用酸性吸附-堿性淋洗工藝從硫酸浸出液中提鈾

鄧慧東，任 燕，周志全，鄭 英，葉開凱，曹令華

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

利用陰離子交換樹脂從鈾礦的硫酸浸出液中提取鈾，已在鈾水冶領域得到廣泛應用[1-5]?，F(xiàn)有的鈾水冶工藝，主要采用硫酸或酸性淋洗劑淋洗負載樹脂上的鈾；而酸性淋洗工藝在淋洗鈾的同時，會將樹脂上吸附的硫酸根及部分雜項元素淋洗到淋洗液中，影響制備的鈾產(chǎn)品質量[6-7]。

有關采用堿性淋洗劑淋洗酸性溶液飽和樹脂的研究鮮見報道。為此，研究堿性淋洗工藝，采用D301弱堿性陰離子交換樹脂吸附處理硫酸浸出液，NaOH溶液預處理負載樹脂，碳酸鈉、碳酸氫鈉堿性溶液淋洗樹脂上的鈾，以降低淋洗液中的硫酸根及部分雜項元素含量。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

某鈾礦石酸性浸出液的組成見表1。

表1 某鈾礦石酸性浸出液組成Table 1 Composition of acid leaching solution of a uranium ore

201×7樹脂：強堿性陰離子交換樹脂，粒徑范圍0.3～1.25 mm≥95%，市售。D301樹脂：大孔弱堿性陰離子交換樹脂，粒徑范圍0.3～1.25 mm≥95%，市售。試驗用氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉，均為分析純。

1.2 試驗設備

有機玻璃離子交換柱(內(nèi)徑1 cm，有效裝填高度70 cm)，雷氟BT100S型蠕動泵，BSZ-40型自動部分收集器，IKEA機械攪拌器，干燥箱。

1.3 試驗原理

(1)

(2)

采用弱堿性樹脂的吸附機理是樹脂締合酸后再吸附鈾，滿足在堿性條件下淋洗的需求，吸附后的飽和樹脂呈酸性[8]，反應過程見式(3)(4)：

(3)

(4)

由于大多數(shù)元素沒有碳酸鹽配合物，因此以碳酸鈉溶液作為淋洗劑可起到凈化提鈾的作用[9-10]。因飽和樹脂上吸附有一定量的硫酸，碳酸鈉、碳酸氫鈉淋洗劑遇酸會放出CO2氣體，造成樹脂短路影響淋洗效果。為解決這一問題，先采用NaOH溶液將樹脂預處理，中和樹脂上的酸，同時將鈾沉淀在樹脂上；然后再用碳酸鹽溶液將樹脂上的鈾淋洗[11-12]。淋洗反應過程見式(5)～(7)：

(5)

(6)

(7)

1.4 試驗方法

對預處理后的負載樹脂，采用NaCO3+NaHCO3淋洗劑解析樹脂上的鈾，采用上進液方式，每BV淋洗液取1個集合樣，分析溶液中的U含量變化，確定淋洗條件。淋洗后的貧樹脂經(jīng)轉型后，進入下一循環(huán)的吸附-淋洗試驗，共循環(huán)6次，測定每次吸附后樹脂的飽和鈾容量，考察樹脂的循環(huán)吸附性能。

2 試驗結果與討論

2.1 吸附試驗

控制吸附原液流量為2.2 mL/min，201×7和D301樹脂的吸附曲線如圖1所示。由于吸附原液鈾質量濃度較低，僅為12 mg/L，故2種樹脂吸附處理的溶液體積較多。

圖1 201×7樹脂和D301樹脂吸附曲線Fig. 1 Adsorption curves of 201×7 resin and D301 resin

由圖1可知，當吸附尾液鈾質量濃度達到穿透濃度(1 mg/L)時，D301樹脂的流出尾液累積床體積為581 BV(穿透體積)；當吸附尾液鈾質量濃度達到吸附原液鈾質量濃度(12 mg/L)時，D301樹脂的流出尾液累積床體積為1 343 BV(飽和體積)，飽穿比為2.3。201×7樹脂的穿透床體積為310 BV，飽和床體積為610 BV，飽穿比為2。二者的飽穿比均可滿足串聯(lián)吸附運行需求。

201×7和D301負載樹脂的組成分析結果如圖2所示?？梢钥闯?，D301樹脂的鈾容量為20 mg/g干樹脂，201×7樹脂的鈾容量為7.10 mg/g干樹脂，D301樹脂的鈾吸附能力顯著優(yōu)于201×7樹脂。從凈化除雜性能來看，D301樹脂的雜項元素吸附量明顯低于201×7樹脂，凈化吸附性能顯著。

圖2 201×7和D301負載樹脂組分分析Fig. 2 Component analysis of 201×7 and D301 loaded resin

2.2 NaOH預處理試驗

采用1 mol/L和2 mol/L的NaOH溶液對負載樹脂進行預處理，中和樹脂中的酸，控制NaOH溶液流量為0.37 mL/min，預處理過程淋洗曲線如圖3、圖4所示。

圖3 1 mol/L NaOH溶液對D301負載樹脂的預處理淋洗曲線Fig. 3 Pretreatment leaching curve of D301 resin with 1 mol/L NaOH solution

圖4 2 mol/L NaOH溶液對D301負載樹脂的預處理淋洗曲線Fig. 4 Pretreatment leaching curve of D301 resin with 2 mol/L NaOH solution

圖5 經(jīng)NaOH預處理后的D301負載樹脂組分Fig. 5 Components of D301 loaded resin after pretreatment with NaOH

2.3 碳酸鈉和碳酸氫鈉淋洗試驗

試驗采用0.33 mol/L Na2CO3和0.67 mol/L NaHCO3淋洗劑，對NaOH預處理后的樹脂進行淋洗，控制淋洗劑進液流量分別為0.36、0.24和0.18 mL/min，淋洗曲線如圖6所示。

圖6 碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液淋洗曲線Fig. 6 Leaching curves of sodium carbonate and sodium bicarbonate solutions

由圖6可知，碳酸鈉和碳酸氫鈉溶液可以將樹脂中的鈾淋洗下來；但由于溶解速率限制，淋洗時間較普通樹脂淋洗時間更長。當淋洗液流量為0.36 mL/min時，溶液接觸時間為60 min，淋洗液效率較低，需4 BV溶液才能將樹脂淋洗干凈，拖尾嚴重。當淋洗液流量為0.18 mL/min時，溶液接觸時間為120 min，淋洗運行至1 BV時，鈾質量濃度即可達到峰值8.92 g/L；在2 BV時，即可淋洗完全，淋洗效率滿足工藝需求。淋洗過程無氣體產(chǎn)生，有效解決了酸性吸附-堿性淋洗過程中可能存在的樹脂短路問題。

取鈾質量濃度峰值前后的2 BV為淋洗合格液，合格液組分分析結果見表2。

表2 某鈾礦石酸性浸出液及淋洗合格液組成Table 2 Composition of acid leaching solution and qualified leachate of a uranium ore g/L

從表2可看出，淋洗合格液相比于浸出液，鈾質量濃度得到了極大富集，溶液中的雜項組分也得到了顯著降低。

2.4 循環(huán)吸附試驗

經(jīng)過6次循環(huán)吸附，樹脂鈾容量如圖7所示?？梢钥闯?，樹脂吸附容量無明顯下降，酸性吸附-堿性淋洗工藝對樹脂吸附性能的穩(wěn)定性無明顯負面影響。

圖7 樹脂循環(huán)吸附鈾容量對比Fig. 7 Comparison of cyclic adsorption capacity of uranium on resin

3 結論