Реферат по предмету "Химия"


Разделение урана и тория с помощью тонкослойных неорганических сорбентов

Уральский Государственный Технический Университет — УПИ
Кафедра Радиохимии
Лабораторная работа № 1:
“Разделение урана и тория с помощью тонкослойных неорганическихсорбентов".
2008 г.
1. Теоретическая часть
 
Цель работы:
Концентрирование микроколичеств тория из водного растворасоли уранила.
Уран и торий являются наиболее распространенными природнымирадиоактивными элементами. Три естественных, т.е. встречающихся в природе,изотопа урана входят в состав двух радиоактивных семейств: U-234 и U-238находятся в семействе 4n+2, а U-235 — в семействе 4n+3. Один из самыхдолгоживущих природных изотопов Th-232 возглавляет семейство 4n+0. Другиеприродные изотопы тория (Th-234, Th-230) находятся в составе семействаурана-радия (4n+2). Больше естественных изотопов урана и тория не существует. Кларкиурана и тория по данным А.П. Виноградова равны соответственно 2,5·10-4% и 1,3 ·10-3%.
В настоящее время основным «ядерным горючим» являетсяуран. Торий можно рассматривать в качестве резервного источника энергии, если спомощью ядерно-химических процессов получать из него отсутствующий в природе U-233:
b- b-
232Th + n ® 233Th ® 233Pa ® 233U.
Период полураспада U-233 1,6·105лет, поэтому его вполне можно получать и заготавливать впрок. Этот изотопобладает способностью делиться на тепловых нейтронах с выделением энергииподобно U-235 и Pu-239.
Известны также другие искусственные изотопы урана и тория: отU-230 до U-240 и от Th-226 до Th-231. В подавляющем большинстве это a — и b — излучатели (при этом не следуетзабывать о сопровождающем g — излучении).
В данной лабораторной работе предлагается разделить уран иторий, часто сопровождающий уран в природных месторождениях. Кроме того,подобная задача (только в этом случае торий будет преобладающим элементом, ауран — на уровне микрокомпонента, или «примеси») встречается как втехнологии природного тория, так и в технологии искусственного U-233.
 1.1 Очерк химических свойств урана и тория, имеющих значение длягидрометаллургических процессов
 
