VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Перспективы промышленной добычи урана из рапы Петуховского содового озера экологически чистым способом
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность. В настоящее время уран является основным элементом, применяемым в качестве ядерного топлива. Российская федерация на сегодняшний день заняла лидирующие положение не только по производству атомной энергии, но и стала мировым лидером по строительству АЭС за рубежом. Мы предлагаем на наш взгляд самый экологически безопасный и дешевый метод добычи урана из рапы озера.
Гипотеза: Рапа Петуховского содового озера может быть использована для получения урана.
Цель исследований – исследовать рапу на наличие урана и разработать промышленный способ его добычи.
Задачи исследования:
Изучить методы физических химических исследований.
Провести необходимые исследования методами, используемыми в физической и химической науках.
Объект исследования: Рапа Петуховского содового озера.
Предмет исследования: Уран.
Методы и приемы исследования: изучение специальной литературы, прямые и косвенные наблюдения, анализ, синтез и сравнение эксперимент.
Новизна. На сегодняшний день в мире уран из рапы озер не добывается.
Глава 1. Теоретическая часть.
1.1 Геологическая история
По вопросу о происхождении озер Западно-Сибирской низменности существует несколько точек зрения. Одни рассматривают их как реликтовые водоемы - остатки бывшего Западно-Сибирского моря, другие причины их возникновения связывают с бывшей здесь некогда вечной мерзлотой. Поэтому со всей остротой встает вопрос об источнике солей в Кулундинской степи. Еще острее стоит вопрос, откуда в Кулундинской степи мог взяться уран.
1.2 Краткие исторические сведения
Уран– один из самых загадочных элементов, существующих в природе. Его историю можно назвать «историей ошибок и загадок». Впервые об уране услышали в1789 году. Немецкий химик и философ Мартин Герман Клапрот установил, что желтая саксонская смоляная руда, на самом деле содержит новый неизвестный элемент. Клапрот назвал его в честь самой удаленной от Солнца планеты – ураном. 1841 году француз Эжен Пелиго доказал, что полученное Клапротом вещество не металл, а оксид урана UO2. Ему же удалось получить настоящий металлический уран. Его поверхностно изучили, определили основные физические константы, основные химические свойства, атомный вес. Соли урана стали использовать в качестве краски для стекол и керамики. Когда в 1869 году Д.И. Менделеев открыл Периодический закон и впервые опубликовал Периодическую систему. Для урана, вместо общепринятой тогда атомной массы, равной 120, он предположил атомную массу, равную 240. В 1895г. Беккерель открыл основополагающее явление ядерной физики – радиоактивность. Уран вновь стал объектом пристального изучения физиков и химиков. После открытия супругами Кюри более активных полония и радия интерес к урану упал. Так продолжалось до открытия в 1939г. способности ядер урана к распаду под действием бомбардировки нейтронами. Это была подлинная сенсация в науке, с которой начался новый этап в изучении свойств урана. Была сделана масса важнейших открытий по физике, химии и технологии урана, которые привели к появлению новой отрасли в науке – атомной энергетики. И до сих пор главенствующую роль в ней по-прежнему играет уран. Поток больших открытий практически иссяк, и исследования носят больше прикладной, чем фундаментальный характер. Наконец все загадки 92-го элемента разгаданы. Так ли это? Время покажет.
И время показало. В 2018 году ученые из России, Китая и США предсказали и экспериментально создали новые соединения урана, часть из которых обладает сверхпроводящими свойствами. Их выводы были представлены в журнале Science Advances. Данное открытие может привести к новой технической революции и потребность в уране значительно вырастет.
