CO2+O2地浸采鈾飽和樹脂酸化技術(shù)與應(yīng)用

陳梅芳，陽奕漢，肖作學(xué)，周義朋，張傳飛，魏 甜

(1.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 2.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000)

新疆A鈾礦規(guī)模較小，礦石成分差異大，部分采區(qū)使用酸化浸出，部分采區(qū)采用CO2+O2浸出，該礦建立了與之配套的2座鈾水冶回收廠。與A鈾礦毗鄰的B鈾礦規(guī)模較大，采用酸法浸出，有獨立的酸法水冶回收系統(tǒng)。兩個鈾礦所用樹脂均為D231YT。近年來，A鈾礦建立了酸法浸出工藝的衛(wèi)星廠，將酸法浸出的硫酸鈾酰型飽和樹脂運送至B鈾礦的酸法水冶廠(中心廠)處理，取得了良好的經(jīng)濟效益[9]。為實現(xiàn)A鈾礦CO2+O2地浸工藝下碳酸鈾酰型飽和樹脂在中心廠集中處理的目的，提出開展CO2+O2地浸采鈾工藝下碳酸鈾酰型飽和樹脂納入酸法地浸水冶回收系統(tǒng)進行后處理的酸化技術(shù)研究，探索不同地浸采鈾工藝下的鈾集中提取工藝方法。因此本文擬以酸法地浸水冶回收系統(tǒng)中的淋洗劑、轉(zhuǎn)型劑、洗滌合格液為碳酸鈾酰型飽和樹脂的酸化劑，開展攪拌浸泡試驗，進行酸化劑的選擇研究。

1 碳酸鈾酰型飽和樹脂的酸化機理

CO2+O2地浸采鈾工藝的選擇性好，浸出液中雜質(zhì)少，水冶吸附的飽和鈾容量高(70～140 g/L濕樹脂)，無需飽和再吸附和回收吸附工序，淋洗采用NaCl+NaHCO3，合格液可直接去沉淀，貧樹脂采用NaHCO3轉(zhuǎn)型。CO2+O2地浸采鈾的水冶回收工藝流程示于圖1。

圖1 CO2+O2地浸采鈾的水冶回收工藝流程Fig.1 Recovering process of CO2+O2 leaching metallurgy

與CO2+O2地浸采鈾工藝相比，酸法地浸采鈾浸出液成分相對復(fù)雜，飽和吸附后樹脂的鈾容量低(15～25 g/L濕樹脂)，需要增加飽和再吸附和回收吸附兩套工序，淋洗與轉(zhuǎn)型工序采用的試劑也與CO2+O2地浸采鈾水冶工藝不同。酸法水冶回收工藝示于圖2。

圖2 酸法水冶回收工藝流程Fig.2 Recovering process of acid leaching metallurgy

(1)

(2)

(R4N)4UO2(SO4)3+3CO2↑+3H2O

(3)

中心廠酸法水冶回收系統(tǒng)中的淋洗劑、轉(zhuǎn)型劑、洗滌合格液均為含硫酸溶液，對碳酸鈾酰型飽和樹脂的酸化轉(zhuǎn)化首先應(yīng)考慮系統(tǒng)內(nèi)的可利用因素。因此以這3種含硫酸溶液為酸化劑，開展室內(nèi)試驗。

2 室內(nèi)試驗

2.1 試驗準(zhǔn)備

取中心廠酸法水冶系統(tǒng)的淋洗劑、轉(zhuǎn)型劑、洗滌合格液各5 000 mL裝入3個可密封的塑料桶。

中心廠酸法水冶系統(tǒng)淋洗劑、轉(zhuǎn)型劑、洗滌合格液3種酸化劑的主要成分列于表1。

表1 3種酸化劑的主要成分Table 1 Main component of three acidifier agents

2.2 試驗過程

取一定床體積數(shù)(樹脂體積的倍數(shù))的上述3種酸化劑分別倒入裝有碳酸鈾酰型飽和樹脂的3個燒杯內(nèi)進行攪拌浸泡，每24 h置換酸化液，至硫酸根濃度不再升高，酸化完全。因酸化液中的鈾濃度較高(幾g/L～幾十g/L)，對硫酸濃度的分析影響大，因此試驗中采用硫酸根分析結(jié)果作為酸化判斷標(biāo)準(zhǔn)。

試驗步驟如下：1) 取2 000 mL的燒杯3個，依次編號為1#、2#、3#，分別裝入1 000 mL清除泥沙后的碳酸鈾酰型飽和樹脂(U容量74.71 g/L)；2) 取淋洗劑、轉(zhuǎn)型劑、洗滌合格液各600 mL(即0.6倍床體積數(shù))分別倒入1#、2#、3#燒杯內(nèi)，啟動攪拌器對燒杯內(nèi)的樹脂進行攪拌；3) 每隔24 h取1#、2#、3#燒杯內(nèi)的酸化液1次，分析鈾、硝酸根、硫酸根濃度以及樹脂的鈾容量和硝酸根容量。如硫酸根濃度持續(xù)升高，抽空各燒杯內(nèi)的酸化液，再加入600 mL對應(yīng)的酸化劑繼續(xù)進行攪拌和浸泡，直至酸化液中的硫酸根濃度不再升高，試驗結(jié)束。

3 結(jié)果與分析

3種酸化劑對碳酸鈾酰型飽和樹脂的酸化轉(zhuǎn)化結(jié)果列于表2～4。

表2 淋洗劑為酸化劑時的攪拌浸泡試驗結(jié)果Table 2 Result of acidification test with eluent agent

表3 轉(zhuǎn)型劑為酸化劑時的攪拌浸泡試驗結(jié)果Table 3 Result of acidification test with transition agent

