Теория гидрометаллургических процессов редких и радиоактивных металлов

№ 1023

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра металлургии цветных, редких и благородных
металлов

Е.В. Богатырева
А.С. Медведев

Теория
гидрометаллургических
процессов редких
и радиоактивных металлов

Лабораторный практикум

Рекомендовано редакционноиздательским
советом университета

Москва   Издательский Дом МИСиС
2009

УДК 669.053.4 
 
Б73 

Подготовлено в рамках гранта  
по программе «Физик-ядерщик»  
Фонда содействия отечественной науке 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. И.В. Николаев 

Богатырева Е.В., Медведев А.С. 
Б73  
Теория гидрометаллургических процессов редких и радиоактивных металлов: Лаб. практикум. – М.: Изд. Дом МИСиС, 
2009. – 102 с. 

Лабораторный практикум включает работы, охватывающие основные 
разделы курса «Теория гидрометаллургических процессов редких и радиоактивных металлов»: выщелачивание, ионный обмен, экстракция, осаждение 
малорастворимых соединений. Каждая задача содержит элементы научного 
исследования, требующего знания теоретических основ изучаемого процесса. 
При выполнении работ применяются современные методы инструментального анализа. 
Предназначен для студентов, обучающихся по специальностям 150102 
«Металлургия цветных металлов» и 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств (в металлургии)», бакалавров по направлению 150100. 
 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2009 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие.........................................................................................4 

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ 

Лабораторная работа 1. Определение термодинамических 
закономерностей процесса выщелачивания редких 
и радиоактивных металлов.................................................................6 
Лабораторная работа 2. Исследование кинетики 
выщелачивания..................................................................................14 
Лабораторная работа 3. Исследование закономерностей 
химической реакции, внешней и внутренней диффузий...............19 
Лабораторная работа 4. Определение количества аппаратов 
выщелачивания непрерывного действия с идеальным 
перемешиванием в прямоточном каскаде.......................................30 

ЭКСТРАКЦИЯ 
Лабораторная работа 5. Исследование закономерностей 
экстракции молибдена трибутилфосфатом.....................................33 
Лабораторная работа 6. Исследование экстракционного 
разделения урана и примесей ТБФ и смесью ТБФ с Д2ЭГФК .....38 
Лабораторная работа 7. Расчет числа ступеней противоточного 
каскада экстракции............................................................................43 

ИОННЫЙ ОБМЕН 
Лабораторная работа 8. Исследование влияния свойств 
ионитов на сорбционное извлечение из растворов молибдена и 
урана ...................................................................................................48 
Лабораторная работа 9. Изучение кинетики ионообменной 
сорбции молибдена на смоле АН-1 .................................................56 

ОСАЖДЕНИЕ МАЛОРАСТВОРИМЫХ СОЕДИНЕНИЙ 
Лабораторная работа 10. Исследование закономерностей 
осаждения из растворов гидроксидов металлов.............................61 
Лабораторная работа 11. Исследование соосаждения 
малорастворимых соединений редких и радиоактивных 
металлов .............................................................................................66 
Библиографический список...................................................................72
Приложения ............................................................................................73 

