離子交換樹脂吸附法去除某鈾礦山廢水中的鈾

趙 春 王 彬 汪時(shí)沛 黃一鳴 雷治武，3

(1.核工業(yè)二一六大隊(duì)，烏魯木齊 830011； 2.南華大學(xué)，湖南 衡陽 243301； 3.南華大學(xué)核燃料循環(huán)技術(shù)與裝備湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽 243301)

核能作為一種高效清潔能源，已引起越來越多的關(guān)注[1]。但是，在鈾的開采和加工過程中會產(chǎn)生大量的含鈾放射性廢水。鈾是一種重金屬，具有化學(xué)和放射毒性，如果不及時(shí)有效地修復(fù)鈾礦放射性廢水，它將遷移到環(huán)境中，甚至進(jìn)入食物鏈，并有可能危害生態(tài)安全[2]。因此，從礦山放射性廢水中有效分離和脫除鈾具有重要的科學(xué)和實(shí)踐意義。目前，鈾(Ⅵ)的分離和去除方法主要包括化學(xué)沉淀法、離子交換法、膜分離法、植物修復(fù)法、還原和吸附法[3-6]。吸附法因其成本低、效率高、操作簡便而成為最普遍的方法。鈾礦山采礦廢水成分比較簡單，pH值在6.5左右，含鈾2～5 mg/L，廢水中的鈾濃度超過國家排放標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定含鈾廢水中鈾含量低于0.3 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)，需要處理。針對廢水中鈾處理的研究較多，并取得了較大進(jìn)展[7-12]，但針對弱酸性含鈾礦山廢水處理的研究不多，本研究針對某鈾礦山廢水為弱酸性、鈾主要以碳酸鈾酰絡(luò)陰離子形式存在的特點(diǎn)，選用陰離子交換樹脂吸附法處理鈾，通過條件試驗(yàn)，獲得樹脂吸附鈾的最佳工藝參數(shù)條件，為現(xiàn)場廢水處理提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 廢水性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，鈾礦山廢水加入吸附原液貯槽6中，用計(jì)量輸液泵5以2.8 mL/min流量，從離子交換柱3頂部加入，自上而下通過樹脂層2進(jìn)行吸附，吸附尾液從底部流出，用自動取樣器對流出尾液進(jìn)行取樣，然后計(jì)量流出液體積，分析鈾濃度，直至吸附尾液鈾濃度達(dá)到0.3 mg/L時(shí)認(rèn)為樹脂已穿透，吸附尾液U濃度等于吸附原液U濃度時(shí)，認(rèn)為樹脂吸附達(dá)到飽和，停止吸附，取飽和樹脂分析吸附容量。

圖1 吸附試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the adsorption device

1.3 樹脂選型試驗(yàn)

根據(jù)該鈾礦山廢水成分特性，廢水中的鈾主要以碳酸鈾酰絡(luò)陰離子形式存在，選用陰離子樹脂吸附U，樹脂吸附U飽和后，再用淋洗劑將鈾洗脫下來，淋洗合格液用NaOH進(jìn)行沉淀。選擇705大孔弱堿性陰離子交換樹脂、408(Ⅱ)強(qiáng)堿性苯乙烯陰離子交換樹脂和D302大孔弱堿離子交換樹脂三種樹脂進(jìn)行吸附容量對比試驗(yàn)，取三種樹脂各250 mL，分別用尼龍網(wǎng)袋包裝好，放在地表廢水流動處動態(tài)吸附，5天后取回，用水沖洗后分析樹脂對U的吸附容量，試驗(yàn)共進(jìn)行了6次。

1.4 淋洗試驗(yàn)

配制三種淋洗劑，分別為：1#淋洗劑：10%Na2CO3+5% NaHCO3；2#淋洗劑：1 M NaCl+5 g/L NaHCO3；3#淋洗劑：33 g/L NaCl+50 g/L NaHCO3；用三根淋洗柱進(jìn)行淋洗U對比試驗(yàn)，三根淋洗柱的淋洗參數(shù)為：淋洗柱的規(guī)格為410 mm×1 000 mm，常溫條件，飽和樹脂體積為70 mL，裝柱高度為800 mm，接觸時(shí)間為30 min，配制好的淋洗劑裝入淋洗劑槽，用計(jì)量泵輸送，調(diào)節(jié)流量為110.2 mL/min，淋洗劑從柱頂部進(jìn)入，自上而下經(jīng)過柱中的飽和樹脂淋洗U；淋洗柱底部流出至自動取樣器，計(jì)量流出液體積，取樣分析U濃度，當(dāng)流出液鈾濃度低于0.2 g/L時(shí)停止淋洗。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 樹脂類型對鈾吸附容量的影響

