FR3118063A1 - Procédé de désextraction de l’uranium contenu dans un solvant - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte à un procédé de désextraction, autrement dit d’élution, de l’uranium contenu dans une phase organique en présence d’une solution aqueuse comprenant un mélange d’ion carbonate et d’ion hydroxyde.
Description
La présente invention se rapporte à un procédé de désextraction (ou « stripping » selon la terminologie anglo-saxonne), autrement dit d’élution, de l’uranium contenu dans une phase organique. En particulier le procédé est utile pour le traitement de phases organiques issues de procédé d’extraction par solvant de liqueurs uranifères résultantes de la lixiviation par voie acide de minerais uranifères, le procédé d’extraction par solvant mettant en œuvre un composé extractant de l’uranium de type amine.
Etat de la technique
Les techniques d'extraction liquide-liquide sont bien connues et utilisées depuis longtemps pour la récupération de l'uranium à partir de minerais uranifères. Dans un procédé d'extraction typique pour la récupération de l'uranium, le minerai uranifère est soumis à une étape de lixiviation durant laquelle le minerai est mis en contact avec un acide minéral, généralement de l’acide sulfurique, de manière à faire passer en solution l’uranium et récupérer une liqueur de lixiviation chargée en uranium (à l’état d’oxydation +VI). La liqueur de lixiviation est ensuite traitée dans une étape dite d’extraction qui est opérée de manière à récupérer de la manière la plus sélective possible l’uranium.
Trois procédés d'extraction principaux sont actuellement utilisés à cet effet : l'échange d'ions, l'échange d'ions avec une résine dans la pulpe et l'extraction par solvant. Ce dernier procédé a rapidement conquis l'industrie depuis sa mise en pratique au cours des années 1950 en raison de son rendement élevé et de la pureté importante de l'uranium produit.
Le procédé d’extraction liquide/liquide par solvant repose sur la propriété que possèdent certains extractants, qui sont des composés non miscibles à l'eau, à former des complexes solubles avec les sels d'uranium. Lorsqu'on met la solution de lixiviation riche en uranium (+VI), de préférence après une étape de clarification, en contact avec le solvant organique, l'uranium se partage entre la phase aqueuse et la phase organique. Dans des conditions opératoires appropriées, on peut ainsi extraire l'uranium presque quantitativement dans la phase organique tandis que la plupart des autres constituants de la liqueur de lixiviation demeurent dans la phase aqueuse. Après avoir mélangé les phases aqueuse et organique pour assurer le contact, on introduit le mélange des solutions dans un dispositif, par exemple dans un réservoir de décantation, pour séparer la phase organique plus légère chargée d'uranium de la phase aqueuse.
L’étape suivante du procédé d’extraction consiste à récupérer de manière sélective l’uranium contenu dans la phase organique. Selon une première méthode, l’uranium est directement précipité à partir de la phase organique avec un liquide aqueux contenant des ions hydroxydes. L'uranium précipité sous forme de diuranate est séparé et ensuite traité par des procédés bien connus dans l'industrie.
Une autre méthode consiste à épuiser l'uranium (+VI) de la phase organique en mettant en contact la phase organique avec une phase aqueuse présentant une composition qui modifie le coefficient de partage de l'uranium (+VI) en faveur de la phase aqueuse. On peut ainsi épuiser l'uranium, à partir de certaines solutions organiques (par exemple phosphate tributylique), avec de l'eau essentiellement pure. On peut également utiliser d'autres solutions organiques telles que les amines mais qui exigent la présence d'un anion (tels que les nitrates, chlorures ou carbonates) dans la phase aqueuse pour rompre le complexe uranium-composé organique. Dans cette méthode, l'uranium que l'on a fait passer dans la phase aqueuse est ensuite récupéré par précipitation par exemple sous forme de diuranate, en apportant une source d'ions hydroxydes dans le liquide aqueux chargé en uranium.
On connait dans l’état de la technique le document US 2,877,250 qui décrit un procédé de récupération de l’uranium d’une liqueur de lixiviation contenant des ions sulfates par mise en contact avec une phase organique contenant comme agent extractant un composé de type amine. La phase organique chargée en uranium est ensuite épuisée en uranium par mise en contact avec une solution aqueuse contenant des ions carbonate de manière à produire une solution aqueuse contenant de l’uranium en solution sous forme de tricarbonate d’uranyle UO2(CO3)3 4-.
Sans être liée à aucune théorie, les équations suivantes permettent d’illustrer les réactions chimiques qui sont mises en jeu dans un procédé de traitement d’une liqueur de lixiviation acide sulfatée par extraction par solvant utilisant une amine tertiaire comme extractant. Au contact des ions H+présents dans la liqueur de lixiviation, l’extractant amine R3N de la phase organique se protone pour former un complexe avec les ions sulfate selon la réaction (équation 1) :
Ce complexe est capable de fixer les ions uranyle par complexation.
Une propriété de l’uranium (+VI) qui est utilisée dans le traitement est son aptitude à former des complexes sulfatés, en particulier du trisulfate d’uranyle, lorsque le milieu est chargé en ions sulfates (typiquement à partir de 5g/L de SO4 2-).
Les ions trisulfate d’uranyle UO2(SO4)3 4-réagissent avec les amines pour former un complexe [amine-trisulfate d’uranyle] selon la réaction (équation 2) :
L’uranium est ainsi transféré de la phase aqueuse sulfatée dans la phase organique.
Après une étape de séparation des phases organique et aqueuse, la phase organique chargée en uranium est mise en contact avec une solution aqueuse de désextraction comprenant des ions carbonates, par exemple une solution de carbonate de sodium ou d’ammonium, capables de complexer l’uranium de manière à le transférer dans la phase (ou solution) aqueuse de désextraction.
