РАДИОХИМИЯ, 2021, том 63, № 2, с. 139-141

УДК 66.081+544.58

НАНОФИЛЬТРАЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ УРАНА

И ТОРИЯ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

П. Г. Зеленин, Е. А. Козлитин

Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН,

119071, Москва, Ленинский пр., д. 31, корп. 4

*e-mail: vmilyutin@mail.ru

Получена 25.09.2019, после доработки 07.12.2019, принята к публикации 11.12.2019

Исследовано поведение ионов урана и тория при нанофильтрации (НФ) из водных растворов. Показано,

что задерживающая способность (R) нанофильтрационной (НФ) мембраны по урану и торию зависит

от их состояния в водных растворах. В случае урана наименьшие значения R (82-83%) наблюдаются

в случае нахождения урана в растворе в виде уранил-ионов или оксигидратных комплексов при рН в

диапазоне от 2 до 6. В растворах с большим значением рН степень задержания урана увеличивается

(R ~95%) за счет образования нерастворимого гидроксида U(IV) и/или карбонатных комплексов. При

НФ водных растворов тория с увеличением рН от 1 до 3.5 R повышается с 94 до 99%, что связано с

гидролизом ионов тория с образованием оксигидратных комплексов различного состава. В диапазоне

рН 3-9 степень задержания тория остается постоянной за счет образования нерастворимого гидроксида

тория. В щелочных растворах (рН > 9) значения R снижаются за счет образования отрицательно заря-

женных гидроксо- и/или карбонатных комплексов. Сделан вывод о том, что нанофильтрация является

эффективным методом очистки сточных и природных вод от примесей урана и тория.

Ключевые слова: нанофильтрация, полимерная мембрана, уран, торий, извлечение, сточные воды

DOI: 10.31857/S0033831121020064

ВВЕДЕНИЕ

рия из водных сред представляется весьма важной

и актуальной.

В связи с быстрым развитием атомной энергети-

ки и промышленности загрязнение объектов окру-

Для извлечения урана и тория из водных рас-

жающей среды, в первую очередь природных вод,

творов широко используются методы осаждения,

радионуклидами и токсичными металлами являет-

жидкостной экстракции, ионного обмена [1]. В на-

ся серьезной экологической проблемой. Основным

стоящее время для извлечения токсичных и радио-

загрязняющим компонентом при добыче урановых

активных металлов все большее распространение

руд, получении и переработке ядерного топлива яв-

получают мембранные методы, основанные на про-

ляются соединения урана. Как типичный тяжелый

цессах микро- и ультрафильтрации, а также обратно-

металл, уран обладает высокой токсичностью, кото-

го осмоса [2].

рый может нанести непоправимый ущерб здоровью

В предыдущих работах [3-5] нами было ис-

человека. Кроме общего токсичного воздействия,

следовано извлечение ионов цветных металлов, а

природные и искусственные радионуклиды урана,

также радионуклидов цезия и стронция методом

а также продукты его радиоактивного распада обла-

нанофильтрации с использованием полимерной

дают высокой радиотоксичностью.

мембраны производства российской компании «РМ

Все сказанное выше в полной мере относится к

Нанотех» (Владимир, Россия). Мембрана имеет

природному торию и продуктам его распада. В свя-

многослойную структуру, состоящую из полиэфира,

зи с этим задача извлечения соединений урана и то-

139

140

КАПТАКОВ и др.

R, %

отбирали пробы фильтрата, концентрат же возвра-

100

щали обратно, тем самым увеличивая исходную

UO₂(CO₃)_2-

UO₂(CO₃)₃

концентрацию вещества в растворе.

Концентрации урана и тория определяли фото-

метрическим методом с арсеназо III при длине вол-

(UO₂)₃(OH₃)₊

UO₂

ны 656 нм [6] с использованием фотоколориметра

«Экотест 2020». В ряде экспериментов кроме кон-

центрации урана и тория в растворах определяли

содержание ионов кальция и магния методом ком-

плексонометрического титрования [7]. Измерения

Рис. 1. Зависимость задерживающей способности (R) НФ

рН растворов проводили с использованием иономера

мембраны по урану от pH раствора.

марки «Экотест 2000». Для приготовления модель-

ных растворов использовали реагенты квалифика-

полисульфонамида и полипиперазинамида. Размер

ции ч.д.а. или х.ч. и дистиллированную или водопро-

пор НФ мембраны составляет 1-2 нм, рабочий диа-

водную воду.

пазон - рН 1-12 (при 20-25°С); максимальная рабо-

чая температура - 45°С. В настоящей работе изучена

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

задерживающая способность НФ мембраны «РМ

Исследование задерживающей способности

Нанотех» по отношению к урану и торию при их из-

НФ мембраны по урану. При исследовании зависи-

влечении из водных растворов с различным значени-

мости задерживающей способности (R) НФ мембра-

ем рН и концентрации извлекаемого металла.

ны по урану от pH использовали раствор UO₂(NO₃)₂

с концентрацией по урану 10 мг/дм³, содержащий в

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

качестве фонового электролита 0.1 моль/дм³NaNO₃.

Варьирование рН раствора в диапазоне 2-10 про-

Мембрану помещали в стандартный фильтраци-

водили добавлением растворов 0.1 моль/дм³ НNO₃

онный модуль типа 1812 с габаритами: длина 315,

и NaОH._.Полученные результаты представлены на

диаметр 55 мм. Общая площадь фильтрации 0.3 м²,

рис. 1.

производительность модуля по фильтрату при дав-

Полученные результаты показывают, что задер-

лении 7 атм около 25 дм³/ч.

