、阳极(2)、阴极(3)、阳极液(4)、阴极液(5)、蠕动泵(6)、衬垫a(7)、电极框a(8)、阳极液出口(9)、阴极液出口(10)、阳极液入口(11)、阴极液入口(12)、电极框b(13)、衬垫b(14)组成,其中,该装置从左至右分别是电极框a(8)、衬垫a(7)、阳离子交换膜(1)、衬垫b(14)、电极框b(13),它们之间层层叠加形成一个密封空间;衬垫a(7)和衬垫b(14)是四边形结构;电极框a(8)是中空框架结构,在电极框a(8)的侧面安装有阳极(2),在电极框a(8)的下端留有阳极液入口(11),在电极框a(8)的上端留有阳极液出口(9);电极框b(13)是中空框架结构,在电极框b(13)的侧面安装有阴极(3),在电极框b(13)的下端留有阴极液入口(12),在电极框b(13)的上端留有阴极液出口(10),其特征在于:所述的阳极是钛涂钌铱网,所述的阴极是钛网;阴极与阳极之间的距离是6mm,阳离子交换膜(1)采用全氟磺酸阳离子交换膜。
电极框a(8)、电极框b(13)、衬垫a(7)、衬垫b(14)采用PVC,电极框a(8)以及电极框b(13)的面积均为80×180mm2,厚15mm,阳极(2)和阴极(3)的面积均为50×144mm2(72cm2)。
上述动态膜电解制备四价铀的装置是一个电解槽单元,工业应用时可以是多个单元并联或串联。
阴极液组成为:硝酸铀酰49.3g/L,硝酸1mol/L,肼0.1mol/L;阳极液为1mol/L硝酸溶液。阴阳极液在蠕动泵的输送下,750ml的阴极液和500ml的阳极液,均以300ml/min的流速循环。施加6.12A的电流(85mA/cm2),电解1.7小时后,阴极液中四价铀含量达到91%,硝酸浓度为0.69mol/L,肼浓度为0.065mol/L,料液温度为31℃(室温23℃)。
实施例2
采用实施例1的装置,其中阴极与阳极之间的距离是10mm。
阴极液组成为:硝酸铀酰197g/L,硝酸4.1mol/L,肼0.18mol/L;阳极液为2.5mol/L硝酸溶液。阴阳极液在蠕动泵的输送下,500ml的阴极液和500ml的阳极液,均以300ml/min的流速循环。施加7.20A的电流(100mA/cm2),电解4.5小时后,阴极液中四价铀含量达到96%,硝酸浓度为2.1mol/L,肼浓度为0.062mol/L,料液温度为38℃(室温33℃)。
实施例3
采用实施例1的装置,其中阴极与阳极之间的距离是15mm。
阴极液组成为:硝酸铀酰199g/L,硝酸2.2mol/L,肼0.52mol/L;阳极液为2.5mol/L硝酸溶液。阴阳极液在蠕动泵的输送下,500ml的阴极液和500ml的阳极液,均以400ml/min的流速循环。施加8.64A的电流(120mA/cm2),电解3小时后,阴极液中四价铀含量达到93.1%,硝酸浓度为0.7mol/L,肼浓度为0.3mol/L,料液温度为42℃(室温28℃)。
实施例4
采用实施例1的装置,其中阴极与阳极之间的距离是15mm。
阴极液组成为:硝酸铀酰306g/L,硝酸3.6mol/L,肼0.52mol/L;阳极液为2.5mol/L硝酸溶液。阴阳极液在蠕动泵的输送下,500ml的阴极液和500ml的阳极液,均以600ml/min的流速循环。施加11.52A的电流(160mA/cm2),电解4.2小时后,阴极液中四价铀含量达到94.9%,硝酸浓度为0.98mol/L,肼浓度为0.34mol/L,料液温度为50℃(室温28℃)。
Claims (2)
1.一种动态膜电解制备四价铀的装置,该装置由阳离子交换膜(1)、阳极(2)、阴极(3)、阳极液(4)、阴极液(5)、蠕动泵(6)、衬垫a(7)、电极框a(8)、阳极液出口(9)、阴极液出口(10)、阳极液入口(11)、阴极液入口(12)、电极框b(13)、衬垫b(14)组成,其中,该装置从左至右分别是电极框a(8)、衬垫a(7)、阳离子交换膜(1)、衬垫b(14)、电极框b(13),它们之间层层叠加形成一个密封空间;衬垫a(7)和衬垫b(14)是四边形结构;电极框a(8)是中空框架结构,在电极框a(8)的侧面安装有阳极(2),在电极框a(8)的下端留有阳极液入口(11),在电极框a(8)的上端留有阳极液出口(9);电极框b(13)是中空框架结构,在电极框b(13)的侧面安装有阴极(3),在电极框b(13)的下端留有阴极液入口(12),在电极框b(13)的上端留有阴极液出口(10),其特征在于:所述的阳极是钛涂钌铱网,所述的阴极是钛网;阴极与阳极之间的距离是6~15mm,阴阳极面积比为1∶1,阳离子交换膜(1)采用全氟磺酸阳离子交换膜。
2.根据权利要求1所述的动态膜电解制备四价铀的装置来制备四价铀的方法,其特征在于:该方法的步骤是:
1)阳极液(4)通过蠕动泵(6)从阳极液入口(11)进入电极框a(8)内,阴极液(5)通过蠕动泵(6)从阴极液入口(12)进入电极框b(13)内,所述的阳极液是1~2.5mol/L硝酸溶液,所述的阴极液组成是:49~306g/L硝酸铀酰,1~4.1mol/L硝酸,0.1~0.52mol/L肼;阳极液(4)和阴极液(5)均为500ml,阳极液(4)和阴极液(5)均以300~600ml/min的速度循环;
2)接通电源,控制电流密度为85~160mA·cm-2,进行恒流电解,电解温度为31~50℃,电解时间为1.7~4.5小时。
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CN102534644A (zh) | 2012-07-04 |
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