En théorie, cette étape de désextraction s’appuie sur un mécanisme de déprotonation de l’amine qui fait perdre à cette dernière sa capacité à complexer l’uranium et sur la capacité des ions uranyles à former des complexes avec les ions carbonate, selon la réaction (équation 3) :
Dans le mécanisme réactionnel décrit ci-dessus, la désextraction de l’uranium (à l’état d’oxydation +VI) de la phase organique met en jeu un excès d’ions carbonate par rapport à l’uranium. Selon l’équation 3, sept moles d’ions carbonates par mole d’uranium sont nécessaires, dont quatre moles d’ions carbonates par mole d’uranium sont mises en jeu pour déprotoner l’amine et trois moles pour complexer l’uranium sous forme de tricarbonate d’uranyle. On notera que la réaction de complexation par les ions carbonate produit quatre moles de bicarbonate (également connu sous le vocable hydrogénocarbonate) par mole d’uranium.
La phase aqueuse enrichie en uranium qui est recueillie après l’étape de séparation de phases est ensuite traitée dans une réaction de précipitation de l’uranium, par exemple sous forme de diuranate de sodium Na2U2O7(SDU) au moyen d’une solution d’hydroxyde de sodium. A l’issue de l’étape de précipitation, la suspension de diuranate de sodium est soumise à une séparation solide/liquide qui produit un précipité d’uranium valorisable (également appelé « Yellow Cake » selon la terminologie anglo-saxonne) et une liqueur carbonatée.
Afin de limiter la consommation d’ions hydroxydes engagés dans l’étape de précipitation de l’uranium il est préconisé de procéder, en amont de cette étape, à une étape d’élimination d’une partie des ions bicarbonates contenus dans l’éluat aqueux de désextraction. L’élimination partielle des bicarbonates consiste par exemple à neutraliser les ions bicarbonates au moyen d’acide sulfurique dilué et/ou à chauffer la solution pour dégazer le dioxyde de carbone produit. Néanmoins cette méthode présente l’inconvénient de générer un effluent gazeux à effet de serre.
Un but de l’invention est de fournir un procédé de récupération de l’uranium présent dans une phase organique chargée en uranium qui génère moins d’effluent gazeux chargé en dioxyde de carbone et moins d’effluent liquide à traiter, qui est moins consommateur de carbonate et donc également plus économique.
Dans le cadre de la présente invention, les termes « solution aqueuse » et « phase aqueuse » sont équivalents et interchangeables tout comme les termes « solution organique », « phase organique » et « solvant » sont équivalents et interchangeables.
L’invention se rapporte donc à un procédé de désextraction de l’uranium présent dans une phase organique contenant un composé amine ou un mélange de composés amines de formule R3N, R étant choisi parmi l’hydrogène et un groupe alkyle en C6 à C18 éventuellement substitué et avec au moins un groupe R étant un groupe alkyle en C6 à C18 éventuellement substitué, le composé amine étant capable de former un complexe avec du sulfate d’uranyle, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) on met en contact dans un réacteur de mise en contact la phase organique avec une solution aqueuse de désextraction de l’uranium comprenant des ions carbonate de manière à transférer l’uranium dans la solution aqueuse par complexation, le pH de la solution aqueuse de désextraction étant choisi de sorte que l’uranium soit sous forme soluble ;
b) on effectue une étape de séparation liquide/liquide moyennant quoi on obtient une phase organique appauvrie en uranium et une solution aqueuse de désextraction chargée en uranium.
a) on met en contact dans un réacteur de mise en contact la phase organique avec une solution aqueuse de désextraction de l’uranium comprenant des ions carbonate de manière à transférer l’uranium dans la solution aqueuse par complexation, le pH de la solution aqueuse de désextraction étant choisi de sorte que l’uranium soit sous forme soluble ;
b) on effectue une étape de séparation liquide/liquide moyennant quoi on obtient une phase organique appauvrie en uranium et une solution aqueuse de désextraction chargée en uranium.
Le procédé est caractérisé en ce que la solution aqueuse de désextraction contient en outre des ions hydroxydes.
Le procédé selon l’invention se distingue donc des procédés connus en ce que l’étape de désextraction de l’uranium est conduite avec une solution aqueuse de désextraction (également appelée solution d’épuisement) comprenant non seulement des ions carbonates utiles pour assurer la complexation de l’uranium (+VI) mais également des ions hydroxydes qui ont pour rôle de convertir en partie les ions bicarbonates en carbonates ; les ions bicarbonate provenant de la réaction de déprotonation du complexe, par exemple [amine-trisulfate d’uranyle]. Cette conversionin situdes ions bicarbonates permet de limiter la quantité de bicarbonate présent dans la solution aqueuse de désextraction (solution d’épuisement) chargée en uranium recueillie à l’issue de l’étape b) de séparation et, par voie de conséquence, de réduire la quantité de dioxyde de carbone qui est dégazé avant de procéder à la précipitation de l’uranium. Grâce à cette régénération des ions carbonates, le procédé présente en outre l’avantage de réduire l’appoint de carbonates nécessaire pour le traitement de la phase organique et donc participe à une réduction des coûts opératoires.
Selon l’invention, le complexe [amine-sulfate d’uranyle] inclut notamment les complexes [amine-bisulfate d’uranyle] et [amine-trisulfate d’uranyle]. Cependant il est à noter que le procédé selon l’invention est particulièrement adapté pour traiter un solvant contenant le complexe [amine-trisulfate d’uranyle].
Le procédé selon l’invention peut comprendre aussi les étapes suivantes :
c) on met en contact la solution aqueuse chargée en uranium issue de l’étape b) avec une solution aqueuse contenant des ions hydroxydes de manière à produire une suspension contenant un précipité d’uranium ;
d) on réalise une séparation solide/liquide sur la suspension aqueuse moyennant quoi on obtient une phase solide contenant le précipité d’uranium et un effluent liquide carbonatée.
c) on met en contact la solution aqueuse chargée en uranium issue de l’étape b) avec une solution aqueuse contenant des ions hydroxydes de manière à produire une suspension contenant un précipité d’uranium ;
d) on réalise une séparation solide/liquide sur la suspension aqueuse moyennant quoi on obtient une phase solide contenant le précipité d’uranium et un effluent liquide carbonatée.