1.3. Физические свойства и ядерные свойства урана
Уран(U) – радиоактивный химический элемент группы актиноидов(второго интерпериодического узла) Периодической системы Д.И. Менделеева. Это металл серебристо-белого цвета плотностью 18,7 г/см3 . Атомная масса урана равна 238,029. Уран занимает 92-ю клетку в Периодической системе Д.И. Менделеева, это означает, что каждый атом нейтрального урана содержит 92 электрона, которые располагаются на 7 электронных слоях (уровнях). Четыре первых электронных слоя являются завершенными. Связь между ядром и электронами внешних слоев при увеличении радиуса атома быстро ослабляется. Кроме того, наличие большого числа электронов на заполненных уровнях в результате экранирования еще больше ослабляет связь внешних электронов и ядра атома урана. Это приводит к тому, что внешние электроны могут очень легко отрываться от ядра. Поэтому уран – чрезвычайно активный металл. Он может взаимодействовать практически со всеми элементами, кроме благородных газов, приобретая при этом степени окисления +2, +3, +4, +5, +6. Он быстро окисляется на воздухе, а в виде мелкой стружки или пыли способен самовозгораться. В результате окисления образуется закись-окись урана U3O8. В природных условиях наиболее устойчив шестивалентный уран (четырехвалентный уран при окислении на воздухе и при радиоактивном распаде переходит в шестивалентный). В природе наиболее распространены соединения урана с кислородом – двуокись UO2 и трехокись UO3, которые встречаются вместе в различных соотношениях. Независимо от пропорций этих соединений минеральный агрегат, сложенный ими, называют закисью-окисью урана U3O8. Уран в природных минералах представлен смесью трех изотопов: U238 U238 с периодом полураспада 4,51⋅10 9 лет. Содержание его в природном уране составляет 99,28 %. U235 содержание его в природной смеси составляет 0,72%. Период полураспада U235 7,07⋅10 8 лет. Его особенностью является способность делиться под действием медленных нейтронов. U234 является продуктом распада U238. Период его полураспада 2,35⋅105 лет, а содержание в природном уране – 0,006 %. Кроме трех естественных изотопов, в настоящее время получено14 искусственных с массовыми числами, лежащими в интервале 226 – 242.
Ни металлический уран природного состава, ни его очищенные от других радионуклидов соли, благодаря большому периоду полураспада, не представляют радиационной опасности
Глава 2. Практические исследования
2.1 Определение наличия урана в рапе.
Провели качественную реакцию на обнаружение урана.
Для обнаружения урана наиболее часто используют его цветные реакции с неорганическими или органическими реагентами. Практически любой водный раствор хорошо растворимой соли уранила имеет характерную желтую или желто-зеленую окраску.
Широкое распространение получил метод определения урана с пероксидом водорода H2O2 в среде Na2CO3. В присутствии, ионов уранила развивается желтая окраска за счет образования пероксида урана. Предположили что, растворенный в рапе уран в виде уранил карбонатного комплекса. В рапу нагрели до температур 700С, прилили переоксид водорода H2O2. В присутствии, ионов уранила развивается желтая окраска за счет образования пероксида урана[2]. Нагрели до температур 700С. (Приложение I)
В результате мы получим светло-желтый осадок, который быстро выпадает из раствора. UO2+ H2O2→ UO4·2H2O+ 2H+ 2H2O
Высушили осадок, получили вещество желтого цвета. Нагрели сухой переоксид урана UO4 • 2H2O в открытой посуде. Получили вещество оранжевого цвета UO3 при дальнейшем нагревании начал превращаться в коричнево-зеленый U3O8. (Приложение II)
2.2 Осаждениеуранаедким натром.
Получение гидроксида натрия
Реакция образования каустической соды представляет собой реакцию обмена между карбонатом натрия и гидроксидом кальция:
Na2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2NaOH
Выделенное из рапы вещество нагрели, чтобы разложить гидрокарбонаты до карбонатов:
2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O + CO2.
Предварительно загашенную известь Ca(OH)2 смешали с карбонатом натрия Na2CO3, разбавили дистиллированной водой и довели до кипения. Полученную смесь отфильтровали. Получили гидроксид натрия (каустическую соду) 2NaОH. Который позволяет осадить уран из карбонатного раствора без предварительного разрушения карбонатного комплекса.
2 Na4[UО2(CО3)3] + 8 NaOH = 2 Na2UO4 + 6 Nа2СO3 + 4 Н2O
(Приложение III)
2.3 Получение двуокиси урана (UO2) путем электролиза.
Катод использовали медную проволоку. Анод графитовый стержень. Блок питания постоянного тока 5 Вольт. Стеклянная емкость. В качестве электролита, использовали рапу. После включения источника питания электролиз начинается с бурного выделения газа на обоих электродах. На аноде выделяется водород на катоде кислород. В процессе электролиза раствор нагревается. На катоде начинает выделяться углекислый газ, появляется осадок в виде бархатистого черного слоя. Опадает с катода раствор, начинает окрашиваться в чёрный цвет.
В результате реакции образуется переоксидкарбонат натрия, гидроксид натрия .
