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从铀钼合金燃料中选择性分离铀、钼试验研究

文档作者：任萌，李佳，朱常桂，刘锦洪文档来源：中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室		点击数：	更新时间： 2024年06月06日
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上一篇：电场对铝酸钠溶液晶种分解过程的影响

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第30卷第3期(总第119期)
2011年9月
湿法冶金
Hydrometallurgy of China
V01．30 No．3(Sum．119)
Sep．2011
从铀钼合金燃料中选择性分离铀、钼试验研究
任萌，李佳，朱常桂，刘锦洪
(中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室，I匹t)rf成都610041)
摘要：研究了以硝酸溶液为沉淀剂，从U-lO％Mo合金中选择性沉淀分离铀和钼，考察了硝酸浓度、硝酸过量
系数对铀、钼分离的影响。试验结果表明：在n(HNOs)肪(Mo)一定条件下，硝酸浓度对铀溶解率影响较小；
随咒(HNOs)／n(Mo)增大，铀溶解率增大至95．2％，钼沉淀率先降低后升高，铀钼分离系数(p先减小后增大；
EHN03]≥12 mol／L时，行(HNOa)／n(Mo)≥94有利于铀钼分离．且工艺上容易实现。
关键词：铀钼合金；水合M003；铀；钼；分离
中图分类号：TF803．2 文献标志码：A 文章编号：1009—2617(2011)03—0237—03
弥散型UMo／Al燃料属于板型燃料元件，包
壳为铝合金，芯体中燃料相为UMo合金颗粒，其
中铀与钼的质量比为9：1，基体相为铝粉，UMo
合金颗粒均匀弥散分布在铝粉中。
由于铀、钼化学性质的差异，在用混合碱除去
铝合金包壳和铝粉基体后，可以选择溶剂萃取
法[1。21分离铀、钼。但溶剂萃取法存在一些问题，
如使用有机溶剂时有爆炸的风险，需要在沸腾浓
度下使用HNO。溶解等。相对而言，化学沉淀法
具有条件温和、不用有机溶剂等优点[3]。用化学
沉淀法分离铀、钼，可以选择沉淀钼、铀不沉淀，也
可以选择沉淀铀、而将钼留在溶液中来实现铀与
钼的选择性分离[4]。试验选择前一种方法——从
弥散型UMo／Al燃料元件中选择性分离钼和铀。
l 试验原理
铀与钼为铀钼合金燃料的主要组成部分，其
中铀化学性质较活泼，可以溶解在浓硝酸中；钼虽
然也与浓硝酸作用，但会生成难溶于水的水合三
氧化钼沉淀。具体反应为：
U+8HNCh—UQ(N(Zh)2+6NOz千+4H20，(1)
Mo+6HN03一MoC03·2H20 1，+
6N02十+H：O。(2)
因此，根据铀、钼在硝酸溶液中的状态可以将二者
分离。生成的M003·2HzO固体具有层状结构，
通过MoO。八面体共用角顶氧原子形成片层，并
在二维空间无限扩展，因此，MoO。·2H：O固体
具有较大的吸附表面，在固液分离中将会吸附一
部分铀。
2 试验方法
将去除包壳和基体的U-10％Mo合金粉末
5．00 g放人100 mL三角烧瓶中，常温下磁力搅
拌，缓慢滴加沉淀剂硝酸溶液。反应放出红棕色
NO。气体，有棕色沉淀生成，并放出大量热。反
应平稳后，将三角烧瓶加热至沸腾，棕色沉淀逐渐
变成白色，反应完毕后冷却至室温，沉降、抽率，洗
涤白色MoO。·2H。O沉淀。但是，当沉淀剂硝酸
溶液的浓度较低时(<10 tool／L)，生成含有部分
U02M004的红棕色沉淀。
滤液转移至250 mL容量瓶中，定容，测定其
中铀及钼的浓度。将耐酸漏斗中白色沉淀用1
mol／L的NaOH溶液充分溶解，红棕色沉淀用(1
+1)HN03溶液溶解后转移至100 mL容量瓶
中，定容，测定其中铀及钼的质量分数。
铀溶解率、钼沉淀率和铀、钼分离效率计算公
式如下： 铀溶解率=u蔷譬客墓糯XIOo％，(3)
钼沉淀率=西者挈蓦墓军裔丧—基×-00％，(4)
收疆日期：2010—10—27
作者筒介：任萌(1979一)，女，安徽淮北人。在读博士。主要研究方向为核燃料循环与材科，应用化学与化工。
万方数据
·238· 湿法冶金2011年9月铀钼分离系数(p一署蒜等器。(5) 3 试验结果与讨论
式中：舰(U)，m。(Mo)——滤液中U和Mo的质
量，g)m2(U)，m2(Mo)——沉淀物中U和Mo的
质量，g。
3．1 HN03浓度对铀、钼分离的影响
控制行(HN03)／-(Mo)一67／1，改变HN03
浓度，进行溶解沉淀试验。试验结果见表1。
裹1 HN(]h浓度对铀、钼分离的影响
从表1看出，随硝酸浓度增大，剩余酸度也增
大，但铀溶解率仅稍有变化，即剩余酸度对铀溶解
率影响不大。
在用硝酸沉淀钼时，铀的损失主要有2部分：
一部分被M003·2H：O固体吸附；另一部分是铀
钼合金与硝酸反应过程中会生成红棕色钼酸铀酰
(U02MoO。)固体，随M003·2H20一起沉淀。
当体系中剩余[H+3<4 mol／L(如DH一4和DH-
5)时，即生成一定量UO。M004沉淀而引起铀的
损失；随硝酸浓度增大，剩余[H+]增大，反应形
成的U02M004沉淀减少，因此铀损失减少；但体
系中剩余[H+]增大到5．74 mol／L时，虽然反应形
