一種電解還原制備四價(jià)鈾的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電解裝置。為解決現(xiàn)有無隔膜電解裝置四價(jià)鈾產(chǎn)率不高，并避免有隔膜電解裝置存在的設(shè)備復(fù)雜、成本高等問題，本發(fā)明提供了一種電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，包括內(nèi)壁絕緣的電解槽體、陽極鍍鉑鈦棒和陰極鈦網(wǎng)，所述陰極鈦網(wǎng)為圓筒形，所述陽極鍍鉑鈦棒位于圓筒形的陰極鈦網(wǎng)的軸線上，所述陰極鈦網(wǎng)與陽極鍍鉑鈦棒的表面積比為10:1～20:1。本發(fā)明的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，四價(jià)鈾產(chǎn)率高，靜態(tài)電解時(shí)四價(jià)鈾的產(chǎn)率大于90%，操作和維修均較為方便，解決了現(xiàn)有無隔膜電解裝置四價(jià)鈾產(chǎn)率不高的缺陷，并有效避免了有隔膜電解裝置存在的設(shè)備復(fù)雜、成本高等問題。
【專利說明】—種電解還原制備四價(jià)鈾的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電解裝置，特別涉及一種電解還原制備四價(jià)鈾的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在動(dòng)力堆核燃料后處理廠中，通常采用四價(jià)鈾作為還原劑來實(shí)現(xiàn)鈾和钚的分離，例如，法國的UP2-800和UP3廠，俄羅斯的RT-1廠，日本的東海村后處理廠和六個(gè)所后處理廠，英國的THORP廠等。
[0003]目前，后處理廠制備四價(jià)鈾的方法主要有直接電解法和催化加氫法。催化加氫法是以載有鉬的硅膠小球?yàn)榇呋瘎?，在高壓下用氫氣還原UO2(NO3)2的硝酸溶液,通過氣、液、固三相間的化學(xué)反應(yīng)制備得到U(NO3)4溶液。催化加氫法具有生產(chǎn)能力大、U(IV)產(chǎn)率高等特點(diǎn)，但是設(shè)備復(fù)雜，反應(yīng)條件苛刻，設(shè)備維修和催化劑定期更換費(fèi)用高。電解法是在電極上將硝酸溶液中的UO2(NO3)2電解還原為U (NO3)4，該方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件為常溫常壓，易于操作，不引入雜質(zhì)等特點(diǎn)，因而被后處理廠所廣泛采用。
[0004]制備四價(jià)鈾的電解裝置，其陽極一般采用涂覆有T1、Ru、Pt或Pb氧化物的鈦材料，陰極材料最早采用汞，但是由于汞的毒性，后來大多采用金屬Ti作為陰極材料。
[0005]電解裝置按照有、無隔膜又可分為兩種類型。有隔膜的電解裝置，即采用半透膜(離子交換膜或陶瓷隔膜)將陽極區(qū)與陰極區(qū)隔開，限制了在陰極上還原生成的四價(jià)鈾進(jìn)入到陽極區(qū)，因而能夠減少U(IV)在陽極上的氧化，從而能夠提高U(VI)電解還原為U(IV)的轉(zhuǎn)化率，通常能夠達(dá)到90%。但是，有隔膜的電解裝置也存在如下不足:(I)離子交換膜的造價(jià)高，離子交換膜的機(jī)`械強(qiáng)度不高，耐化學(xué)腐蝕和耐氧化的性能有待提高，在使用過程中需要經(jīng)常更換，使用成本高；(2)由于需要采用隔膜將陽極區(qū)和陰極區(qū)完全隔離，增加了設(shè)備的復(fù)雜性和加工、維修難度；(3)無法完全阻止鈾離子的透過，陰極電解液和陽極電解液之間存在交叉污染。
[0006]例如:1.比利時(shí)歐化廠制備四價(jià)鈾的電解槽以石墨為陰極材料，鉬為陽極材料，兩極間用陶瓷隔膜隔開；初始電解液組成為:150g/L
積為115L ;最大電流強(qiáng)度為300A，電壓為7.5V，靜態(tài)電解15h后四價(jià)鈾產(chǎn)率達(dá)到90% (參考文獻(xiàn):《國外核燃料后處理》，任鳳儀，周鎮(zhèn)新編著，第144頁)。
