[发明专利]一种电解制备四价铀的装置及方法

说明书

本公开涉及一种电解制备四价铀的方法，该方法包括：将含有硝酸铀酰的料液通过循环泵(4)从所述料液入口(6)送入所述极室(5)，在所述极室(5)中进行恒流电解，然后从所述料液出口(7)返回至料液罐(3)，所述料液在料液罐和极室之间维持循环。本公开提供的电解制备四价铀的装置采用了单室结构，其结构简单、操作和维修均非常方便，且本公开的方法可以在高电流密度的条件下稳定的运行；料液单独储存在带有夹套的料液罐中，可以实现料液的恒温；利用本公开提供的电解制备四价铀的装置及方法制备四价铀，避免了对料液造成稀释的不足，显著提高了四价铀的制备效率；反应产生的气体从极室排出，降低体系电阻，减缓了溶液的升温。

技术领域

本公开涉及核化工领域，具体地，涉及一种电解制备四价铀的装置及方法。

背景技术

在PUREX流程的铀钚分离阶段，由于四价铀具有不引入杂质、不增加废液盐含量等优势，目前所有的商用后处理厂均采用四价铀作为还原剂，将有机相中的四价钚还原为不易萃取的三价，从而实现铀钚的相互分离。目前四价铀的制备方法主要有电解还原法、肼还原法和氢还原法等。肼还原法与氢还原法具有四价铀产率高的优势，但存在反应条件苛刻、催化剂更换成本高、NH₄NO₃副产物等问题。电解还原法无需额外添加还原剂，在通电条件下，UO₂²⁺在阴极得到电子即可生成U(IV)。此方法设备结构简单、维护容易，反应条件温和，过程易控等优势。

电解制备四价铀的装置大体可分为有隔膜和无隔膜两类。有隔膜电解过程采用隔膜分隔阴阳极室，阴极液和阳极液分别采用独立的泵和管路系统，结构相对复杂，但可制得较高四价铀产率的产品溶液。但是，在电场作用下，H⁺(以水合离子形式)从阳极室迁移到阴极室，会导致产品溶液的体积增大，使得四价铀的浓度有所降低。无隔膜电解装置结构简单，运行维护少，但随着四价铀浓度的逐渐升高，其会被阳极直接氧化或被阳极氧化产物间接氧化，因此四价铀产率较低。此外，目前文献所报道的无隔膜电解装置，通常只能在低电流密度(20mA/cm²)条件下运行，这增加了设备的运行时间，降低了生产效率。

文献一(电解制备四价铀技术研究，《化工管理》2017年10月)公开了一种电解制备四价铀的电解槽及方法，该装置采用镀铂钛网为阳极，钛金属板为阴极建立了材质为不锈钢的无隔膜电解槽装置。研究表明，当电流密度分别由8mA/cm²升至30mA/cm²，电解平衡时间由8.5h减少至2.5h，四价铀转化率由79％降低至63.6％。由此认为，选择电流密度在14mA/cm²左右较为合适，电流密度不可过高。

文献二(电解槽制备四价铀技术在中试厂的应用研究，《核技术工业应用》，2011年，第2卷，第137-144页)公开了一种电解制备四价铀的电解槽及方法，该方法采用气搅拌的方式增强传质和传热，以250g/L的硝酸铀酰为原料，可制备浓度160g/L以上的四价铀。当电流密度为14-18mA/cm²，电解还原产率可达到较好水平。但是其采用氮会产生大量需要处理的放射性气体需要处理。

文献三(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)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/cm²之间。

文献四(专利申请201310743451.X)公开了一种以圆筒形的钛网为阴极，将阳极置于阴极的中心的无隔膜电解装置。阴极的表面积远大于阳极，减少了四价铀在阳极的氧化。但其未提到阴极电流密度，实际情况下阴极电流密度不可能过高，而且由于阳极面积远小于阴极面积，致使阳极电流密度极大，严重影响阳极的使用寿命。虽然较小的阳极面积可以减少四价铀被阳极的直接氧化，但无法避免阳极的间接氧化。