2 Na2CO3+ 2 H2O = Na2C2O6+ 2NaOH + H2
Реакция окисления протекает следующим образом:2 H2O + 2e-= H2+ 2 OH-
Реакция восстановления выглядит следующим образом:2 СO32-- 2e-= С2O62-
На катоде вследствие разрушения уранил карбонатного комплекса осаждается уранил.
Провели этот же эксперимент, используя катоды из разного материала железо, медь, нержавеющая сталь. Наибольший слой уранила образовался на нержавеющей стали.
Для того чтобы получить чистую щелочь и уранил разделили катодное и анодное пространство диафрагмой. Использовали следующие виды диафрагм: асбестовую ткань на металлической сеточки, синтепоновую на медной сеточки и диафрагму из куриной скорлупы. Наилучший результат получили при использовании медного катода и синтепоновой диафрагмы.
2.4 Получение электричества из грязи Петуховского озера.
Средой для получения электричества мы решили взять грязь Петуховского содового озера. Дело в том, что грязь – это единство трёх сред: твёрдой, жидкой и газообразной. Меду мелкими частичками минералов расположены капли воды и пузырьки воздуха. Более того, элементарная единица почвы – мицелла или глинисто-гумусовый комплекс представляет собой сложную систему, обладающую разницей потенциалов. На внешней оболочке такой системы формируется отрицательный заряд, на внутренней – положительный. Так что в грязи постоянно происходят электрические и электрохимические процессы. Поскольку в ней есть и электричество, и электролиты, то её можно как мини электростанцию.
Эксперимент первый
Взяли Алюминиевую банку заполнили ее грязью из озера, долили рапу. Второй электрод графитовый стержень. Подключили мультиметр примерно через 5 минут напряжение между электродами начало возрастать, и достигло максимума в 2 Вольт. Подключили светодиод заряда нашего устройства, хватило на 17 часов. (Приложение VI)
Эксперимент второй
Взяли два электрода один медный другой железный воткнули в грязь озера набрегу. Подобрали такое расстояние между электродами, где разность потенциалов набольшая на расстоянии 8 см она достигла 6 вольт. Замкнули электроды на лампочку 12 вольт, лампочка загорелась в полнакала. По истечении трех дней накал лампочки не изменился. (Приложение VII)
2.5 Практическое применение
Существует 3 основных способа добычи урана. Первый способ – открытый, подходит для тех случаев, когда рудное тело находится близко к поверхности земли.
Второй способ – подземный – используется при глубоком залегании рудного тела. Способ этот более дорогостоящий и подходит при высокой концентрации урана в породе. При подземном способе пробуривается вертикальная шахта, от которой отходят горизонтальные выработки. Глубина шахт может доходить до двух километров. существует и третий способ. Он кардинально отличается от первых двух и называется скважинное подземное выщелачивание
Среди нетрадиционных гидроминеральных источников уранового сырья наибольшее внимание привлекают воды морей и океанов, в которых находится примерно 4,5 млрд. тонн урана. Несмотря на достаточно низкое содержание урана в морской воде (0.003 мг/л), работы по извлечению урана из вод мирового океана ведутся с начала 80-х годов. Лидерами в этих исследованиях являются японские исследователи [1].
Низкое содержание урана в морской воде инициировало выполнение работ по извлечению урана из озерных вод, где концентрация урана может быть существенно выше. Такие работы по извлечению урана из озерных вод озера Иссык куль (содержание урана 0,03 мг/л, запасы около 50 т. тонн) были выполнены в 60- х годах под руководством академика Ласкорина Б.Н. Однако, в силу ряда причин, эти работы не вышли на промышленный уровень.
Позднее, в республике Таджикистан были проведены работы по извлечению урана из вод уранового озера Сасык- коль (концентрация урана 30 мг/л) [3].
Высокая концентрация урана в водах Ван (озеро в восточной части Турции)была обнаружена исследователями турецкого университета “Фират” во главе с ученым-химиком, профессором Мехматом Яманом. Данные анализа шокировали ученого. По его словам, он “не ожидал такого результата и был потрясен”. Обнаруженные в Ване запасы урана – настоящая богатство для Турции, которая начала совместно с Россией строить АЭС.
Урановое озеро Ван, Турция. Запасы 50 тыс. т. Концентрация урана около 0,07 мг/л.
Группой сибирских ученых под руководством академика Николай Захаровича Ляхова были обнаружены значительные запасы урана в соленых озёрах Кулундинской степи. По озеру Петуховское концентрация урана в рапе составляет 15 мг/л. [13].