Avantageusement, le procédé selon l’invention comprend une étape e) dans laquelle on recycle à l’étape a) tout ou partie de l’effluent liquide issu de l’étape d). Ainsi l’effluent aqueux issu de séparation du concentré d’uranium qui contient des ions carbonate est avantageusement réutilisée à l’étape de désextraction. Ce recyclage partiel participe ainsi à limiter la consommation de carbonates dans le procédé.
Le procédé peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
Selon un mode de réalisation préféré, l’étape a) de désextraction est conduite en remplaçant une fraction des ions carbonates par des ions hydroxydes. Lorsque l’étape a) met en jeu au totalnmoles d’ions carbonates par mole d’uranium et dontmmoles d’ions carbonates par mole d’uranium sont utiles à la déprotonation du complexe, e.g. le complexe [amine-trisulfate d’uranyle], la solution de désextraction peut contenir entre (0,25*m) moles et (0,75*m) moles d’ions hydroxyde et entre (n-(0,25*m)) moles et (n-(0,75*m)) moles d’ions carbonates.
Ainsi selon l’invention la solution de désextraction mise en jeu peut comprendre 1 équivalent à (m-1) équivalents d’ions hydroxydes et de (n-1) équivalents à (n-m+1) équivalents d’ions carbonates. Cette manière d’opérer permet de contrôler le pH afin d’éviter toute augmentation excessive qui aurait pour conséquence une précipitation directe de l’uranium dans la solution de désextraction et/ou à l’interface phase organique et phase aqueuse.
On veillera de préférence à ce que le pH de solution aqueuse de désextraction (éluat) uranifère issu de l’étape b) soit compris entre 7 et 10, de préférence compris entre 7,3 et 8.
Le procédé selon l’invention est notamment applicable pour le traitement d’une phase organique chargée en uranium dans lequel pour l’étape a) un mécanisme réactionnel fait intervenir au total 7 moles d’ions carbonates par mole d’uranium (n=7) et dont 4 moles d’ions carbonates par mole d’uranium (m= 4) sont impliqués dans la déprotonation du complexe [amine-trisulfate d’uranyle]. Selon un mode de réalisation très préféré, on remplace 1 équivalent à 3 équivalents d’ions carbonates par 1 équivalent à 3 équivalents d’ions hydroxydes, c’est-à-dire qu’à l’étape a) on apporte au total 6, 5 ou 4 équivalents d’ions carbonates et respectivement 1, 2 ou 3 équivalents d’ions hydroxydes.
Dans le cadre de l’invention, les ions hydroxydes sont apportés à l’étape a) par une solution aqueuse d’hydroxyde d’un métal alcalin ou d’hydroxyde d’ammonium.
L’injection de la solution aqueuse contenant les ions hydroxyde dans le réacteur de mise en contact peut être réalisée via une ligne d’injection dédiée indépendante de la ligne d’injection de la solution aqueuse de carbonate ou bien les deux solutions sont préalablement mélangées et ledit mélange est alors ajouté dans le réacteur de mise en contact.
L’amine ou le mélange d’amines non miscibles à l’eau de la phase organique est une amine primaire, secondaire ou tertiaire aliphatique en C8 à C18, de préférence en C8 à C12 et dont la chaine aliphatique est éventuellement substituée. De préférence, l’amine tertiaire est choisie parmi la trioctylamine, la tridodécylamine. Le composé amine peut aussi être une amine primaire telle que la tridécylamine ou une amine secondaire telle que la didodécylamine, la dioctadécylamine et la dihexylamine. On peut notamment utiliser un mélange d’amines Alamine® 336 ou Adogen® 364.
De préférence, la phase organique comprend en outre un diluant hydrocarboné ramifié ou linéaire non miscible à l’eau. Le diluant peut être choisi parmi les hydrocarbures aliphatiques ou aromatiques tels que par exemple le kérosène, le benzène, le toluène, le naphta. La phase organique peut également comprendre un agent modificateur de phase, tel que l’isotridécanol, afin de faciliter la séparation de phase.
Le procédé selon l’invention peut également inclure une étape b’) dans laquelle on élimine une partie des ions bicarbonates de la solution aqueuse de désextraction chargée en uranium (issue de l’étape b) de séparation des phases organique et aqueuse) par un dégazage sous forme de CO2.
L’étape a) de mise en contact des phases aqueuse et organique est réalisée dans des mélangeurs-décanteurs ou des colonnes agitées ou pulsées selon un mode continu ou discontinue avec une circulation à co-courant ou contre-courant des phases aqueuse et organique. De préférence l’étape a) met en œuvre plusieurs mélangeurs-décanteurs en série, par exemple 3 ou 4 mélangeurs-décanteurs avec une circulation à contre-courant des phases aqueuse et organique.
Dans un mode de réalisation, on réalise l’apport de la solution contenant des ions hydroxydes au niveau du premier étage de désextraction, par exemple au niveau du mélangeur-décanteur dans lequel est introduite la phase organique chargée en uranium et d’où est extrait l’éluat (phase aqueuse) uranifère. Selon ce mode de réalisation que l’on pourrait qualifier de circulation mixte à contre-courant et à co-courant de la solution de carbonate, on introduit une fraction de la solution de carbonate nécessaire à la désextraction au niveau du premier étage de désextraction (e.g. dans le premier mélangeur-décanteur) concomitamment à l’addition de la solution de contenant des ions hydroxydes tandis que la fraction complémentaire de la solution de carbonate est envoyée au dernier étage d’extraction (e.g. dans le dernier mélangeur-décanteur). Ce mode de réalisation présente l’avantage de faciliter le maintien du pH de la phase aqueuse à une valeur supérieure à 7 afin d’éviter une précipitation de l’uranium à l’interface phase organique/phase aqueuse mais également de limiter la consommation en carbonates.