含鈾廢水中的U濃度為2.0～5.0 mg/L，廢水pH值為6.5～6.9，為弱酸性，705大孔弱堿性陰離子交換樹脂、408(Ⅱ)強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂和D302大孔弱堿離子交換樹脂三種離子交換樹脂的吸附容量對比結(jié)果見表1。

由表1可知，三種堿性樹脂中，705大孔弱堿性陰離子樹脂對鈾的吸附容量在2～3 g/L，D302樹脂對鈾的吸附容量在3～4 g/L，而408(Ⅱ)強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂吸附U性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前兩種樹脂，對U吸附容量最大，離子交換樹脂吸附U的飽和容量可達(dá)19.97 g/L，吸附容量約為其它兩種樹脂的4倍。因此，選用408(Ⅱ)樹脂繼續(xù)后續(xù)試驗(yàn)。

表1 樹脂吸附容量對比試驗(yàn)結(jié)果

2.2 離子交換柱吸附U試驗(yàn)

取408(Ⅱ)強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂的體積70 mL填充于離子交換柱中對廢水進(jìn)行吸附，吸附接觸時(shí)間為10 min，樹脂層高度為900 mm，吸附溫度為常溫，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 408(Ⅱ)樹脂對鈾吸附的吸附曲線Fig.2 Adsorption curve of 408(Ⅱ)resin for uranium

從圖2可以看出，408(Ⅱ)樹脂吸附規(guī)律較好，在穿透樹脂床體積數(shù)約為3 000 BV，飽和樹脂床體積數(shù)約為5 800 BV，此時(shí)的樹脂飽和吸附容量為18.37 g/L。

2.3 淋洗試驗(yàn)

淋洗試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，1#淋洗劑和3#淋洗劑得到的淋洗液中U濃度最高分別為7.4 g/L和11.5 g/L，而2#淋洗劑的淋洗效果優(yōu)于其他兩種，高達(dá)26.2 g/L，因此，確定選用1M NaCl+5 g/L NaHCO3為試驗(yàn)所用淋洗劑。

圖3 三種淋洗劑淋洗曲線Fig.3 Leaching curves of three eluents

2.4 樹脂吸附—淋洗循環(huán)試驗(yàn)

為考察試驗(yàn)選用樹脂的循環(huán)使用效果，取2#淋洗柱的樹脂又重復(fù)進(jìn)行了2次吸附—淋洗試驗(yàn)，3次吸附—淋洗循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 2#柱樹脂三次淋洗曲線圖Fig.4 Three-time leaching curves of 2 # column resin

從圖4可以看出，408(Ⅱ)樹脂經(jīng)過吸附—淋洗3次循環(huán)試驗(yàn)后，除了淋洗得到的合格液U濃度峰值存在一定差異，樹脂飽和度、貧樹脂U殘余量、淋洗曲線等基本穩(wěn)定，達(dá)到滿意效果。

2.5 合格液沉淀試驗(yàn)

取2#淋洗柱淋洗得到的500 mL合格液(pH值8.75、U濃度8.73 g/L)進(jìn)行沉淀工藝試驗(yàn)。500 mL淋洗合格液先用H2SO4酸化至pH值為2.5，趕走CO2后，常溫，邊攪拌邊加入片狀NaOH，控制沉淀終點(diǎn)pH值7.5左右，計(jì)算NaOH用量。澄清過濾，分析沉淀母液U濃度，濾餅用水制漿洗滌，再過濾得到產(chǎn)品，濾餅于烘箱中105 ℃烘干，得到“111”產(chǎn)品，磨細(xì)后對產(chǎn)品進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表2。

表2 “111”產(chǎn)品的主要成分

由表2可知，沉淀后產(chǎn)品中鈾的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為53.27%，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)。此外，沉淀反應(yīng)過程中每kg U的NaOH消耗量為1.02 kg；沉淀母液U濃度為1.20 mg/L，達(dá)到沉淀工藝要求。

3 結(jié)論

1)408(Ⅱ)樹脂吸附U性能較好，飽和吸附容量為18 g/L左右，吸附尾液U濃度≤0.3 mg/L。

2)用1 M NaCl+5 g/L NaHCO3組合淋洗劑的淋洗效果較好，淋洗合格液U濃度峰值較高，可高達(dá)26.2 g/L；貧樹脂殘余鈾容量低于0.5 g/L，淋洗效率大于97.2%，淋洗效果較好，淋洗循環(huán)結(jié)果也表明樹脂可循環(huán)性能好，樹脂可以反復(fù)利用。

3)取淋洗合格液進(jìn)行沉淀試驗(yàn)，得到的“111”產(chǎn)品達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。