живающая способность НФ мембраны по урану за-

Методика проведения экспериментов заключа-

висит от его состояния в водных растворах при раз-

лась в приготовлении модельного раствора с по-

личных значениях рН [8]. Наименьшие значения R

следующим пропусканием его через НФ модуль.

(82-83%) наблюдаются в случае нахождения урана

Процесс НФ проводили при постоянном давлении

в растворе в виде уранил-ионов или оксигидратных

на мембране, равном 6.5-7.0 атм, в режиме цирку-

комплексов при рН в диапазоне от 2 до 6. При рН

ляции, когда потоки концентрата и фильтрата воз-

более 6 степень задержания резко увеличивается

вращаются в одну и ту же емкость. По результатам

(до R ~95%), что связано с образованием нераство-

периодически отбираемых проб фильтрата после

римого гидроксида U(IV), а также ди- и трикарбо-

мембраны рассчитывали значение задерживающей

натных комплексов.

способности (R) НФ мембраны по соответствующе-

На втором этапе исследований изучали задержа-

му компоненту по формуле

ние урана из водопроводной воды г. Москва соста-

ва, мг/дм³: Na⁺ 6.7, K⁺ 4.1, Mg²⁺ 15.06, Ca²⁺ 75.35,

R = (1 - С_ф/С₀) × 100%,

В работе определяли также влияние концен-

где С_ф, С₀ - концентрация компонента в фильтра-

трации тория в исходном растворе на степень его

те после мембраны и в исходном растворе соответ-

задержания. Эксперимент проводили с использова-

ственно.

нием раствора, содержащего в качестве фонового

Для определения влияния исходной концентра-

электролита 10 г/дм³ NaNO₃ с рН 1.0. Концентра-

ции исследуемого компонента в растворе на задер-

цию тория варьировали в диапазоне 0.5-4.0 г/дм³.

живающую способность НФ мембраны из раствора

Полученные результаты представлены на рис. 4.

РАДИОХИМИЯ том 63 № 2 2021

НАНОФИЛЬТРАЦИОННОЕ ИЗВЛЕЧЕНИЕ УРАНА

141

R,%

100

Th₂(OH)₆₊

Th₂(OH)₂₊

Th(OH)₄

Гидролиз

100 120

140 160 180 200

920

C, мг/дм³

Рис. 3. Зависимость задерживающей способности (R) НФ

Рис. 2. Зависимость задерживающей способности (R) НФ

мембраны по торию от pH раствора.

мембраны по урану от его концентрации в исходном рас-

творе.

R,%

100

Из рисунка видно, что при увеличении исходной

концентрации тория от 0.5 до 4 г/дм³ задерживающая

способность НФ мембраны практически не меняется

и составляет 93 ± 1%, что свидетельствует о том, что

в данном диапазоне концентраций при рН 1.0 состо-

яние тория в растворе не изменяется. Полученные

800

результаты в какой-то мере могут быть распростра-

C, мг/дм³

нены и на поведение Pu(IV) при НФ водных раство-

Рис. 4. Зависимость задерживающей способности (R) НФ

ров в связи с тем, что гидролитическое поведение Th

мембраны по торию от его исходной концентрации, рН 1.0.

и Pu(IV) в водных растворах достаточно похоже.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

В работе показано, что задерживающая способ-

интересов.

ность (R) нанофильтрационной (НФ) мембраны по

урану зависит от его состояния в водных растворах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Наименьшие значения R (82-83%) наблюдаются

в случае нахождения урана в растворе в виде ура-

1. Громов Б.В. Введение в химическую технологию

нил-ионов или оксигидратных комплексов при рН в

урана: Учебник для вузов. М: Атомиздат, 1978. 336 с.

диапазоне от 2 до 6. В растворах с большим значе-

2. Рябчиков Б.Е. Современная водоподготовка. М.:

нием рН степень задержания урана увеличивается

ДеЛи плюс, 2013. 680 с.

(R ~95%) за счет образования нерастворимого ги-

3. Милютин В.В., Некрасова Н.А., Каптаков В.О. //

дроксида U(IV) и/или карбонатных комплексов.

Радиохимия. 2016. Т. 58, № 6. С. 552-555.

При НФ водных растворов тория при увеличении

4. Каптаков В.О., Милютин В.В., Некрасова Н.А. //

рН от 1 до 3.5 R возрастает с 94 до 99%, что связано с

Радиохимия. 2019. Т. 61, № 2. С. 152-155.

гидролизом ионов тория с образованием оксигидрат-

5. Милютин В.В., Некрасова Н.А., Каптаков В.О. //

ных комплексов различного состава. В диапазоне

Радиохимия. 2016. Т. 58, № 1. С. 30-33.

рН 3-9 степень задержания тория остается постоян-

6. Марченко З. Фотометрическое определение элемен-

ной за счет образования нерастворимого гидроксида

тов. М.: Мир, 1971. 482 с.

тория. В щелочных растворах (рН > 9) R снижается

7. Дятлова Н.М., Темкина В.Я., Колпакова И.Д. Ком-

за счет образования отрицательно заряженных ги-

плексоны. М.: Химия, 1970. 417 с.

дроксо- и/или карбонатных комплексов.

8. Кобец С.А., Пшинко Г.Н., Пузырная Л.Н. // Химия и

В целом нанофильтрация является эффективным

технология воды. 2012. Т. 34, № 6. С. 469-480.

методом очистки сточных и природных вод от при-

9. Shen J., Schaefer A. // Chemosphere. 2014. Vol. 117.

месей урана и тория.

P. 679-691.

РАДИОХИМИЯ том 63 № 2 2021