Предисловие 

Лабораторный практикум составлен в соответствии с программой 
курса «Теория гидрометаллургических процессов» для студентов, обучающихся по специальностям «Металлургия цветных металлов» 
(150102) и «Автоматизация технологических процессов и производств 
(в металлургии)» (220301), и является дополнением к учебному пособию: Медведев А.С., Богатырева Е.В. Теория и практика гидрометаллургических процессов. 
Цель выполнения работ лабораторного практикума – освоение 
студентами основных теоретических положений курса и методов исследования закономерностей важнейших гидрометаллургических 
процессов: выщелачивания, экстракции, ионного обмена и осаждения малорастворимых соединений. 
Необходимо подчеркнуть, что без гидрометаллургии невозможно 
получение большинства цветных металлов, в том числе редких (W, 
Mo, Re, Zr, Hf, РЗЭ и др.) и радиоактивных (U, Ra и др.).  
По сравнению с пирометаллургией привлекательность гидрометаллургических технологий и быстрые темпы их реализаций обусловлены:  
– возможностью вовлекать в переработку низкосортное и нетрадиционное сырье (сырьевой аспект);  
– обеспечением энерго- и ресурсосбережения (технологический 
аспект);  
– лучшими условиями труда и экологической обстановкой (экологический аспект); 
– рентабельностью при переработке бедного сырья (экономический аспект). 
Таким образом, гидрометаллургия занимает особое место в металлургии. 
Лабораторный практикум состоит из четырех разделов, содержащих конкретные примеры проведения лабораторных работ по основным процессам гидрометаллургической технологии: выщелачиванию, экстракции, ионному обмену и осаждению малорастворимых 
соединений. 
Выщелачивание – основной процесс, определяющий в бóльшей степени извлечение металла из сырья гидрометаллургическим способом. 
Лабораторные работы, приведенные в разделе «Выщелачивание», позволяют ответить на основные вопросы, связанные с процессом переработки сырья и промпродуктов редких и радиоактивных металлов:  

– какова термодинамическая вероятность протекания реакции 
при заданных условиях; 
– каков минимальный расход реагента, обеспечивающий заданную степень извлечения;  
– какая стадия лимитирует (тормозит) процесс и как ее интенсифицировать; 
– в каких аппаратах вести процесс и сколько их должно быть в 
прямоточном каскаде? 
Высокие темпы развития атомной промышленности, создание материалов с уникальными свойствами, получение высокочистых металлов неразрывно связаны с процессами экстракции и ионного обмена.  
В соответствующих разделах лабораторного практикума рассмотрены:  
1) закономерности равновесия экстракции и ионного обмена редких и радиоактивных металлов в зависимости от природы экстрагента (ТБФ или смесь ТБФ с Д2ЭГФК) и ионитов (пористые, гелевые);  
2) вопросы кинетики ионообменной сорбции молибдена.  
Уделено внимание и методам расчета ступеней противоточного 
каскада экстракции редких и радиоактивных металлов. 
Осаждение малорастворимых соединений из растворов проводят 
с целью разделения металлов, очистки растворов от примесей и извлечения целевого металла. В последнем случае предъявляются высокие требования к качеству получаемой продукции. В разделе лабораторного практикума «Осаждение малорастворимых соединений» 
рассмотрены закономерности осаждения и соосаждения из растворов 
малорастворимых соединений редких и радиоактивных металлов (U, 
Ra, РЗЭ и др.) 
Изложение материала каждой лабораторной работы дано в следующей последовательности: цель работы, теоретическое введение и 
суть работы, аппаратура и исходные материалы, методика проведения работы, обработка результатов (в том числе с использованием 
ПЭВМ), контрольные вопросы. 
В приложениях систематизированы основные справочные данные, 
методики химических анализов, программы для расчетов на ПЭВМ, 
меры оказания первой помощи при несчастных случаях в лаборатории. 
По окончании работы студент должен оформить отчет в соответствии 
с 
требованиями 
ГОСТ 7.32–2001 
«Отчет 
о 
научноисследовательской работе. Структура и правила оформления». 

ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ 

Лабораторная работа 1 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ 
ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССА 
ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ РЕДКИХ 
И РАДИОАКТИВНЫХ МЕТАЛЛОВ 

(2 часа) 

1.1. Цель работы 

Установить термодинамическую вероятность реакций, рассчитать 
расход реагента и определить оптимальные условия выщелачивания 
с термодинамической точки зрения. 

