[发明专利]一种电解还原制备四价铀的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种电解装置，特别涉及一种电解还原制备四价铀的装置。

背景技术

在动力堆核燃料后处理厂中，通常采用四价铀作为还原剂来实现铀和钚的分离，例如，法国的UP2-800和UP3厂，俄罗斯的RT-1厂，日本的东海村后处理厂和六个所后处理厂，英国的THORP厂等。

目前，后处理厂制备四价铀的方法主要有直接电解法和催化加氢法。催化加氢法是以载有铂的硅胶小球为催化剂，在高压下用氢气还原UO₂(NO₃)₂的硝酸溶液，通过气、液、固三相间的化学反应制备得到U(NO₃)₄溶液。催化加氢法具有生产能力大、U(IV)产率高等特点，但是设备复杂，反应条件苛刻，设备维修和催化剂定期更换费用高。电解法是在电极上将硝酸溶液中的UO₂(NO₃)₂电解还原为U(NO₃)₄，该方法具有设备简单，反应条件为常温常压，易于操作，不引入杂质等特点，因而被后处理厂所广泛采用。

制备四价铀的电解装置，其阳极一般采用涂覆有Ti、Ru、Pt或Pb氧化物的钛材料，阴极材料最早采用汞，但是由于汞的毒性，后来大多采用金属Ti作为阴极材料。

电解装置按照有、无隔膜又可分为两种类型。有隔膜的电解装置，即采用半透膜（离子交换膜或陶瓷隔膜）将阳极区与阴极区隔开，限制了在阴极上还原生成的四价铀进入到阳极区，因而能够减少U(IV)在阳极上的氧化，从而能够提高U(VI)电解还原为U(IV)的转化率，通常能够达到90%。但是，有隔膜的电解装置也存在如下不足：（1）离子交换膜的造价高，离子交换膜的机械强度不高，耐化学腐蚀和耐氧化的性能有待提高，在使用过程中需要经常更换，使用成本高；（2）由于需要采用隔膜将阳极区和阴极区完全隔离，增加了设备的复杂性和加工、维修难度；（3）无法完全阻止铀离子的透过，阴极电解液和阳极电解液之间存在交叉污染。

例如：1.比利时欧化厂制备四价铀的电解槽以石墨为阴极材料，铂为阳极材料，两极间用陶瓷隔膜隔开；初始电解液组成为：150g/L U(VI)，2mol/L硝酸，0.3mol/L肼，体积为115L；最大电流强度为300A，电压为7.5V，静态电解15h后四价铀产率达到90%（参考文献：《国外核燃料后处理》，任凤仪，周镇新编著，第144页）。

2.美国萨凡纳河实验室采用的小型电解还原装置以铌为阴极材料，铂为阳极材料，用陶瓷隔膜将阳极和阴极隔开；在恒电流（20A）下静态电解制备U(IV)溶液，电解6h后四价铀产率达到91%，电解液温度达到48℃（参考文献：《国外核燃料后处理》，任凤仪，周镇新编著，第144页）。

3.复旦大学何阿弟采用的动态连续电解还原装置（参见附图1）以NF-1型阳离子交换膜为隔膜、钛板为阴极、镀铂钛网为阳极，在铀浓度180g/L、硝酸浓度2.5-4.0mol/L、肼浓度0.20-0.40mol/L体系中静态电解还原制备四价铀，可定量将U(VI)还原为U(IV)；采用三级串联的电解槽进行动态连续电解时，当进料铀浓度180g/L,硝酸浓度3.14mol/L,肼浓度0.21mol/L，加料速度为200mL/h时，可连续制得四价铀浓度大于150g/L的产品溶液（参考文献：[1]隔膜电解还原法制备四价铀的研究，核技术，1997，20（7）：413-417；[2]动态连续电解还原法制备四价铀的研究，核技术，1998，21（10）：624-628）。

4.中国原子能科学研究院袁中伟等采用钛涂钌网为阳极，钛网为阴极，隔膜采用贝斯特Nepem-417膜或旭化成Aciplex-F4112膜，建立了电解制备四价铀装置；对于500mL铀质量浓度为199g/L的料液，采用72cm²的钛涂钌铱网为阳极、钛网作为阴极，槽电压为3～3.6V，电解180min，四价铀产率可达到93.1％（参考文献：[1]动态膜电解制备四价铀Ⅰ装置建立及性能测试，袁中伟等，核化学与放射化学，2012，34（1）：55-59）。

无隔膜的电解装置虽然设备结构简单，但是由于离子在阴极和阳极之间可以自由迁移，在阴极电解还原生成的四价铀又可以迁移到阳极而被氧化为六价铀，造成U(VI)还原为U(IV)的转化率通常只有40～60%。