Le procédé selon l’invention est apte à fournir un précipité d’uranium sous forme de diuranate de sodium lorsque que l’étape de précipitation c) utilise une base telle que l’hydroxyde de sodium.
Dans un mode de réalisation, on produit les ions hydroxydes par caustification d’une partie de l’effluent liquide carbonatée issu de l’étape d) et ladite solution d’hydroxyde de sodium est envoyée à l’étape a).
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence à la figure annexée :
Dans ce qui suit les termes « solvant » et « phase organique » sont équivalents et il en est de même pour les termes « solution aqueuse » et « phase aqueuse ».
Le procédé représenté sur la est prévue pour le traitement d’une phase organique chargée en uranium en vue d’en réextraire l’uranium qu’elle contient.
La phase organique est typiquement un produit issu d’une unité d’extraction par solvant qui traite une liqueur acide et sulfatée de lixiviation, provenant de l’attaque d’un minerai uranifère par de l’acide sulfurique. L’unité d’extraction qui gère ce genre de lixiviat met en œuvre un solvant organique comprenant comme molécule extractante un composé de type amine, non miscible à l’eau, de formule R3N dans lequel le groupe R est choisi parmi l’hydrogène ou un radicale alkyle en C6 à C18, étant entendu qu’au moins un groupe R est un groupe alkyle.
De préférence l’extractant est une amine tertiaire aliphatique R3N dans laquelle R est choisi parmi des radicaux alkyles, éventuellement substitués, ayant de 6 à 18 atomes de carbone (C6 à C18) et de préférence ayant de 9 à 12 atomes de carbone. En milieu acide sulfurique concentré, ces amines ont une très forte affinité vis-à-vis des ions UO2(SO4)3 3-et faible pour les ions SO4 2-et HSO4 -. On peut citer par exemple comme composé de type amine le trinormaloctylamine, la triisooctylamine et la trilaurylamine et leur mélange.
Le solvant peut comprendre, le cas échéant, un diluant organique dans lequel est dissoute l’amine afin notamment de réduire sa viscosité et faciliter ainsi son emploi. Parmi les diluants utilisés, on peut citer les hydrocarbures aliphatiques ou aromatiques tels que le kérosène, le benzène, le toluène, le naphta. Le diluant préféré est le kérosène. La concentration de l’extractant (amine R3N) dans le diluant peut varier dans de larges limites comprises entre 0,05 mol/L et l’extractant pur. D’un point de vue pratique, on préfère utiliser une solution organique contenant entre 0,1 et 0,2 mol/L d’extractant.
La solution aqueuse uranifère (ou lixiviat) est mise en contact avec le solvant d'extraction, de façon discontinue ou continue en circulation à co-courant ou à contre-courant des phases aqueuse et organique. Le rapport de la phase aqueuse à la phase organique est choisi pour que l'élimination de l'uranium soit la plus efficace. Des rapports de la phase organique sur la phase aqueuse de 1/10 à 2/1 sont appropriés pour atteindre le rendement d’extraction souhaité, qui est d’au moins 99%. D’un point de vue pratique, le rapport des phases est ajusté pour que la teneur en uranium dans le solvant désuranié soit inférieure ou égale à 1 ppm.
On effectue habituellement la mise en contact des phases dans des dispositifs appelés "mélangeurs-décanteurs" bien qu’il existe de nombreux autres types de dispositifs appropriés tels que par exemple des colonnes agitées ou des colonnes pulsées.
Dans un système de type « mélangeur-décanteur », une phase est dispersée dans l'autre par brassage ou par une autre forme appropriée d'agitation. Le solvant d’extraction forme ensuite un complexe avec l'uranium qui passe dans la phase organique. La dispersion des deux phases s'écoule ensuite dans le décanteur où la séparation des phases se produit au repos. Généralement on effectue l'extraction entre 20 et 60°C, de préférence entre 20 et 45°C et avec un rapport volumique de la phase organique sur la phase aqueuse (rapport O/A) généralement compris entre 1/10 et 2.
La phase organique qui est alors chargée en uranium extrait de la solution de lixiviation acide uranifère est ensuite traitée par contact avec une solution aqueuse de désextraction contenant un agent d'entraînement (extractant) capable de réaliser le transfert de l'uranium de ladite phase organique dans la phase aqueuse de désextraction.
Selon l’invention, la phase aqueuse de désextraction est une solution de carbonate de sodium ou d’ammonium. De préférence on utilise une solution de carbonate de sodium par rapport au carbonate d’ammonium car elle permet de fournir une solution de concentré de désextraction totalement soluble et à une concentration nettement supérieure en uranium.
En référence à la , la phase organique uranifère 1 est envoyée dans une unité de désextraction 2 qui peut comprendre une pluralité de batteries de mélangeur-décanteurs en série, dans laquelle elle est mise en contact avec une solution aqueuse de carbonate de sodium qui est apportée par la ligne 3.
Selon l’invention, l’étape de désextraction met également en jeu des ions hydroxyde qui sont amenés par la ligne 4 sous la forme d’une solution aqueuse d’hydroxyde d’un métal alcalin, de préférence une solution d’hydroxyde de sodium. Dans le cadre de l’invention, il est tout à fait possible de procéder à un mélange en ligne des solutions carbonatée et d’hydroxyde d’un métal alcalin avant d’envoyer ledit mélange dans l’unité de désextraction 2.
Le procédé selon l’invention est fondé sur le principe selon lequel les ions carbonate participent à la désextraction de l’uranium complexé d’une part en réagissant avec le complexe, en particulier avec le complexe [amine-trisulfate d’uranyle], en déprotonant l’amine pour libérer le trisulfate d’uranyle et, d’autre part, en complexant l’uranyle (UO2 2-) sous forme de tricarbonate d’uranyle, qui est soluble en milieu aqueux. De manière générale, le mécanisme réactionnel met en jeu au totalnmoles d’ions carbonate par mole d’uranium, dontmmoles d’ions carbonate sont impliqués dans la déprotonation de l’amine et (n-m) moles par mole d’uranium participent à la complexation de l’uranium. Par exemple les nombresnetmsont respectivement égaux à 7 et 4.