成的uchM004固体减少，但由于有更多的M003
·2H：O沉淀生成，被吸附的铀也会增多，铀溶解
率又呈下降趋势。总体上，铀溶解率高于92．29％。
体系中剩余酸度越高，Mo沉淀率越高。当
剩余[H+1<2．5 mol／L时，钼沉淀率为0，即此
时不能生成M003·2H20沉淀。
由式(2)看出：对于钼与硝酸的反应，随
HNO。浓度增大，反应向右进行，因而有更多的
Mo转化为MoOa·2H20沉淀；相反，若HN03
浓度太低，平衡时剩余[-H+]也相应较低，Mo则
主要以HMoOi-或MoOi4一形式存在。因此，为了
提高钼沉淀率，应尽量用浓度较高的HNQ溶液。
随HNO。浓度增大，体系中剩余[H+]对铀
钼分离系数(卢)有影响。从表1看出：随HNO。
浓度增大，体系中剩余[H+]也增大，铀、钼分离
系数升高。但即使剩余酸度无限增大，口值也只
能趋近于一个极值50．3。实际上，剩余酸度不可
能无限增大，所以在该条件下，口值只能达到某个
有限值。由于试验所用分析纯HNO。浓度不会
大于15 mol／L，并且由表1看出，当HNO。浓度
增大到12 mol／L时，铀溶解率开始有减小的趋
势，并且此时钼沉淀率也较高，所以确定HNo。
浓度以12 mol／L为宜。
3．2 HNOs过■系数对铀钼分离的影响
合金中，铀钼质量比为9：1，物质的量比为
3．63：1，即沉淀1 tool钼的同时溶解3．63 tool
铀，根据铀、钼与硝酸的反应，共消耗硝酸约35
tool，所以，硝酸与铀、钼反应的化学计量比约为
35：1。在硝酸过量情况下，用12 mol／L硝酸进
行溶解沉淀试验，结果见表2。
襄2 HN(h过量系数对铀钼分离的影响
万方数据
第30卷第3期任萌，等：从铀钼合金燃料中选择性分离铀、钼试验研究·239·
从表2看出：硝酸过量越多，剩余酸度越大，
铀溶解率也越高；但是当，z(HNO。)／n(Mo)增大
到67时，剩余[H+]一5．74 mol／L，铀溶解率增
大幅度减小，为93．88％，趋于平衡。
硝酸过量系数较小时，反应完毕后体系中剩
余[H+]<4 mol／L(见表2，样品DQ_1)，生成的
U0。MoO。沉淀相对较多，即铀的损失较大；当硝
酸过量系数增大至54／1时，反应后剩余[H+]升
高至4．17 mol／L，铀溶解率呈线性增大，这是由
于体系酸度较大时，几乎没有UO。MoO。固体生
成，铀的损失主要是由MoO。·2H：O固体吸附引
起；当硝酸过量系数增大至75左右时，铀溶解率
又呈现缓慢增长趋势，并最终达到平衡。该平衡
是由于UO：(N03)：的生成速率与M003·2H20
固体吸附速率达到动力学平衡所致。
从表2看出，当HN0。浓度一定([HN0。]=
12 mol／L)时，体系中剩余[H+]升高，钼沉淀率
呈现先降低后升高的趋势。这是因为MoO。·
2H。O为两性物质，与HNO。存在以下溶解平衡：
M003·2H20+HN03{
M002(N03)++OH一十2H20， (6)
但MoO。·2H。O主要以酸性为主，故体系中还存
在以下溶解平衡：
M003·2H20F—HMoO；+H++H20。(7)
因此，随HN0。过量倍数增加，反应终点剩余
[H+]也增大，平衡(6)向右移动，MoO。·2H：O
溶解度增大，导致钼沉淀率降低；而随HNO。过
量倍数增加，体系中[H+]增大，平衡(7)向左移
动，当[H+]增大至5．74 mol／L时，MoO。·
2H：O溶解度又开始减小，致使钼沉淀率升高[s]。
因此，当，z(HN03)／n(Mo)>61．7后，HN03过
量倍数越高，钼沉淀率越大。但是由于HN0。浓
度为12 mol／L，充分反应后，体系中[H+]平衡浓
度最高只能趋近于12 mol／L，所以根据MoO。·
2H。O溶解度与[H+]的关系，钼沉淀率最高只能
达到97．07％。
HN0。过量系数对铀钼分离效率有显著影
响，从表2看出：随HNo。过量倍数增大，反应终
点剩余[H+]也增大，铀钼分离系数先减小后增
大；但是，当咒(HNO。)／n(Mo)<81，剩余[H+]<
6．78 mol／L时，口变化较小；当咒(HN03)／n(Mo)
>81，剩余[H+]>6．78 mol／L时，p增大幅度较
大；砚(HNO。)／n(Mo)增大到94时，铀钼分离系
数达126．65。
3．3 滤液中铀的回收
铀钼合金用HNO。溶解后，过滤MoO。·
2HzO沉淀，得到的含铀酸性溶液中含有少量的
钼并残留浓度较高的硝酸。对该滤液浓缩并纯
化、转化，把其中大量的铀转化为二氧化铀、六氟
化铀或金属铀加以回收。
从滤液中回收铀可以采用溶剂萃取法或离子
交换法。溶液中铀质量浓度较高，在70～200
g／L之间，以采用溶剂萃取法为好Es-q。有关溶剂
萃取法回收铀、沉淀钼之后的溶液的处置还处于
试验阶段，还需进一步优化试验条件。
4结论
铀钼合金中的铀可以用浓硝酸溶解形成
U0z(NO。)：而进入溶液，而钼与浓硝酸作用后生
成M003·2H20沉淀。在[HNO。]≥12 mol／L，
竹(HNO。)／n(Mo)≥94条件下，铀溶解率达95．
2％，钼沉淀率达97％，铀钼分离系数达126，工艺
上较容易实现。
参考文献：
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(下转第251页)
万方数据
第30卷第3期李林波，等：用过氧硫酸氧化处理偶氮染料酸性绿20废水·251·
