一种在水溶液中电化学还原制备五价铀的方法、装置及其应用

摘要

本发明属于核技术领域，具体涉及一种在水溶液中电化学还原制备五价铀的方法、装置及其应用，在含有六价铀的水溶液中，以稳定且导电性好的材料作为阳极，以钛片作为阴极，使用直流电源外加电压将六价铀进行电化学还原转化为五价铀并富集在阴极表面，将富集有五价铀的钛电极从溶液中取出，用氮气吹干后，将表面沉积的产物刮下，即可得到五价铀。本发明提供的从水溶液中电化学还原制备五价铀的方法及其装置，在室温下运行，无需高温运行，能耗相对较低；可在空气气氛中运行，无需惰性气体保护，操作简便；其无需添加有机配体，无二次污染问题；制备所得的产物中五价铀相对含量高，能达到90％以上。

权利要求

1.一种在水溶液中电化学还原制备五价铀的方法，其特征在于包括以下步骤：在含有六价铀的水溶液中，以稳定且导电性好的材料作为阳极，以钛金属电极作为阴极，使用直流电源外加电压将六价铀进行电化学还原转化为五价铀并富集在阴极表面，将富集有五价铀的电极从溶液中取出，用氮气吹干后，将表面沉积的产物刮下，即可得到五价铀；

所述含有六价铀的水溶液为添加六价铀的水溶液，六价铀浓度在0.01mg/L以上，pH值3～6；所述六价铀包括但不限于氯化铀酰UO2Cl2、硝酸铀酰UO2(NO3)2、醋酸铀酰UO2(HCOO)2、硫酸铀酰UO2SO4的一种或一种以上；

所述阳极的材料为碳刷、碳毡、碳布、碳棒、石墨毡、石墨片、石墨棒、钛片、钛网、钛棒、不锈钢片、不锈钢网、铂片、铂棒、铂丝或铂网中的一种或一种以上；所述阴极的材料为钛片、钛网、钛棒、钛丝中的一种或一种以上；所述的直流电源外加电压为0.1‑10V；

所述的电化学还原过程中无需控温，在室温下、空气气氛中进行；所述的电化学还原过程的时间为0.01‑24h。

2.一种采用权利要求1所述方法的在水溶液中电化学还原制备五价铀的装置在制备高纯度五价铀化合物中的应用，其特征在于，所述在水溶液中电化学还原制备五价铀的装置由直流电源、反应池、阴极和阳极组成，所述反应池内设有含有六价铀的水溶液，所述阴极材料为钛，所述阴极和阳极之间通过导线连有直流电源；所述阴极的材料为钛片、钛网、钛棒、钛丝中的一种或一种以上；所述阳极的材料为碳刷、碳毡、碳布、碳棒、石墨毡、石墨片、石墨棒、钛片、钛网、钛棒、不锈钢片、不锈钢网、铂片、铂棒、铂丝或铂网中的一种或一种以上；所述的直流电源外加电压为0.1‑10V。

说明书

一种在水溶液中电化学还原制备五价铀的方法、装置及其

应用

技术领域

[0001] 本发明属于核技术领域，具体涉及一种在水溶液中电化学还原制备五价铀的方法、装置及其应用。

背景技术

[0002] 五价铀化合物(U(V))具有许多特殊的性质和用途。在自然条件下，尤其在有水共存时，U(V)极不稳定，易通过歧化反应转化为四价铀化合物(U(IV))和六价铀化合物(U(VI))。因此，如何制备稳定的U(V)化合物，是一大技术难题。

[0003] 专利CN2019113280094提出了“一种五价铀的制备方法及其应用”，以八氧化三铀(U3O8)和氯化铵(NH4Cl)为原料，利用氯化物熔盐体系(LiCl、KCl、NaCl和LiCl‑KCl中的一种)在高温(350‑800℃)和绝氧绝水的条件下制备U(V)的方法。但是该方法仍然存在较大的不足：首先，该工艺制备U(V)过程中需要惰性气体保护，既增加了成本又增加了反应装置的复杂程度；其次，该工艺需要350℃以上的高温，能耗较大。此外，也有文献报道了在水溶液或有机溶剂中通过还原U(VI)制备U(V)的方法，但这些方法仍然有需要外加有机配体、需要高温、需要惰性气体保护、制得的U(V)纯度较低等诸多问题。