Cette étape de désextraction génère des ions bicarbonates (voir équation 3) qui, selon l’invention, sont en partie convertis par les ions hydroxydes présents dans la solution de désextraction, conduisant ainsi à une régénérationin situdes ions carbonates ; c’est-à-dire au sein même de l’unité de désextraction 2. Les ions carbonates régénérés sont disponibles pour participer de nouveau au mécanisme de désextraction de l’uranium. Le procédé répond ainsi à la problématique de fournir un procédé plus économe en carbonate et moins émetteur de dioxyde de carbone dans l’atmosphère tout en conservant un rendement de désextraction élevé de l’uranium.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la quantité d’ions hydroxyde qui est introduite avec la solution carbonatée de désextraction sert à remplacer une fraction des ions carbonate qui participent au processus de désextraction. De préférence le nombre de mole d’ions hydroxydes est compris entre 25% et 75% du nombre de molesmd’ions carbonates par mole d’uranium qui sont théoriquement engagés dans la réaction de déprotonation de l’amine du complexe [amine-sulfate d’uranyle] (par exemple le complexe [amine-bisulfate d’uranyle] ou [amine-trisulfate d’uranyle]. Cette quantité est choisie notamment pour maintenir le pouvoir tampon du couple acido-basique carbonate/bicarbonate de manière à garantir un pH de la solution de désextraction à une valeur comprise entre 7 et 11 afin de prévenir la précipitation de l’uranium dans la phase aqueuse.
A titre d’illustration, lorsque l’étape a) de désextraction met en jeu au total 7 moles d’ion carbonates par mole de complexe [amine-trisulfate d’uranyle] et dont 4 moles sont engagées dans la réaction de déprotonation du complexe [amine-trisulfate d’uranyle], il est possible dans le cadre de l’invention de remplacer 1, 2 ou 3 moles d’ions carbonates par respectivement 3, 2 ou 1 moles d’ions hydroxydes pour réaliser une régénération partielle des ions carbonates en convertissant les ions bicarbonates produits lors de la déprotonation de l’amine du complexe [amine-trisulfate d’uranyle].
L’étape a) de mise en contact des phases aqueuse et organique peut être conduite de façon discontinue, de façon continue à co-courant ou de préférence de façon continue à contre-courant.
De préférence, l’opération est réalisée selon un mode continu avec une circulation à contre-courant des phases aqueuse et organique dans une unité de désextraction 2 comprenant une batterie de dispositifs de type « mélangeur/décanteur » agencés en série, chaque mélangeur/décanteur fournissant l’équivalent d’un étage de contact. Dans un mélangeur, la phase aqueuse est dispersée dans la phase organique de manière à favoriser le transfert de l’uranium dans la solution aqueuse carbonatée. La dispersion s’écoule ensuite dans un décanteur où a lieu la séparation des phases.
Généralement on effectue l’étape a) à une température comprise entre 20 et 60°C.
En général, le rapport volumique (O/A) de la phase organique sur la phase aqueuse est généralement compris entre 4 et 10, mais n'est pas limité à cette plage. De préférence on opère avec un rapport (O/A) compris entre 5 et 8.
Comme indiqué dans la , on soutire de l’unité de désextraction 2 une phase aqueuse 5 (également dénommée par le vocable « éluat ») enrichie en uranium (+VI) (qui est sous forme d’un complexe tricarbonate d’uranyle) et une phase organique 6 épuisée en uranium qui peut être recyclée à l’étape d’extraction de l’uranium, après éventuellement un traitement.
En référence à la , l’éluat aqueux 5 chargé en uranium et dont le pH est généralement compris entre 7 et 10 (de préférence compris entre 7,3 et 8), est envoyé à l’étape suivante de précipitation de l’uranium, par exemple sous forme de diuranate d’un métal alcalin, de préférence sous la forme de diuranate de sodium.
A cette fin, l’éluat 5 est mis en contact dans une unité de précipitation 7 avec un agent de précipitation apporté par la ligne 8. L’agent de précipitation est généralement une solution d’hydroxyde d’un métal alcalin, de préférence une solution d’hydroxyde de sodium ou de potassium. Dans un mode de réalisation préféré on emploiera une solution d’hydroxyde de sodium.
Cette étape de précipitation de diuranate est réalisée dans un réacteur agité bien connu de l’Homme du métier avec un appoint d’une quantité d’ions hydroxyde suffisante pour atteindre un pH compris entre 11 et 13. De préférence on utilise une solution d’hydroxyde la plus concentrée possible afin de limiter le phénomène de dilution.
Les réactions qui se déroulent au sein du réacteur de précipitation pour l’uranium sont la réaction de décomplexation du tricarbonate d’uranyle et la précipitation diuranate de sodium selon l’équation 4 :
Comme indiqué sur la , afin de réduire la consommation d’ions hydroxydes à l’étape précipitation, il est avantageux en amont de l’étape de précipitation du concentré d’uranium de prétraiter l’éluat 5 dans une unité de conversion 9 des ions hydrogénocarbonate. Cette opération consiste notamment à chauffer l’éluat uranifère afin de favoriser la réaction suivante (équation 5) :
qui permet ainsi de convertir les ions bicarbonates en CO2et de générer par ailleurs des ions carbonates. A l’issue de ce traitement, on obtient ainsi un éluat uranifère partiellement décarbonatée 5’ qui sert de charge dans l’unité de précipitation 7.
qui permet ainsi de convertir les ions bicarbonates en CO2et de générer par ailleurs des ions carbonates. A l’issue de ce traitement, on obtient ainsi un éluat uranifère partiellement décarbonatée 5’ qui sert de charge dans l’unité de précipitation 7.
On notera que même si l’on met en œuvre à cette étape de conversion des ions bicarbonates en dioxyde de carbone, la quantité de CO2rejetée est toutefois moindre par rapport au procédé de l’art antérieur dans lequel on ne réalise pas une régénérationin situdu carbonate à partir de bicarbonate.