[0007]2.美國薩凡納河實(shí)驗(yàn)室采用的小型電解還原裝置以鈮為陰極材料，鉬為陽極材料，用陶瓷隔膜將陽極和陰極隔開；在恒電流(20A)下靜態(tài)電解制備U(IV)溶液，電解6h后四價(jià)鈾產(chǎn)率達(dá)到91%，電解液溫度達(dá)到48°C (參考文獻(xiàn):《國外核燃料后處理》，任鳳儀，周鎮(zhèn)新編著，第144頁)。
[0008]3.復(fù)旦大學(xué)何阿弟采用的動(dòng)態(tài)連續(xù)電解還原裝置(參見附圖1)以NF-1型陽離子交換膜為隔膜、鈦板為陰極、鍍鉬鈦網(wǎng)為陽極，在鈾濃度180g/L、硝酸濃度2.5-4.0mol/L、肼濃度0.20-0.40mol/L體系中靜態(tài)電解還原制備四價(jià)鈾，可定量將U(VI)還原為U(IV)；采用三級(jí)串聯(lián)的電解槽進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)電解時(shí)，當(dāng)進(jìn)料鈾濃度180g/L，硝酸濃度3.14mol/L,肼濃度0.21mol/L，加料速度為200mL/h時(shí)，可連續(xù)制得四價(jià)鈾濃度大于150g/L的產(chǎn)品溶液(參考文獻(xiàn):[I]隔膜電解還原法制備四價(jià)鈾的研究，核技術(shù)，1997，20 (7):413-417 ； [2]動(dòng)態(tài)連續(xù)電解還原法制備四價(jià)鈾的研究，核技術(shù)，1998，21 (10):624-628)。
[0009]4.中國原子能科學(xué)研究院袁中偉等采用鈦涂釕網(wǎng)為陽極，鈦網(wǎng)為陰極，隔膜采用貝斯特N印em-417膜或旭化成AcipleX-F4112膜，建立了電解制備四價(jià)鈾裝置；對(duì)于500mL鈾質(zhì)量濃度為199g/L的料液，采用72cm2的鈦涂釕銥網(wǎng)為陽極、鈦網(wǎng)作為陰極，槽電壓為3~3.6V，電解180min，四價(jià)鈾產(chǎn)率可達(dá)到93.1% (參考文獻(xiàn):[I]動(dòng)態(tài)膜電解制備四價(jià)鈾I裝置建立及性能測(cè)試，袁中偉等，核化學(xué)與放射化學(xué)，2012，34 (I):55-59)。
[0010]無隔膜的電解裝置雖然設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于離子在陰極和陽極之間可以自由遷移，在陰極電解還原生成的四價(jià)鈾又可以遷移到陽極而被氧化為六價(jià)鈾，造成U(VI)還原為U(IV)的轉(zhuǎn)化率通常只有40~60%。
[0011]例如:美國薩凡納河實(shí)驗(yàn)室采用的半工業(yè)規(guī)模的無隔膜電解還原槽(1500L電解液)以鈦為陰極材料，鉬為陽極材料，每個(gè)電極的面積為0.465m2，6個(gè)槽串聯(lián)；初始電解液組成為:320g/L U(VI)，1.7mol/L硝酸，0.3mol/L肼;液體流速 0.12m/s，恒電流 2500 ~4000A下電解3~llh，電解溫度為40~50°C ;四價(jià)鈾產(chǎn)率為20~55% (參考文獻(xiàn):《國外核燃料后處理》，任鳳儀，周鎮(zhèn)新編著，第147頁)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為解決現(xiàn)有無隔膜電解裝置四價(jià)鈾產(chǎn)率不高，并避免有隔膜電解裝置存在的設(shè)備復(fù)雜、成本高等問題，本發(fā)明提供了一種電解還原制備四價(jià)鈾的裝置。
[0013]本發(fā)明的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置包括內(nèi)壁絕緣的電解槽體3、陽極鍍鉬鈦棒4和陰極鈦網(wǎng)5，所述陰極鈦網(wǎng)5為圓筒形，所述陽極鍍鉬鈦棒4位于圓筒形的陰極鈦網(wǎng)5的軸線上，所述陰極鈦網(wǎng)5與陽極鍍鉬鈦棒4的表面積比為10:1~20:1。
[0014]所述陰極鈦網(wǎng)5與陽極鍍鉬鈦`棒4的表面積比優(yōu)選為15:1~18:1。