表4 洗滌合格液為酸化劑時的攪拌浸泡試驗結(jié)果Table 4 Result of acidification test with pregnant liquid

由表2～4知，采用以上3種酸化劑進行酸化轉(zhuǎn)化，至2.4倍床體積時均可酸化完全，主要區(qū)別在于酸化液中的鈾濃度、酸化后樹脂上的鈾和硝酸根容量不同。而這些區(qū)別則是其能否在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

采用淋洗劑作酸化劑時，得到的酸化液中鈾濃度低(均值9.27 g/L)、硝酸根濃度高(均值45.55 g/L)，酸化后樹脂鈾容量低、硝酸根容量高，即在對碳酸鈾酰型飽和樹脂酸化的同時，也對其進行了淋洗，酸化液和酸化后的樹脂在酸法水冶系統(tǒng)中無合適的接入點。

采用轉(zhuǎn)型劑作酸化劑時，酸化液鈾濃度低(均值5.10 g/L)、硝酸根濃度低(均值14.08 g/L)，酸化后樹脂鈾容量低，即在酸化轉(zhuǎn)化過程中也發(fā)生了淋洗作用，不符合設(shè)計目標(biāo)。

采用洗滌合格液作酸化劑時，酸化后樹脂鈾容量高(由74.71 g/L 提高至76.73 g/L )可直接進入淋洗工序，并有利于提高下一步淋洗過程中的合格液鈾濃度，便于集中回收高鈾溶液；洗滌合格液對碳酸鈾酰型飽和樹脂進行酸化轉(zhuǎn)化后，合格液中的酸度降低，因此還降低了沉淀工序中的堿耗。實際生產(chǎn)中，酸法水冶系統(tǒng)吸附工序樹脂飽和鈾容量為20～22 g/L，飽和再吸附容量為50～55 g/L，因此，采用洗滌合格液不但完成了對碳酸鈾酰的酸化，還進一步提高了樹脂容量，效果好，符合設(shè)計目標(biāo)，并實現(xiàn)了洗滌合格液中剩余硫酸的資源化。

從滿足生產(chǎn)要求、節(jié)能降耗和資源循環(huán)利用方面綜合考慮，選用洗滌合格液作酸化劑最為合適。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，針對CO2+O2地浸采鈾工藝下碳酸鈾酰型飽和樹脂的酸化轉(zhuǎn)化及在酸法水冶系統(tǒng)中的集中處理要求，設(shè)計了鈾集中提取工藝流程，如圖3所示。

在中心廠增加酸化轉(zhuǎn)化塔，將CO2+O2浸出吸附后的碳酸鈾酰型飽和樹脂運送至中心廠的酸化轉(zhuǎn)化塔，分流一部分洗滌合格液對其進行酸化轉(zhuǎn)化；酸化完成后，酸化液直接去沉淀，已轉(zhuǎn)化為硫酸鈾酰型的載鈾樹脂進入淋洗工序，完成淋洗及后續(xù)轉(zhuǎn)型。酸法水冶系統(tǒng)轉(zhuǎn)型后樹脂為再生樹脂，因轉(zhuǎn)型劑為硫酸，故在酸法水冶廠增加清水漂洗塔，用于轉(zhuǎn)型后樹脂的漂洗，漂洗至中性后運至衛(wèi)星廠的水冶吸附塔。經(jīng)現(xiàn)場模擬、調(diào)試與應(yīng)用，該工藝流程可行，各工序運行穩(wěn)定，重鈾酸鹽產(chǎn)品的鈾含量≥50%，水含量≤30%，硫酸根含量≤20%，滿足客戶要求。

圖3 現(xiàn)場鈾集中提取工藝流程Fig.3 Centralized uranium extraction process on site

與前期生產(chǎn)進行比較，選用酸法水冶系統(tǒng)的洗滌合格液作碳酸鈾酰飽和樹脂的酸化劑，使中心廠的NaOH原材料消耗由1.28 t/t(U)降至1.08 t/t(U)，其余原材料消耗持平。

5 結(jié)論

1) 酸法水冶系統(tǒng)的淋洗劑、轉(zhuǎn)型劑和洗滌合格液均能對碳酸鈾酰型飽和樹脂進行酸化轉(zhuǎn)化，前兩種酸化劑因在酸化過程中產(chǎn)生淋洗作用不符合工業(yè)應(yīng)用要求，而洗滌合格液是能使其剩余硫酸實現(xiàn)資源化利用、符合工業(yè)需求的酸化劑。

2) 建立了能實現(xiàn)CO2+O2浸出和酸法浸出這兩種浸鈾工藝下鈾的集中提取工藝，從根本上省去了A鈾礦CO2+O2浸出的淋洗、轉(zhuǎn)型、沉淀等工序。該工藝方法應(yīng)以酸法水冶系統(tǒng)為核心，即碳酸鈾酰型飽和樹脂酸化轉(zhuǎn)化后融入處理硫酸鈾酰的酸法水冶系統(tǒng)。

3) CO2+O2浸出和酸法浸出工藝下，鈾的集中提取的最佳途徑為：采用酸法水冶系統(tǒng)的洗滌合格液對碳酸鈾酰型飽和樹脂進行酸化轉(zhuǎn)化，酸化液直接去沉淀，已轉(zhuǎn)化為硫酸鈾酰型的載鈾樹脂進入淋洗工序，與酸法水冶系統(tǒng)的再飽和樹脂共同淋洗，共同轉(zhuǎn)型。這樣既不更改酸法水冶系統(tǒng)的流程，又能充分利用洗滌合格液中剩余的硫酸，降低沉淀工序的堿耗。