Разработка технологии извлечения скандия из растворов подземного выщелачивания урана : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.17.02

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………………………… 4

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ………………………………………………………………………… 8

1.1 Методы разделения и очистки скандия ………………………………………………………………… 8

1.1.1 Экстракционные методы …………………………………………………………………………………… 9

1.1.2 Ионообменные методы ……………………………………………………………………………………. 20

1.1.3 Мембранная экстракция ………………………………………………………………………………….. 23

1.2 Технологии извлечения скандия ………………………………………………………………………… 24

1.2.1 Извлечение скандия из собственных руд …………………………………………………………. 25

1.2.2 Извлечение скандия из руд редких металлов……………………………………………………. 25

1.2.3 Извлечение скандия из урановых руд ………………………………………………………………. 26

1.2.4 Извлечение скандия из алюминиевых руд ……………………………………………………….. 27

1.2.5 Извлечение скандия из титановых и циркониевых руд …………………………………….. 31

1.2.6 Извлечение скандия из вольфрамовых и оловянных руд ………………………………….. 34

1.2.7 Извлечение скандия из никелевых руд …………………………………………………………….. 36

1.2.8 Извлечение скандия из танталовых и ниобиевых руд ………………………………………. 37

1.2.9 Извлечение скандия из остатков собственных сплавов …………………………………….. 38

1.3 Мировые проекты по получению скандия ………………………………………………………….. 39

1.4 Выводы по главе 1, обоснование и постановка задачи исследования …………………… 43

ГЛАВА 2 ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И РАСТВОРЫ, МЕТОДЫ АНАЛИЗА И
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ …………………………………………………………………………….. 44

2.1 Иониты, экстрагенты методика их синтеза и свойства ………………………………………… 44

2.2 Исследование ионитов ……………………………………………………………………………………….. 46

2.3 Термодинамика соединений скандия в возвратных растворах подземного
выщелачивания урана ……………………………………………………………………………………………… 46

2.4 Кинетика сорбции скандия из растворов подземного выщелачивания урана ……….. 48

2.5 Методики исследований …………………………………………………………………………………….. 49
ГЛАВА 3 СОРБЦИЯ СКАНДИЯ ИЗ РАСТВОРОВ ПВ УРАНА ………………………………. 55

3.1 Характеристика объекта исследования ………………………………………………………………. 55

3.2 Расчет ионно-молекулярного состава технологических растворов ПВ урана ………. 62

3.3 Сорбция скандия на ионитах с использованием технологических растворов ………. 65

3.3.1 Исследование совместной сорбции скандия и тория на ионитах ………………………. 65

3.3.2 Исследование сорбции скандия на ТВЭКСах …………………………………………………… 78

3.4 Исследование десорбции скандия из ТВЭКСа ………………………………………………….. 105

3.5 Исследование осаждения концентрата скандия из растворов десорбции …………… 113

3.5.1 Исследование осаждения первичного концентрата скандия ……………………………. 113

3.5.2 Исследование конверсии первичного концентрата скандия ……………………………. 118

3.5.3 Исследование растворения концентрата скандия после проведения конверсии
железа и промывки полученного концентрата ……………………………………………………….. 122

3.6 Выводы по главе 3 …………………………………………………………………………………………… 124

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА, ИСПЫТАНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
ИЗВЛЕЧЕНИЯ СКАНДИЯ ИЗ РАСТВОРОВ ПВ УРАНА ……………………………………… 126

4.1 Разработка технологической схемы извлечения скандия из растворов ПВ урана .. 126

4.2 Опытно промышленная установки извлечения скандия ……………………………………. 133

4.3 Выводы по главе 4 …………………………………………………………………………………………… 143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………………….. 144

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………………………… 146

Приложение……………….. ………………………………………………………………162

1. На основании литературного обзора сделан вывод о возможности
извлечения скандия из растворов ПВ урана, выбран ряд фосфорсодержащих ионитов
и ТВЭКСов.
2. Выполнен расчет состояний многокомпонентного раствора подземного
выщелачивания урана. Выбраны термодинамические данные, соответствующие
оценки произведений растворимости и констант равновесия в различных условиях.
Показано, что скандий в растворах присутствует в основном в виде иона Sc3+.
3. Исследована сорбция скандия на аминометилфосфоновых амфолитах и
оценена возможность разделения скандия и тория на стадии регенерации сорбента.
4. Синтезирован ряд ТВЭКСов на основе индивидуальных экстрагентов и
синергетных смесей. Исследована сорбция скандия на ТВЭКСах в сравнении с
промышленным аналогом Lewatit VP OC – 1026. На основе экспериментальных
данных сорбции в динамических условиях установлено, что лучшие характеристики
имеет ТВЭКС Axion 22.
5. Изучена кинетика сорбции ТВЭКСа Axion 22 на модельных растворах,
установлен характер кинетики сорбции – внутридиффузионный. Этот факт
подтвержден электронными снимками многослойной карты с использованием
энергодисперсионной спектрометрии насыщенного ТВЭКСа Axion 22.
6. Определен механизм сорбции скандия – катионообменный с
образованием ковалентных связей, за счет нахождения Д2ЭГФК в димерном
состоянии в ТВЭКСе. Определены оптимальные параметры динамики сорбции:
линейная скорость не более 20 м/с, удельная скорость не более 5 колоночных
объемов в час.
7. Изучена десорбция скандия из ТВЭКСа Axion 22 растворами
фтористоводородной кислоты различных концентраций. Определены оптимальные
параметры десорбции скандия из ТВЭКСа.
8. Разработана технология получения концентрата скандия с содержанием
фторида скандия до 98%. Технология включает в себя процесс сорбции скандия на
ТВЭКСе Axion 22, десорбцию раствором фтористоводородной кислоты, осаждение
первичного концентрата скандия и процесс отделения от основных примесей с
получением фторида скандия. Технология безотходная, все растворы возвращаются
в цикл или направляются на повторное выщелачивание урана.

Перспективы дальнейшей разработки темы исследования.

Разработка темы исследования связана с дальнейшей оптимизацией
технологического процесса извлечения скандия из растворов ПВ урана с точки
зрения минимизации производственных затрат: увеличение выхода целевых
соединений, применение химических реактивов отечественного производства. Так
же перспективными являются два направления переработки получаемого фторида
скандия в оксид высокой чистоты 99,99% и производство алюмоскандиевой
лигатуры марки А по ГОСТ Р 53777-2010 Лигатуры алюминиевые.