[0015]所述電解槽體3側(cè)壁的形狀優(yōu)選為圓筒形。
[0016]所述電解還原制備四價(jià)鈾的裝置還包括冷卻裝置為優(yōu)選。
[0017]所述冷卻裝置由循環(huán)泵7、套管冷卻器8以及管路構(gòu)成為優(yōu)選，由電解槽體3底部引出的電解液通過冷卻裝置冷卻后返回電解槽體3中以達(dá)到冷卻目的。
[0018]所述電解還原制備四價(jià)鈾的裝置還包括進(jìn)料管2和進(jìn)料泵I為優(yōu)選。
[0019]所述電解還原制備四價(jià)鈾的裝置還包括出料管6為優(yōu)選。
[0020]所述電解還原制備四價(jià)鈾的裝置上部密封且設(shè)有吹氣管9和排氣管為優(yōu)選。
[0021]本發(fā)明的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置的陰極鈦網(wǎng)為圓筒形，陽極鍍鉬鈦棒位于陰極鈦網(wǎng)的軸線上，與現(xiàn)有的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置相比，顯著增大了陰陽極的表面積t匕，提高了陰極上U(VI)被電解還原為U(IV)的還原反應(yīng)速率，同時(shí)降低了陽極上U(IV)被電解氧化為U(VI)的氧化反應(yīng)速率，由此，在無隔膜的條件下，顯著地將U(IV)的產(chǎn)率提高到大于90%，取得了遠(yuǎn)好于現(xiàn)有無隔膜電解還原制備四價(jià)鈾的裝置所能產(chǎn)生的效果。
[0022]本發(fā)明還可以在電解過程中采用冷卻裝置對(duì)電解液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，從而將電解液的溫度由自然冷卻條件下的50~70°C降低到30°C左右，避免了還原生成的U(IV)在較高溫度下的部分氧化，進(jìn)一步提高了 U(IV)的產(chǎn)率。
[0023]本發(fā)明的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置還可以在其上部設(shè)置吹氣管和排氣管，通過通入氮?dú)獾葰怏w將電解過程中產(chǎn)生的少量氧氣、氫氣及氮氧化物載帶出電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，從而保證了設(shè)備的安全運(yùn)行。
[0024]本發(fā)明的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，四價(jià)鈾產(chǎn)率高，靜態(tài)電解時(shí)四價(jià)鈾的產(chǎn)率大于90%，操作和維修均較為方便，解決了現(xiàn)有無隔膜電解裝置四價(jià)鈾產(chǎn)率不高的缺陷，并有效避免了有隔膜電解裝置存在的設(shè)備復(fù)雜、成本高等問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1動(dòng)態(tài)連續(xù)電解還原裝置示意圖。
[0026]附圖標(biāo)記:1.U(VI)電解料液，2.恒流泵，3.電解槽，4.U(IV)產(chǎn)品液，5.電源，6.電流表，7.電壓表。
[0027]圖2本發(fā)明的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置示意圖。
[0028]附圖標(biāo)記:1.進(jìn)料泵，2.進(jìn)料管，3.電解槽體，4.陽極鍍鉬鈦棒，5.陰極鈦網(wǎng)，
6.出料管；7.循環(huán)泵，8.套管冷卻器，9.吹氣管。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做進(jìn)一步的說明。
[0030]實(shí)施例
[0031]一種電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，包括內(nèi)壁以襯膠絕緣的電解槽體3、陽極鍍鉬鈦棒4和陰極鈦網(wǎng)5，電解槽體3側(cè)壁的形狀為圓筒形，其有效容積為31.5L，所述陰極鈦網(wǎng)5為圓筒形，所述陽極鍍鉬鈦棒4位于圓筒形的陰極鈦網(wǎng)5的軸線上，所述陰極鈦網(wǎng)5與陽極鍍鉬鈦棒4的表面積比為16.5:1。