Уран обладает более обширным перечнем химических соединенийвследствие того, что он (противоположно торию) характеризуется несколькимистепенями окисления. Например, в водных растворах существуют достаточноустойчивые его соединения, где уран находится в степенях окисления +3, +4, +5 и+6. А в твердой фазе, расплавах и в газообразном состоянии химические свойстваурана еще разнообразнее. В то же время торий в растворах присутствует в составесоединений, где он проявляет единственную степень окисления +4. И уран вразличных степенях окисления, и торий образуют большое число растворимыхсоединений, в том числе комплексных, и плохо растворимых, которые имеюттехнологическое значение, т.е. могут применяться в процессах обогащения,разделения, выделения, аффинажа.
 1.1.1 Уран
В водных растворах наиболее устойчивы соединения, где ураннаходится в степенях окисления +4, в особенности +6. В степени окисления +3 онпроявляет свойства сильного восстановителя, разлагает воду с образованиемводорода; при этом уран окисляется:
U (III) ® U (IV).
Уран в степени окисления +5 склонен к диспропорционированиюи устойчивых растворов не образует:
U (V) ®U (IV) + U (VI).
Все гидроксиды урана — U (OH) з, U (OH) 4, UO2(OH) 2 — плохо растворимы. К плохо растворимым солям урана (во всехстепенях окисления) относятся фосфаты, средние карбонаты и оксалаты. Средифторидов плохо растворимы UFз и UF4, а UO2F2 обладаетзаметной растворимостью. Обладающий большой летучестью гексафторид урана, UF6и промежуточные фториды (UF5, U2F9, U4F17)гидролизуются при соприкосновении с водой или ее парами с образованием UO2F2и тетрафторида.
Фториды урана склонны образовывать комплексные соединения. Двойныефториды можно получить не только методами «сухой химии» (например,сплавлением), но и проведением реакций в растворах; часть из нихкристаллизуется без воды, например, NH4UF5. Важную рольиграют процессы растворения осадков труднорастворимых соединений и не только вкислотах, что в сущности является одним из основных приемов гидрометаллургии (последовательныепроцессы осаждения и растворения). Например, многие осадки соединений урана, вчастности, тетрафторид урана, можно растворить в водных растворах оксалата иликарбоната аммония с образованием комплексных соединений, в частности
[UO2 (C2O4) 2] 2-; [UO2 (CO3) 3] 4 — .
В согласии с основными принципами равновесий в растворах — непрерывностьюи ступенчатостью — возможно существование и других комплексных форм с меньшим идаже большим мольным отношением числа лигандов к атомам комплексообразователя (n). Есть данные об образовании карбонатного комплекса с n = 2 и оксалатного с n =3, то есть, типы этих комплексов одинаковы.
В некоторых технологических операциях используют способностьурана пребывать в состояниях с различными степенями окисления. Например, U (IV)во многих отношениях напоминает торий, но свойства U (VI) уже совершенно иные,что может в ряде случаев обеспечить либо коллективный, либо селективный процесс.
Восстановителями урана (VI) могут служить различные металлыили их амальгамы (Zn, Cd, Bi, Mg, Al), соли Ti (III), Sn (II) и др. Возможноэлектрохимическое восстановление с помощью источника постоянного тока. Уранпроявляет свойства амфотерности, выступая в роли «кислотообразующегоэлемента» (в основном, в степени окисления +6). Для удобства припроведении стехиометрических расчетов и для наглядности амфотерность урана (VI)можно проиллюстрировать следующим образом. Рассмотрим процессы, протекающие прититровании растворимой соли щелочью:
UO22+ + 2OH — ® UO2 (OH) 2;UO2 (OH) 2 «H2UO4, посколькуU (VI) амфотерен. (Знак «здесь и дальше обозначает фразу«то же самое, что и»).
2NaOH + H2UO4 ® Na2UO4 + 2H2O.
(избыток)
Соединение NaUO4представляет собой уранат натрия; уран в нем выполняет роль «кислотообразующегоэлемента». В действительности в данных обстоятельствах образуется неуранат, а полиуранаты, которые можно выразить общей формулой
хNaO · yUO3· zHO.

Наиболее типичной и представительной формой, которая будетпреобладать в достаточно «старом» осадке (а нужно добавить, чтоабсолютно все полиуранаты — нерастворимые соединения), является димер, диуранат(х = 1; у = 2): Na2U2O7 · zH2O. То же самое можно показать, применяя графы(«структурные формулы») молекул. Нелишне напомнить, что граф молекулыгипотетической «урановой кислоты» такой же, как и у серной:       HO  OH             HO    OH            HO       O      OH
                               \     /                   \    /            \     /  \     /
U      +       U     ®       U       U     + H2O.
                            //   \\            //  \\            //   \\  //  \\
                          O             O             O    O                  O     O O    O
      è____________ øH2U2 O7
Поэтому соответствующая натриевая соль имеет состав: NaUO7. В общемслучае она гидратирована.
К числу наиболее специфических реакций, приводящих квыделению урана в нерастворимый осадок, можно отнести реакции образованияпероксидов. Среди них так называемая «надурановая кислота» UO4 2H2O.
Ее граф:
О = U = O             · 2H2O       (строениеполимерное).
     /    \
           O — O
Осаждением пероксида часто пользуются при аффинажесоединений урана.