1.2. Теоретическое введение 

Рудное сырье, содержащее редкие и радиоактивные металлы, как 
правило, бедное. Руды содержат от тысячных до десятых долей процента извлекаемого металла, поэтому их или обогащают (т.е. повышают содержание ценного компонента в твердой фазе), или, если 
обогащение затруднительно (урановые руды и др.), осуществляют 
непосредственное извлечение металла из руды, используя большей 
частью гидрометаллургические методы. 
Первой и важнейшей операцией многих гидрометаллургических 
технологических схем является выщелачивание. 
Выщелачивание – избирательное извлечение металла (или металлов) из руды, рудного концентрата или промпродукта в водный раствор. 
Теория процесса выщелачивания (как и любого другого, в основе 
которого лежат химические взаимодействия) содержит два аспекта: 
1) термодинамический, который характеризует процесс в состоянии равновесия; 
2) кинетический, характеризующий изменение параметров процесса (t, p, C, V и т.д.) во времени. 
Термодинамика выщелачивания позволяет: 
1. Оценить термодинамическую вероятность реакции при выбранных параметрах (t, p, C, V и т.д.) по величине энергии Гиббса. 

Так, если
о
Т
G
Δ
 < –30 кДж/моль, то реакция является термодинамич
ски вероятной. При 
о
Т
G
Δ
 > +30 кДж/моль реакция не является тер
модинамически вероятной. Если 
о
Т
G
Δ
∈ [0;+20] кДж/моль, то вероятность реакции определяют по уравнению изотермы Вант – Гоффа: 

 
ln
o
T
T
G
G
RT
q
Δ
= Δ
+
, 
(1.1) 

где 
Т
G
Δ
 – энергия Гиббса реакции при данных параметрах (t, p, C); 

о
Т
G
Δ
 – стандартная энергия Гиббса реакции; 
q – по форме совпадает с константой равновесия реакции (Ка), 
однако в него входят не равновесные, а начальные или текущие 
активности продуктов реакций и исходных веществ. 

Термодинамическая вероятность протекания реакции – необходимое, но не достаточное условие ее протекания (!). Достаточное условие – благоприятная кинетика, т.е. приемлемая скорость процесса 
(реакции).  
2. Рассчитать термодинамически необходимое количество реагента (ТНК), т.е. минимальный расход реагента, обеспечивающий 
100 %-ное извлечение ценного компонента в раствор. Так, для реакции 

 
А (тв) + bB(р-р) ⇔ сС(р-р) + dD(тв), 
 

 
 
 
 
 
 

 
[ ]равн
ТНК
СНК
В
V
=
+
, 
(1.2) 

где ТНК – количество реагента, которое необходимо затратить на 
1 моль выщелачиваемого вещества, чтобы обеспечить 
100 %-ное извлечение металла в раствор, моль; 
 
СНК – стехиометрически необходимое количество реагента, 
затрачиваемое на 1 моль выщелачиваемого вещества по 
реакции (для приведенной реакции СНК = b моль), 
моль; 
 
[B]равн – равновесная концентрация реагента (определяется из 
константы равновесия), моль/дм3; 
 
V 
– объем раствора, приходящийся на 1 моль выщелачиваемого вещества, моль. 

Выщелачиваемое  
вещество

Раствор  
реагента 

Жидкий 
продукт 
реакции

Твердый 
продукт 
реакции

Для проведения процесса выщелачивания обычно используют 
растворы минеральных кислот (H2SO4, HNO3, НСl, HF и др.), щелочей (NaOH, NH4OH и др.) или хорошо растворимых солей (Na2CO3, 
(NH4)2CO3 и др.). Выбор того или иного реагента определяется типом 
руды (концентрата): составом минералов металлов, «пустой» породы 
и др. «Пустая» порода содержится в рудных материалах (U, W, Ti, Zr 
и др.) в довольно больших количествах (10 – 99 %), при этом взаимодействие даже небольшой ее части с реагентом приводит к существенному дополнительному расходу реагента и увеличению затрат 
на выщелачивание. Так, например, выщелачивание кислотами невыгодно применять к рудам (концентратам), которые содержат большое 
количество карбонатов (кальцита, доломита, сидерита и т.п.) из-за 
повышенного расхода кислоты. 
Иногда для перевода соединений металлов в более реакционноспособную форму (например, UO2 в UO3) дополнительно в систему 
вводят окислитель: кислород (О2), смесь кислорода и воздуха, пиролюзит (MnO2), хлорат натрия (NaClO3). 