发明内容

[0004] 为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种从水溶液中电化学还原制备五价铀的方法、装置及其应用，其能在室温条件下运行、无需惰性气体保护、无需添加有机配体，制备所得的产物中U(V)相对含量高。

[0005] 本发明是通过以下技术方案来实现的：

[0006] 一方面本发明提供了一种在水溶液中电化学还原制备五价铀的方法，包括以下步骤：在含有六价铀的水溶液中，以稳定且导电性好的材料作为阳极，以钛金属电极作为阴极，使用直流电源外加电压将六价铀进行电化学还原转化为五价铀并富集在阴极表面，将富集有五价铀的电极从溶液中取出，用氮气吹干后，将表面沉积的产物刮下，即可得到五价铀。

[0007] 优选的，所述含有六价铀的水溶液为添加六价铀的水溶液，六价铀浓度在0.01mg/L以上，pH值3～6；所述六价铀包括但不限于氯化铀酰UO2Cl2、硝酸铀酰UO2(NO3)2、醋酸铀酰UO2(HCOO)2、硫酸铀酰UO2SO4的一种或一种以上。

[0008] 优选的，所述阳极的材料为碳刷、碳毡、碳布、碳棒、石墨毡、石墨片、石墨棒、钛片、钛网、钛棒、不锈钢片、不锈钢网、铂片、铂棒、铂丝或铂网中的一种或一种以上；

[0009] 优选的，所述阴极的材料为钛片、钛网、钛棒、钛丝中的一种或一种以上。

[0010] 优选的，所述的直流电源外加电压为0.1‑10V。

[0011] 优选的，所述的电化学还原过程中无需控温，在室温下、空气气氛中进行；所述的电化学还原过程的时间为0.01‑24h。

[0012] 第二方面本发明还提供了一种在水溶液中电化学还原制备五价铀的装置，其包括反应池、阴极和阳极，所述反应池内设有含有六价铀的水溶液，所述阴极材料为钛，所述阴极和阳极之间通过导线连有直流电源。

[0013] 优选的，所述阴极的材料为钛片、钛网、钛棒、钛丝中的一种或一种以上；所述阳极的材料为碳刷、碳毡、碳布、碳棒、石墨毡、石墨片、石墨棒、钛片、钛网、钛棒、不锈钢片、不锈钢网、铂片、铂棒、铂丝或铂网中的一种或一种以上；

[0014] 优选的，所述的直流电源外加电压为0.1‑10V。

[0015] 第三方面本发明还提供了上述所述的方法或装置在制备高纯度五价铀化合物中的应用。

[0016] 与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

[0017] 1)本发明所提供的五价铀制备方法无需外加药剂，无二次污染问题；

[0018] 2)本发明所提供的五价铀制备方法可在室温下运行，无需高温运行，能耗相对较低；

[0019] 3)本发明所提供的五价铀制备方法可在空气气氛中运行，无需惰性气体保护，操作简便；

[0020] 4)本发明所提供的五价铀制备方法制备得到的产物中U(V)的含量高，能达到90％以上。

附图说明

[0021] 下面结合附图对本发明作进一步的说明；

[0022] 图1为本发明实施例1‑3中U(VI)转化为U(V)富集于阴极的效率随反应时间的关系曲线。

[0023] 图2为本发明实施例1‑3中制得的铀还原产物的XPS表征谱图。

[0024] 图3为本发明实施例1‑3中五价铀制备过程的原理示意图。

[0025] 图4为本发明的装置中钛电极在不同浓度六价铀溶液中的循环伏安扫描曲线。

具体实施方式

[0026] 为更清楚地理解本发明的目的、特征和优点，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步阐释。如无特别说明，所述原材料均能从商业途径获得。