Все термически разлагающиеся соли урана при прокаливании навоздухе образуют так называемую «закись-окись» урана — U3О8(имеет несколько модификаций).
По-видимому, это соединение не следует рассматривать каксоединение оксидов, в которых уран проявляет различные степени окисления, UO2 ·2UOç, а полагать в нем уран, обладающим промежуточной (дробной) степеньюокисления (+5,33), так как магнетохимические и структурные исследованияпоказали, что все атомы урана в твердой фазе эквивалентны.
 1.1.2 Торий
В водных растворах торий проявляет единственную устойчивуюстепень окисления +4. Известны важные в технологическом отношении растворимыесоли тория: нитрат, хлорид, сульфат. К числу плохо растворимых солей относятсясредние — карбонат, оксалат, фторид, фосфаты. В этом торий сходен с ураном (III,IV) и РЗЭ.
Средние — карбонат и оксалат — растворяются в избыткерастворителя, образуя комплексные формы по аналогии с РЗЭ и ураном с n=3и n=4. Гидроксид тория Th (OH) 4 плохо растворим, амфотерныесвойства практически не проявляет. Ионы тория Th4+в водных растворахсильно гидратированы и гидролизованы. Образующиеся многоядерныегидроксокомплексы можно представить в общем виде:
Th [ (OH) 3Th] nn+4,(n = 1,2,3).
Комплексы этого типа цепеобразны. Аналогичные цепи найдены ив некоторых кристаллических структурах, например в Th (OH) 4.
Итак, химические свойства тория и урана достаточно различныдля того, чтобы без больших затруднений выполнять их разделение и ваналитических (включая радиоаналитические), и в технологических задачах. Поклассификации Пирсона [5,6] и уран и торий относятся к «жестким кислотам»,поэтому они образуют наиболее устойчивые комплексы с лигандами, у которыхдонорными атомами являются элементы подгруппы N, O или F («жесткие основания»).Количественные данные о комплексообразовании (константы устойчивости) позволяютутверждать, что тенденция к образованию ацидокомплексов, как правило, убывает вряду:
M4+ > M3+ > MO22+> MO2+,
т.е. в порядке уменьшения ионного потенциала. Но рядспецифичности по отношению к оксалат — и ацетат-ионам может содержать инверсию:
M4+ > MO22+ > M3+> MO2+,
Эти качественные представления помогают ориентироваться вхимическом поведении U (IV) и U (VI). В дальнейшем следует помнить и о различиив ионных радиусах U4+ (0,97/>)и Th4+ (1,02 />), таккак в понимании химического поведения этих элементов, являющихся «жесткимикислотами», ионный потенциал играет ключевую роль.
 1.2 Многостадийные процессы
Концентрирование (или другие операции) может выполняться неза одну, а за несколько стадий, каждая из которых характеризуется своимзначением степени извлечения. Например, в сорбционной технологии применяютсяпоследовательные операции сорбции — десорбции, но при этом и первоначальноеизвлечение компонента из раствора и его последующая десорбция (таких операцийможет быть несколько) характеризуются не стопроцентным переходомконцентрируемого компонента (из раствора и из коллектора в новый раствор). Всегдабывают какие-то потери. В технологии допустимый уровень потерь диктуетэкономика, а в аналитике большую роль играет скорее хорошая воспроизводимостьметодики, чем полнота извлечения анализируемого компонента.
Таким образом, в случае многостадийного процесса (сорбция-десорбцияи т.д.; экстракция-реэкстракция и т.д.) общее значение степени извлечения можнопредставить следующим образом:
   N
Sобщ = П Si,                                    
               i=1
где N — число стадий.
Сорбционное концентрирование компонента или компонентов вколоночном («динамическом») варианте обычно осуществляется в двестадии. На первой стадии компонент из раствора, пропускаемого с определеннойскоростью через сорбционную колонну (или в лабораторных масштабах — колонку),поглощается твердым веществом сорбента. Эту стадию характеризует так называемая«выходная кривая» (см. рис.1), которую обычно строят в координатах«концентрация компонента в вытекающем растворе» (ось ординат) и«пропущенный объем раствора» (ось абсцисс). Таким образом, послепроведения всех анализов можно рассчитать степень извлечения компонента настадии сорбции (S1):

/>
Рис.1 Выходная кривая сорбции урана сорбентом ТГ-Ц изимитата морской воды. С0 = 10 мг/л
    n                   n
S1 = 1 — ( å CiVi) / Coå Vi,     ,                 
   i=1                       i=1
где Co и Ci — концентрациикомпонента в исходном растворе и в i-й фракции вытекающего растворасоответственно; Vi — объем i-той фракции.
На второй стадии промывают колонку десорбирующим раствором,который по мере его вытекания из колонки также пофракционно анализируют насодержание компонента. По результатам анализа строят выходную кривую (см. рис.2),имеющую другой вид, и вычисляют степень извлечения на этой стадии:
k                  n
S2 = ( å CjVj)/S1Coå Vi,                  ,                 
j=1             i=1
где Cj — концентрация компонента в j-йфракции элюата (вытекающего десорбента) объемом Vj.