La suspension aqueuse de diuranate sodium qui est extraite de l’unité de précipitation 7 par la ligne 10 est envoyée dans un dispositif de séparation solide/liquide 11, duquel on sépare un gâteau humide 12 de diuranate de sodium et un effluent liquide 13 contenant essentiellement du carbonate de sodium. Dans le cadre de l’invention toute technique de séparation solide/liquide peut être utilisée pour récupérer le solide de concentré d’uranium, telle que la filtration ou la centrifugation.
L’effluent liquide 13 qui est une solution contenant des ions carbonate est avantageusement recyclée via une ligne 14 vers l’unité de désextraction 2. Le recyclage de l’effluent liquide peut être partiel afin de limiter la quantité de métaux non désirables désextraits avec l’uranium (tels que le molybdène et le zirconium) qui sont renvoyés à l’étape de désextraction. Il est ainsi prévu une ligne 15 connectée à la ligne 14 permettant de purger une partie de l’effluent liquide. Généralement le taux de recyclage de l’effluent liquide (volume recyclé/volume total) est compris entre 30 et 50%.
Selon un mode de réalisation, l’effluent liquide carbonaté 15 qui n’est pas recyclé dans l’unité de désextraction est avantageusement utilisé pour la production de soude dans une unité dite de caustification 16. Dans une telle unité de caustification 16, la solution contenant des ions carbonates sont traités en présence d’une solution d’hydroxyde de calcium (ou lait de chaux) moyennant quoi on obtient une suspension comprenant du carbonate de calcium solide et de l’hydroxyde de sodium.
Après une séparation solide/liquide, on récupère d’une part un gâteau de carbonate de calcium 17 et d’autre part une lessive d’hydroxyde de sodium qui peut être recyclée dans l’unité de désextraction 2 par les lignes 18 et 4.
Exemple 1 (comparatif)
La représente la configuration d’une unité de désextraction adoptée classiquement pour la désextraction de l’uranium par mise en contact, à contre-courant, d’une solution aqueuse de carbonate de sodium avec un solvant chargé en uranium.
L’unité de désextraction comprend trois mélangeurs-décanteurs 20, 21 et 22 agencés en série. Le solvant chargé en uranium alimente le premier mélangeur/décanteur 20 via la ligne 23 tandis que la phase aqueuse de désextraction de l’uranium est apportée dans le dernier mélangeur/décanteur 22 via la ligne 27 et circule à contre-courant de la phase organique vers les mélangeurs-décanteurs 21 puis 20. La phase organique appauvrie en uranium est soutirée du mélangeur/décanteur 22 par la ligne 26 tandis que l’éluat aqueux chargé en uranium est prélevé du mélangeur/décanteur 20 via la ligne 30.
Le solvant chargé en uranium utilisé dans cet exemple est issu d’un procédé d’extraction liquide/liquide d’un lixiviat d’un minerai uranifère du site minier à Somaïr au Niger mettant en œuvre quatre mélangeurs-décanteurs en série avec une circulation à contre-courant de la phase organique et du lixiviat et avec un rapport (O/A) de 0,25 (vol/vol). Le solvant organique utilisé est un mélange comprenant 8% v/v Alamine 336, 7% v/v Isodécanol, dilués dans un diluant Isane IP 185® (mélange d’isoparaffines en C11 à C13).
Le solvant chargé en uranium est en outre lavé à l’eau avec un rapport (O/A) de 2 (vol/vol) à 40°C.
Le tableau 1 donne la composition du solvant uranifère après lavage à l’eau :
Dans chacun des étages de désextraction, 20 mL de phases aqueuse et organique sont prélevés, filtrés et analysés par Spectrométrie d’émission atomique – plasma à couplage inductif (ICP-AES selon la terminologie anglo-saxonne). Pour l’analyse des phases organiques on procède d’abord à une filtration sur un filtre « Phase Separator Whatman® 1PS », qui permet d’éliminer les traces d’eau éventuellement co-extraites. Les solvants sont minéralisés, repris en milieu HNO3, puis analysés par ICP-AES
L’unité de désextraction est opérée conformément à l’art antérieur, c’est-à-dire en employant comme solution aqueuse de désextraction une solution de carbonate de sodium à 150 g/L, laquelle est injectée dans le mélangeur-décanteur 27.
Les débits des phases aqueuse et organique sont fixés à 0,065 L/h et 0,4L/h respectivement de manière à imposer un rapport O/A d’environ 6 (vol/vol) à 40°C et avec un débit de phase aqueuse entre les mélangeurs/décanteurs de 0,2 L/h.
Le tableau 2 regroupe les compositions de phases aqueuses et organiques qui sont collectées respectivement par les lignes 30 et 26 :
On peut déterminer à partir des analyses des flux entrant et sortant que le rendement de désextraction de l’uranium est supérieur à 99,9% pour un débit de récupération d’environ 2,5 g d’uranium/h.
Exemple 2 (selon l’invention)
L’essai a été réalisé avec la même phase organique chargée en uranium que l’exemple 1 dont la composition est donnée dans le tableau 1.
L’unité de désextraction mise en œuvre dans cet exemple selon l’invention est représentée à la qui diffère de celle de la en ce qu’elle comprend une ligne 31 destinée à introduire une solution de soude, laquelle est connectée au mélangeur-décanteur 20 dans lequel est injectée la phase organique chargée en uranium.
Dans cet exemple la quantité d’ions OH-introduite est ajustée de manière à remplacer un équivalent d’ion carbonate sur les sept équivalents normalement impliqués dans le processus de désextraction.
Une seule alimentation en solution aqueuse de carbonate de sodium à 150 g/L est utilisée pour apporter la solution de désextraction dans le mélangeur-décanteur 22 (par la ligne 27). La solution de désextraction circule ainsi à contre-courant de la phase organique qui est introduite dans le mélangeur-décanteur 20 par la ligne 23.