1.3. Перечень оборудования 
ЭВМ и программное обеспечение для проверки усвоенных студентами знаний (возможный вариант программного обеспечения 
приведен в прил. 1). 

1.4. Порядок проведения работы 
Студент в соответствии с номером варианта, который присваивается преподавателем, выполняет задание (табл. 1.1), которое состоит 
из следующих этапов: 
– определение закономерности изменения энергии Гиббса реакции от температуры; 
– расчет расхода реагента; 
– выполнение индивидуального задания. 
По результатам ответов студент получает оценку. 
Необходимые справочные данные для расчетов приведены в прил. 2. 

1.5. Отчет о работе 
Отчет должен содержать: индивидуальное задание по работе; 
данные, использованные в расчетах, и ответы на поставленные вопросы (в расчетном задании привести ход решения). 

Контрольные вопросы 
1. На какие вопросы, связанные с гидрометаллургией, отвечает 
термодинамика? 

 

 

Таблица 1.1 
Варианты заданий 

Задание 
Реакция (реакции) 
1 
2 
3 
4 

UO2(тв)+4H+
aq⇔U4+
aq+2H2O 
Определить зависимость 
o

T
G
Δ
 
реакции от температуры 

В каком интервале 
температур реакция 
термодинамически 
вероятна? 

При каком условии реакция термодинамически 
вероятна, если t = 200 oC? 

Определить приближенно по величине Ка 
ТНК серной кислоты, 
если Т = 383 К,  
Vр-ра = 1 дм3 

FeWO4(тв)+2OHaq⇔ 
Fe(OH)2(тв)+ WO4
2aq 
Определить зависимость  

o

T
G
Δ
 реакций от 
температуры 

Определить зависимость ТНК реакции 
от объема раствора. 

Определить минимальный расход NaOH для 
полного перевода в раствор 1 кг FeWO4, если 
равновесная концентрация 
[WO4
2–] = 0,5 моль/дм3, 
Т = 373 К. Принять Ка ≈ Кс 

Какова размерность 
истинной константы 
равновесия записанной реакции? 

UO2(тв)+4H+
aq⇔U4+
aq+2H2O 
UO2(тв)+2H2SO4(р-р)⇔ 
U(SO4)(р-р) + 2H2O 

Определить зависимости 
o

T
G
Δ
 
реакций от температуры 

Какая из реакций 
более термодинамически вероятна в 
интервале температур 25–300 оС? 

Определить приближенно по величине Ка ТНК 
серной кислоты для более термодинамически 
вероятной реакций, если 
Т = 298 К и Vр-ра = 1 дм3 

Как изменится расход 
реагента для приведенных реакций при 
увеличении температуры? 

5ReO2(тв)+3MnO4
aq+4H+
aq⇔ 
5 ReO4
aq+3 Mn2+
aq+2H2O 
 
2ReO2(тв)+3MnO2(тв)+4H+
aq⇔ 
5 ReO4
aq+3 Mn2+
aq+2H2O 
 

Определить зависимость 
o

T
G
Δ
 
реакций от температуры 

Какая из реакций 
более термодинамически вероятна? 

Зависит ли численное 
значение
o

T
G
Δ
реакции от 
вида записи реакции? 

Определить приближенно по величине Ка 
ТНК серной кислоты 
для более вероятной с 
термодинамической 
точки зрения реакции, если t = 25 oC, 
Vр-ра = 5 дм3 

 

Продолжение табл. 1.1 

Задание 
Реакция (реакции) 
1 
2 
3 
4 

СaWO4(тв)+2NaF(р-р) ⇔ 
Na2WO4(р-р)+СaF2(тв) 
Определить зависимость 
o

T
G
Δ
 
реакции от температуры 

Рассчитать Ка при 
t = 200 оС 
Как зависит активность 
вещества от его концентрации? 

Определить приближенно по величине Ка 
расход фторида натрия (кг/кг), если 
t = 200 oC, т:ж = 1:4 

UO2(тв)+4H+
aq⇔U4+
aq+2H2O 
Определить зависимость 
o

T
G
Δ
 
реакции от температуры 

При каких условиях 
реакция термодинамически вероятна? 