2.6 Способы добычи урана из рапы Петуховского озера
Уран в рапе озера находится в виде уранил карбоната UO2(CO3)3 или в виде уранил карбонатного комплекса 3Na4[UO2(CO3)3] . Для извлечения урана из карбонатного комплекса можно воспользоваться несколькими методами.
Осаждение урана едким натром
Применение едкого натра позволяет осадить уран из карбонатного раствора без предварительного разрушения карбонатного комплекса и избытка соды. В сильно- щелочной среде при рН>12 едкий натр разрушает комплекс и осаждает уран.
Восстановление урана водородом
Растворимый карбонатный комплекс образует только шестивалентный уран. Поэтому, если в карбонатной среде восстановить уран до четырехвалентного состояния, то он будет осаждаться в виде гидратированного диоксида.
Получение двуокиси урана путем электролиза
На наш взгляд наиболее приемлем метод восстановление урана в карбонатном растворе электролитический. При пропускании карбонатного раствора через ряд последовательно расположенных электролитических ванн уран будет осаждаться на катодах. Полученный при этом гидроксид натрия может быть использован как в ядерной промышленности, так и в химической. Высоковольтная линия электропередач находится в 3 км от с. Северка. Или же получать электричество из грязи озера. По данным геолога разведывательной экспедиции 1972 г. Запасы соды в озере составляют 180 тыс. тон. Запасы урана могут составить около 200 тон.Собственное производство вРоссиисоставляет 3,56 тысяч тонн, и ещё примерно полторы тысячи тонн дают принадлежащие "Росатому" рудники в Казахстане. При этом потребление составляет 9 тысяч тонн уже сейчас. Пока дефицит покрывается за счёт демонтируемого ядерного оружия, однако этот источник иссякает. Остаётся импорт.
Добывающий комплекс может быть построен в виде модулей на стационарной основе или быть передвижным. Мы предлагаем следующую схему извлечения урана. Приложение VIII
Оксид урана широко используется как ядерное топливо в реакторах.
Все оксиды урана являются наиболее устойчивыми соединениями урана, в связи с чем широко используются как для хранения урана, так и как промежуточное звено между урановорудным, и фторидными урановыми производствами.
Выводы:
1. Изучили литературу о физических и химических свойствах урана.
2. Изучили методы физико-химических исследований.
3. Провели необходимые исследования
4.Проанализировали результаты эксперимента и установили, рапа озера содержит уран. Выяснили, что добыча урана из Петуховского содового озера может осуществляться электра химическим способом и быть рентабельна. Сравнили полученные нами результаты исследования с результатами ранние проведенных научных экспедиций Na2CO3 -64 г/лит, NaHCO3 -13 г/лит [ 10 ], U – 1.5 г.лит [12 ].
Литература
1. Ахмедова Т.И., Фандо Р.А. Начала экспериментальной химии.-М.:Илекса,2006 г.
2. Г.Н. Амелина, И.И. Жерин . КАЧЕСТВЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ УРАНА И ТОРИЯ . Издательство Томского политехнического университета 2015г.
3. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник - Мн.: Современная школа, 2005. - 608 с.
5. Знаменский П.А Лабораторные занятия по физике. УЧПЕДГИЗ 1955г.
6. Кошель.П. Большая школьная энциклопедия.М.,Олма-Пресс,1999г.
7. Кучин М.И Природные богатства соды и других солей в Славгородском округе. Жизнь Сибири. 1928. № 1;
8. Кучин М.И Месторождения природной соды в Сибири и значение их для развития содовой промышленности. Жизнь Сибири. 1929. № 11-12
9. А.Ю.Кошевник, М.М.Кусаков, Н.М.Лубман, ЖФХ, 27, вып. 12, стр. 1887, 1953г
10. Николаев А.В. Кулундинские соляные озера и пути их освоения. Новосибирск, 1935. С.
11. Л.А. Николаев. Химия вокруг нас. М., Просвещение, 1989г.
12. Д.В. Сивухин. Общий курс физики. «Термодинамика и молекулярная физика».
13. Уран в минерализованных озерах Алтайского края 2016 г. В. П. Исупов. Доклады академии наук стр. 560-569
Приложения
Получение пероксида урана Получение закись – окиси урана UO8 Приложение I Приложение II
Получение гидроксида натрия Получение двуокиси урана UO2
Приложение III Приложение V
Получение электричества из грязи Петуховского озера
Приложение VI Приложение VII
Схема установки получения урана
Приложение VIII