[0032]所述電解還原制備四價(jià)鈾的裝置還包括冷卻裝置，該冷卻裝置由循環(huán)泵7、套管冷卻器8以及管路構(gòu)成，由電解槽體3底部引出的電解液通過冷卻裝置冷卻后返回電解槽體3中以達(dá)到冷卻目的。
[0033]所述電解還原制備四價(jià)鈾的裝置還包括進(jìn)料管2、進(jìn)料泵和出料管6 ;裝置上部密封且設(shè)有吹氣管9和排氣管。
[0034]采用本實(shí)施例的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置制備四價(jià)鈾，步驟如下:
[0035](一)將電解液加入本實(shí)施例的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，初始電解液組成為:210g/LU02 (NO3)2-L Omol/L HNO3-L Omol/L N2H5NO3 ；
[0036](二)在電流80A、電壓8V的電解條件下進(jìn)行電解，約30h后停止電解。
[0037]經(jīng)分析，電解過程中U4+濃度上升速度約為6.5g/L *h,HN03的消耗約為0.012mol/L -h, N2H5NO3的消耗約為0.01mol/L-h,電解柱內(nèi)溫度基本維持在30°C，最終U(IV)濃度為198g/L, U(IV)的產(chǎn)率達(dá)到 94%。
【權(quán)利要求】
1.一種電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，其特征在于:該裝置包括內(nèi)壁絕緣的電解槽體(3)、陽極鍍鉬鈦棒(4)和陰極鈦網(wǎng)(5)，所述陰極鈦網(wǎng)(5)為圓筒形，所述陽極鍍鉬鈦棒(4)位于圓筒形的陰極鈦網(wǎng)(5)的軸線上，所述陰極鈦網(wǎng)(5)與陽極鍍鉬鈦棒(4)的表面積比為10:1 ~20:1。
2.如權(quán)利要求1所述的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，其特征在于:所述陰極鈦網(wǎng)(5)與陽極鍍鉬鈦棒(4)的表面積比為15:1~18:1。
3.如權(quán)利要求1所述的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，其特征在于:所述電解槽體(3)側(cè)壁的形狀為圓筒形。
4.如權(quán)利要求1所述的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，其特征在于:所述電解還原制備四價(jià)鈾的裝置還包括冷卻裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，其特征在于:所述冷卻裝置由循環(huán)泵(7)、套管冷卻器(8)以及管路構(gòu)成，由電解槽體(3)底部引出的電解液通過冷卻裝置冷卻后返回電解槽體(3)中以達(dá)到冷卻目的。
6.如權(quán)利要求1所述的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，其特征在于:所述電解還原制備四價(jià)鈾的裝置還包括進(jìn)料管(2 )和進(jìn)料泵(I)。
7.如權(quán)利要求6所述的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，其特征在于:所述電解還原制備四價(jià)鈾的裝置還包括出料管(6)。
8.如權(quán)利要求1所述的電解還原制備四價(jià)鈾的裝置，其特征在于:所述電解還原制備四價(jià)鈾的裝置上部密封且設(shè)有吹氣管(9)和排氣管。
【文檔編號(hào)】C25B1/00GK103695956SQ201310743451
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】張虎, 吳繼宗, 鄭衛(wèi)芳, 葉國安, 劉利生 申請(qǐng)人:中國原子能科學(xué)研究院