Progressivement le débit de d’alimentation en carbonate de sodium est réduit, afin de remplacer les ions CO3 2-par des ions OH-apportés via la ligne 31. L’ajout de soude est ainsi réalisé au niveau du premier étage où les ions carbonates sont principalement consommés et transformés en ions hydrogénocarbonate.
A l’état stationnaire du système, la solution de soude à 58 g/L est envoyée dans le mélangeur/décanteur 20 à un débit d’environ 9 mL/h tandis que la solution de carbonate de sodium à 150 g/L est injectée dans le mélangeur/décanteur 22 à un débit d’environ 56 mL/h de manière à maintenir un rapport de phase O/A égal à 6 (vol/vol).
Les titrages potentiométriques acido-basiques réalisés sur les éluats démontrent l’absence d’ions OH-libres, confirmant que ceux-ci sont quantitativement consommés pour régénérer les ions CO3 2- in situ.
L’analyse de l’uranium par ICP-AES de l’éluat chargé en uranium soutiré du mélangeur-décanteur 20 indique une teneur de 45,4 g/L d’uranium.
Ainsi la substitution d’un équivalent d’ion carbonate par un équivalent d’ions hydroxydes permet d’atteindre un rendement de désextraction en uranium supérieur à 99,9%.
En comparant les résultats expérimentaux des exemples 1 et 2, on constate que la teneur en uranium dans l’éluat reste identique, ce qui permet de conclure que le remplacement partiel des ions carbonates par des ions hydroxyde assure la même performance de désextraction de l’uranium par rapport à l’utilisation d’une solution de carbonate seule. Par ailleurs on observe que le désengagement des phases organique et aqueuse n’est pas modifié car les phases aqueuses restent limpides. Pour terminer, les dosages acido-basiques effectués sur les éluats ont démontré l’absence d’ions hydroxydes résiduels, confirmant ainsi la consommation totale des OH-par les ions hydrogénocarbonates.
Exemple 3 (selon l’invention)
L’unité de désextraction utilisée pour l’exemple 3 est représentée à la , elle diffère de celle de la en ce qu’il comporte une ligne 32 d’alimentation d’une solution de carbonate de sodium et d’hydroxyde de sodium dans le mélangeur-décanteur 20 dans lequel est introduite la phase organique uranifère à traiter.
Dans la configuration testée on met en place deux alimentations de solutions aqueuses de carbonate de sodium ; une première injection (par la ligne 32) d’une solution de carbonate à une concentration en Na2CO3de 180 g/L est réalisée dans le mélangeur/décanteur 20 et une seconde injection (ligne 27) est implémentée dans le mélangeur/décanteur 22 avec une solution de Na2CO3à la concentration à 70 g/L. Ainsi l’alimentation des solutions de Na2CO3à 70 g/L et à 180 g/L sont faite à contre-courant et à co-courant du solvant respectivement.
Il est à noter que dans cette configuration les rapports des phases organique et aqueuse sont différents au sein des mélangeurs/décanteurs de désextraction. Ainsi pour les mélangeurs/décanteurs 21 et 22, le rapport de phase O/A est de 10 (imposé par le débit de la solution de Na2CO3à 70 g/L), tandis qu’au sein du mélangeur/décanteur 20 le rapport de phase O/A est de 5 qui est imposé par la somme des deux débits d’alimentation des solutions de carbonate de sodium à 70 g/L et à 180 g/L.
Dans un premier temps l’unité de désextraction est opérée à une température de 35°C sans injection d’ions OH-et avec des débits pour les solutions de carbonate de sodium à 180 g/L (envoyé dans le mélangeur/décanteur 20) et à 70 g/L (envoyé dans le mélangeur/décanteur 22) qui sont de 47 mL/h et de 40 mL/h respectivement.
Dans la configuration de l’exemple 3, deux modes de substitution partielle des ions CO3 2-par des ions OH-ont été testés à savoir en remplaçant un équivalent puis deux équivalents d’ions carbonates par des ions OH-. A cette fin, une solution de mélange de soude et de carbonate de sodium respectivement à 10 g/L et 153 g/L est introduite par la ligne 32 dans le mélangeur-décanteur 20 où les ions carbonate sont principalement consommés. Pour réduire le nombre d’équivalents en ions CO3 2-et les compenser par les ions OH-, la concentration de la solution en carbonate de sodium initialement fixée à 180 g/L est réduite tandis que parallèlement la concentration de la solution de soude est augmentée dans le mélange qui est injecté dans le mélangeur/décanteur 20.
Il est à noter qu’afin de prévenir la précipitation d’uranium à l’interface phase organique/phase aqueuse, le pH de la phase aqueuse a été maintenu supérieur à 7.
Le tableau 3 ci-dessous regroupe les conditions opératoires appliquées à l’état stationnaire pour la configuration décrite à la .
Les différents flux des essais avec et sans substitution partielle des ions carbonate par des ions hydroxydes ont été collectés et leurs teneurs en uranium, déterminées par ICP-AES et selon la méthode Davies & Gray sur les éluats concentrés en uranium, sont données dans le tableau 4.
On constate ainsi que la teneur en uranium des éluats récupérés après une désextraction en présence d’ions carbonates et d’ions hydroxydes présentent une valeur comparable à celle d’un éluat collecté après une désextraction du solvant par une solution de carbonate seule. Les rendements de récupération de l’uranium sont de l’ordre de 99,9%. Ces essais confirment qu’il est possible de conduire une désextraction de l’uranium avec une régénérationin situdes ions CO3 2-par OH-sans nuire à l’efficacité de la récupération de l’uranium.
Exemple 4
Cet exemple permet de vérifier si la qualité des éluats générés dans l’exemple 4 permet de récupérer l’uranium sous forme solide et en particulier sous forme de diuranate de sodium.