/>
Рис.2. Выходные кривые десорбции урана раствором солянойкислоты
0.1 моль/л. 1 — дифференциальная; 2 — интегральная.
Ход работы:
Исходный раствор — нитрат уранила с концентрацией по урану1-3 г/л, содержащий 10 — 50 мкг/л тория, рН раствора — 2,5-3,0. Сорбент — гидроксидтитана, нанесенный тонким слоем на поверхность клиноптилолита, марка ТГ-Кл [12].Порядок выполнения работы следующий. Отбирают 2 пробы исходного раствора по 0.5мл, сушат и измеряют на b — радиометре (I0). Черезколонку, заполненную сорбентом, пропускают раствор нитрата уранила (50 мл) соскоростью 1 мл/мин·см2,отбирая фракции по 10 мл. Из каждой фракции отбирают 2 пробы по 0,5 мл, сушат ипроводят b — метрию. По полученным результатамстроят выходную кривую сорбции тория в координатах " П — V " и рассчитывают выход тория на стадии сорбции (В1).
Колонку промывают 10 мл дистиллированной воды и затемпроводят десорбцию, пропуская 10 мл 1 моль/л раствора щавелевой кислоты,отбирая фракции по 2 мл. Из каждой фракции отбирают 2 пробы по 0,5 мл, сушат ипроводят b — метрию. По полученным результатамстроят выходную кривую десорбции тория в координатах «Д — V»

Практическая часть:
1. Проведем сорбцию и десорбцию тория, измерим скоростьсчета проб на β — радиометре. Так же отберем пробы исходного раствора. Данныеизмерений и расчетов занесем в таблицу № 1.
Таблица № 1Сорбция Десорбция N I1 I2 Iср Iср-Iф П N I1 I2 Iср Iср-Iф Д Фон 27 23 25 - - - - - - - - 1 36 36 36 11 0,08 1 2473 2490 2482 2457 0,664 2 30 30 30 5 0,04 2 203 198 201 176 0,047 3 36 32 34 9 0,07 3 70 75 73 48 0,013 4 40 36 38 13 0,10 4 52 51 52 27 0,007 5 40 42 41 16 0,12 5 53 54 54 29 0,008 Исх 1 178 165 161 136 - - - - - - - Исх 2 152 148 - - - - - - -
2. Построим выходную кривую стадии сорбции и выходную кривую стадиидесорбции
/>
Рисунок № 1
/>
Рисунок № 2
3. Рассчитаем выход на стадии сорбции, выход на стадии десорбции, выходтория в сорбционном процессе в целом
/>=0,92, />=0,74, />=0,68
Вывод
В ходе данной лабораторной работы мы провели концентрированиемикроколичеств тория из водного раствора соли уранила. Рассчитали степеньсорбции и степень десорбции для каждой фракции. Построили выходные кривыесорбции и десорбции. Так же мы рассчитали выход на стадии сорбции B1= 0,92, выход на стадии десорбции B2=0.74 и выход тория в целом Вобщ=0,68.


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Финансовая деятельность предприятия 2 Концептуальные основы
Реферат Cowboys Release Deion Sanders Essay Research Paper
Реферат January 13 The Past Ten Essay Research
Реферат Александр Дюма. Черный Тюльпан
Реферат Athlete Dying Young Essay Research Paper The
Реферат Простая формула для определения коэффициента трения в смазываемых дисковых вариаторах
Реферат Стратегическая политика развития малого бизнеса в системе производственного предпринимательства в Российской Федерации
Реферат Бюджетная система Российской Федерации принцип организации и структура
Реферат Вживання методів кількісної дії факторів для оцінки діяльності підприємства
Реферат Альтернативні форми виховання дітей сиріт
Реферат Вредители плодовых и ягодных культур
Реферат Судебная экспертиза на примере рассмотрения гражданского дела об авторском праве
Реферат Пеферат по ОНГД
Реферат Basketball Essay Research Paper
Реферат Взаимосвязь культуры и цивилизации в философской концепции Освальда Шпенглера