性绿20为代表的偶氮染料废水，考察了影响色度Producing Caro's Acid：US，5879653[P]·1994。II一04·
和COD去除效果的主要因素。脱色率接近[3]1iha“R D,Wilmette 1 L P∞。。88 for M8n“‘8。‘“一ng ca一5
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Treatment of Azo Dye Green20 Acidic Wastewater by Peroxymonosuifuric Acid
LI Lin—bo，LEI Wei，HONG Tao
(School of Metallurgical Engineering，Xi’an
Xi’an，Shaanxi
University of Architecture and Technology，
710055，China)
Abstract：Preparation of the oxidant by electrolyzing sulphuric acid method for dealling with acidic
green 20 wastewater，as the representative of ago dyes，had been studied．Initially amount of oxidant，
reaction time，reaction temperature，catalyst types，catalyst and oxidant addition methods on acidic
Green 20 wastewater were examined．At the optimum conditions of Green 20 concentration of 200
mg／L，cobalt sulfate as catalyst，oxidant dosage of 30 mL／L，catalyst dosage of 20 mg／L，reaction tem—
perature of 60℃，and reaction time of 60 min，the decolorization rate of acidic green 20 wastewater
was up to 100％and COD removal rate was of 90％．UV spectrum analysis results showed that azo
bond first brokes，following by naphthalene ring and benzene ring，and chromophore was destructed．
Key words：peroxymonosulfuric acid；ago dye；acidic green20 wastewater；decolorization
(I-接第239页)
Test Study on Selective Separation of Uranium and Molybdenum in U-Mo Alloy
REN Meng，LI Jia，ZHU Chang-gui，LIU Jin-hong
(Nuclear Power Institute of China，National Key Laboratory for Nuclear Fuel and Materials。
Chengdu，Sichuan 610041，China)
Abstract：Using nitric acid as precipitant，selective separation of uranium and molybdenum in U-10％
Mo alloy has been studied．The effects of nitric acid concentration and excess coefficient on selective
separation of uranium and molybdenum have been examined．It iS confirmed that under the conditions
of certain挖(HN03)／n(Mo)，the effect of HN03 concentration on recovery of uranium is sinail；with
increase of以(HN03)／n(Mo)，recovery of uranium increases to 95．2％，while molybdenum precipitation
increases firstly and decreases finally，the separation coefficient of uranium and molybdenum decreases
firstly but increases subsequently．When[HN03]≥12 mol／L，n(HNOs)／n(Mo)≥94 is the benefit to
separate uranium from molybdenum．The process is easy to achieve．

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