[0027] 实施例1

[0028] 将60mL含U(VI)水溶液(浓度为11mg/L，pH为4.2，有1170mg/L共存NaCl)加入到反应容器中，以二氧化钛纳米管阵列为阳极(3cm*3cm)，以钛片为阴极(3cm*3.5cm)，在1.2V左右的直流电压下进行电还原制备U(V)。在常温常压下，在空气中电还原2小时后，在阴极上富集的铀含量为0.52mg。通过X射线光电子能谱(XPS)表征，证实这些铀还原产物中U(V)的含量在90％以上。

[0029] 实施例2

[0030] 在实施例1其他条件不变的情况下，将直流电压变为1.7V。在常温常压下，在空气中电还原2小时后，在阴极上富集的铀含量为0.42mg。通过XPS表征，证实这些铀还原产物中U(V)的含量在90％以上。

[0031] 实施例3

[0032] 在实施例1其他条件不变的情况下，将直流电压变为0.7V。在常温常压下，在空气中电还原2小时后，在阴极上富集的铀含量为0.43mg。通过XPS表征，证实这些铀还原产物中U(V)的含量在90％以上。

[0033] 由图2的U(VI)转化为U(V)富集于阴极的效率随反应时间的关系曲线可知，在时间0‑2个小时内，只要存在外在电压和溶液中存在着六价铀，溶液中的所有六价铀都可以持续被还原富集于钛电极，并且在钛电极上富集的还原产物本身也能做活性位点，反应可以持续进行。

[0034] 由图3的制得的铀还原产物的X射线光电子能谱(XPS)表征谱图可知，实施例1‑3中生成的六价铀还原产物大部分为五价铀。

[0035] 本发明经过反复大量的试验表明：本发明的在水溶液中电化学还原制备五价铀的装置，其包括反应池、阴极和阳极，所述反应池内设有含有六价铀的水溶液，所述阴极材料为钛，所述阴极和阳极之间通过导线连有直流电源，电化学还原过程中无需控温，在室温下、空气气氛中进行。只要满足以下条件就能保证装置的顺利运行：添加六价铀的水溶液中六价铀浓度在0.01mg/L以上，调pH值3～6；所述直流电源外加电压为0.1‑10V。大量试验证明：其中，阴极的材料可以选择钛片、钛网、钛棒或钛丝；其中所述六价铀包括但不限于氯化铀酰UO2Cl2、硝酸铀酰UO2(NO3)2、醋酸铀酰UO2(HCOO)2、硫酸铀酰UO2SO4；以稳定且导电性好的材料作为阳极，可以选用碳刷、碳毡、碳布、碳棒、石墨毡、石墨片、石墨棒、钛片、钛网、钛棒、不锈钢片、不锈钢网、铂片、铂棒、铂丝或铂网；电化学还原过程的时间为0.01‑24h。

[0036] 本发明的原理：

[0037] 本发明的装置可以在室温下、空气气氛中、无外源添加剂的条件下，直接以直流电源为电子供体，还原水溶液中的U(VI)，将其还原转化为U(V)并富集于阴极表面。电化学还原制备U(V)完成后，将富集有U(V)的电极从溶液中取出，用氮气吹干后，将表面沉积的产物刮下，即可得到U(V)。反应原理详细见附图3所示。六价铀在钛表面进行还原是一步单电子还原过程，详见附图4的装置中钛电极在不同浓度六价铀溶液中的循环伏安扫描曲线，且生成的五价铀与钛形成化学吸附，进而被稳定吸附于钛电极，从而达到从水溶液中制备90％以上高纯度五价铀的目的。

[0038] 以上所述仅是对本发明的实施方式的举例展示，并非对本发明作任何形式上的限制。本发明保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施例所限，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改或等同变化与修饰均属于本发明的保护范围。