Рассчитать расход серной кислоты (т/т UO2), 
если равновесная концентрация 
[UO2SO4] = 0,5 моль/ дм3, 
Т = 300 К, т:ж = 1:4.  
Принять Ка ≈ Кс 

Изменится ли расход 
серной кислоты при 
повышении температуры? 

UO2(тв)+4H+
aq⇔U4+
aq+2H2O 
UO2(тв)+2H2SO4(р-р)⇔ 
U(SO4)(р-р) + 2H2O 

Определить зависимость 
o

T
G
Δ
 
реакций от температуры 

В каком интервале 
температур термодинамически вероятны обе реакции? 

Для какой реакции ТНК 
серной кислоты больше, 
если Т = 383 К,  
а Vр-ра = 1 дм3 на 1 моль 
выщелачиваемого вещества? 

Что необходимо 
предпринять, чтобы 
повысить термодинамическую вероятность выщелачивания 
урана, если исходная 
руда содержит преимущественно четырехвалентный уран? 

СaMoO4(тв)+Na2CO3(р-р) ⇔ 
Na2MoO4(р-р)+СaCO3(тв) 
Определить зависимость 
o

T
G
Δ
 
реакции от температуры 

Рассчитать Ка при 
температуре  
90 оС 

Выразить активность 
Na2MoO4 и Na2CO3 в 
водном растворе через 
молярную концентрацию 
соли (m) и средний ионный коэффициент активности (
)
±
γ
 

Рассчитать ТНК соды, если 
t = 90 оС,

2
3
Na CO
0,264
±
γ
=

2
4
Na MoO
0,2
±
γ
=
 

 

Продолжение табл. 1.1 

Задание 
Реакция (реакции) 
1 
2 
3 
4 

UO2(тв)+4H+
aq⇔ U4+
aq+2H2O 
UO3(тв)+2H+
aq⇔ UО2 2+
aq+H2O 
Определить зависимость 
o

T
G
Δ
 
реакций от температуры 

В каком интервале 
температур термодинамически вероятны обе реакции ? 

Определить приближенно по величине Ка ТНК 
серной кислоты для приведенных реакций, если 
Т = 383 К, а Vр-ра = 1 дм3 

Изменится ли 
o

T
G
Δ
 
реакции выщелачивания UO2 серной 
кислотой при увеличении концентрации 
последней?

3СaWO4(тв)+2Na3PO4(р-р) ⇔ 
3Na2WO4(р-р)+Сa3(PO4)2(тв) 
Определить зависимость 
o

T
G
Δ
 
реакции от температуры 

От чего зависит 
величина константы 
равновесия? 

Какие сведения необходимы, чтобы однозначно 
утверждать, что реакция 
вероятна? 

Определить приближенно по величине Ка 
ТНК фосфата натрия, 
если Т = 373 К и для 
данной реакции  
Vр-ра = 3 дм3 

СaWO4(тв)+Na2CO3(р-р) ⇔ 
Na2WO4(р-р)+СaCO3(тв) 
Определить зависимость 
o

T
G
Δ
 
реакции от температуры 

Определить зависимость ТНК реакции 
от объема раствора 

Определить расход соды 
(кг/кг СaWO4) для перевода в раствор 95 % 
вольфрама, если 
Т = 473 К. Принять  
Ка ≈ Кс 

Зависит ли размерность коэффициента 
активности вещества 
от способа выражения его концентрации 
в растворе? 

FeTiO3(тв)+2HCl(р-р)⇔ 
TiO2(тв)+FeCl2(р-р)+Н2О 
Определить зависимость 
o

T
G
Δ
 
реакции от температуры 

Рассчитать Ка при 
t = 200 оС 
Рассчитать ТНК и расход 
20 %-ного раствора соляной кислоты, необходимого для 100 %-ного извлечения железа в раствор, 
если [Fe2+] = 1моль/дм3.  
Принять Ка ≈ Кс 

Дают ли термодинамические расчеты 
однозначный ответ на 
вопрос о возможности протекания реакции?