A cette fin on procède de la manière suivante :
a) l’éluat concentré en uranium est mis en contact avec une solution de soude à 150 g/L pendant 6h à 70°C afin de précipiter du diuranate de sodium. La suspension après une étape de floculation est filtrée afin de récupérer un gâteau de diuranate de sodium ;
b) le gâteau est remis en suspension dans une solution d’acide sulfurique à pH égal à environ 3 – 3,5 de manière à solubiliser l’uranium tout en maintenant le zirconium sous forme d’un précipité colloïdal ;
c) la suspension acidifiée est ensuite filtrée pour récupérer un filtrat uranifère ;
d) le filtrat est remis en contact avec une solution de soude à 150 g/L pendant 6h à 70°C afin de précipiter du diuranate de sodium.
e) la suspension de diuranate de sodium est filtrée pour séparer le précipité qui est ensuite séché afin de fournir du Yellow Cake.
a) l’éluat concentré en uranium est mis en contact avec une solution de soude à 150 g/L pendant 6h à 70°C afin de précipiter du diuranate de sodium. La suspension après une étape de floculation est filtrée afin de récupérer un gâteau de diuranate de sodium ;
b) le gâteau est remis en suspension dans une solution d’acide sulfurique à pH égal à environ 3 – 3,5 de manière à solubiliser l’uranium tout en maintenant le zirconium sous forme d’un précipité colloïdal ;
c) la suspension acidifiée est ensuite filtrée pour récupérer un filtrat uranifère ;
d) le filtrat est remis en contact avec une solution de soude à 150 g/L pendant 6h à 70°C afin de précipiter du diuranate de sodium.
e) la suspension de diuranate de sodium est filtrée pour séparer le précipité qui est ensuite séché afin de fournir du Yellow Cake.
Le tableau 5 regroupe les teneurs en uranium du précipité après séchage.
On observe que les teneurs des Yellow Cake sont quasi-identiques. Par ailleurs aucune différence n’a été notée concernant les cinétiques de précipitation dans la mesure où toutes les réactions de précipitation sont quantitatives pour le temps de séjour imposé. Enfin, les filtrations se sont déroulées correctement, pour les solides issus des trois configurations.
Claims (14)
- Procédé de désextraction de l’uranium présent dans une phase organique chargée en uranium et contenant un composé amine ou un mélange de composés amines de formule R3N, R étant choisi parmi l’hydrogène et un groupe alkyle en C6 à C18 éventuellement substitué et avec au moins un groupe R étant un groupe alkyle en C6 à C18 éventuellement substitué, le composé amine étant capable de former un complexe avec du sulfate d’uranyle, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) on met en contact la phase organique avec une solution aqueuse de désextraction de l’uranium comprenant des ions carbonates de manière à transférer l’uranium dans la solution aqueuse par complexation, le pH de la solution aqueuse de désextraction étant choisi de sorte que l’uranium reste sous forme soluble ;
b) on effectue une étape de séparation liquide/liquide moyennant quoi on obtient une phase organique appauvrie en uranium et une solution aqueuse de désextraction chargée en uranium ;
le procédé étant caractérisé en ce que la solution aqueuse de désextraction contient en outre des ions hydroxydes. - Procédé selon la revendication 1, comprenant les étapes suivantes :
c) on met en contact la solution aqueuse issue de l’étape b) avec une solution aqueuse contenant des ions hydroxyde de manière à produire une suspension contenant un précipité d’uranium ;
d) on réalise une séparation solide/liquide sur la suspension aqueuse moyennant quoi on obtient une phase solide de précipité d’uranium et un effluent liquide contenant des ions carbonate. - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu’il comprend une étape e) dans laquelle on recycle à l’étape a) tout ou partie de l’effluent liquide issu de l’étape d).
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) met en jeu théoriquementnmoles d’ions carbonate par mole d’uranium dontmmoles d’ions carbonate par mole d’uranium sont utiles à la déprotonation d’un complexe d’amine-sulfate d’uranyle et dans lequel la solution de désextraction contient entre (0,25*m) moles et (0,75*m) moles d’ions hydroxyde et entre (n-(0,25*m)) moles et (n-(0,75*m)) moles d’ions carbonates.
- Procédé selon la revendication 4, dans lequel la solution de désextraction comprend de 1 équivalent à (m-1) équivalents d’ions hydroxyde et de (n-1) équivalents à (n-m+1) équivalents d’ions carbonate.
- Procédé selon les revendications 4 ou 5, dans lequelnest égal à 7 etmest égal à 4.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel à l’étape a) on apporte une solution aqueuse d’hydroxyde d’un métal alcalin ou d’hydroxyde d’ammonium.
- Procédé selon la revendication 7, dans lequel la solution aqueuse d’hydroxyde d’un métal alcalin est une solution d’hydroxyde de sodium.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel composé amine ou un mélange de composés amines de formule R3N est une amine tertiaire aliphatique en C8 à C12.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’étape a) de mise en contact des phases aqueuse et organique est réalisée dans des mélangeurs-décanteurs, des colonnes pulsées ou des colonnes agitées selon un mode de circulation à co-courant ou contre-courant des phases aqueuse et organique.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la phase organique comprend en outre un diluant hydrocarboné non miscible à l’eau.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la phase organique chargée en uranium est obtenue par mise en contact d’une solution de lixiviation sulfatée uranifère avec une phase organique contenant le composé amine ou un mélange de composés amines de formule R3N.
- Procédé selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le pH de la solution aqueuse de désextraction chargée en uranium issue de l’étape b) est compris entre 7 et 10.
- Procédé selon l’une des revendications 2 à 13, dans lequel les ions hydroxydes sont produits par caustification d’une partie de l’effluent liquide issu de l’étape d).
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| KATHRYN C SOLEA ET AL: "Solvent Extraction and Ion Exchange Applications in Africa's Resurging Uranium Industry: A Review", SOLVENT EXTRACTION AND ION EXCHANGE, TAYLOR & FRANCIS GROUP LLC, US, vol. 29, no. 5-6, 1 January 2011 (2011-01-01), pages 868 - 899, XP009178942, ISSN: 0736-6299, DOI: 10.1080/07366299.2011.581101 * |
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