中性地浸采鈾水冶工藝淋洗劑的優(yōu)化

楊少武,原 淵,阮志龍,丁福龍,王領柱

(1.中核北方鈾業(yè)有限公司,遼寧 葫蘆島 125000;2.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149;3.中核通遼鈾業(yè)有限責任公司,內(nèi)蒙古 通遼 028000)

目前中國鈾礦開采以地浸采鈾為主,地浸采鈾產(chǎn)能占鈾礦開采總產(chǎn)能的85%以上[1-4]。地浸采鈾過程包括井場工序的鈾浸出以及水冶工序的鈾提取[5],其中水冶工序鈾提取多采用離子交換工藝。離子交換工藝過程包括鈾的吸附、淋洗和樹脂再生等步驟,即浸出液中的配合鈾離子與樹脂上的活性基團進行交換反應,得到負載鈾的飽和樹脂,隨后用淋洗劑將樹脂上的鈾淋洗到溶液中,實現(xiàn)鈾的富集和回收[6-9]。在水冶過程中,淋洗劑的配制是重要的工序,淋洗劑的選擇既要考慮樹脂淋洗、轉(zhuǎn)型等工藝要求,也要兼顧淋洗合格液后處理過程的便利性[10-12]。

1 某鈾礦水冶工藝存在的問題

內(nèi)蒙古某鈾礦采用“CO2+O2”中性地浸工藝,在水冶淋洗工序中選用80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3作為淋洗劑,淋洗合格液加鹽酸酸化到規(guī)定pH后再加堿進行沉淀。為減少水的消耗以及廢水的產(chǎn)生與排放量,并節(jié)約工業(yè)試劑,生產(chǎn)中將沉淀過程產(chǎn)生的母液加酸調(diào)節(jié)pH至規(guī)定范圍后,補加適量NaHCO3回用作淋洗劑,淋洗劑中的NaCl含量通過前后兩次加鹽酸引入的Cl-進行補充。在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),開始時淋洗合格液鈾濃度逐漸升高,直至初始濃度的1.5～2.0倍;但在3～5個月后鈾濃度逐漸降低。合格液鈾濃度的降低也導致淋洗劑中NaCl含量越來越低,不僅加大了工人工作強度,也增加了生產(chǎn)成本,降低了礦山生產(chǎn)效益。

2 合格液鈾濃度變化原因

2.1 合格液鈾濃度變化情況

對淋洗合格液中鈾濃度影響最大、最直接的因素是淋洗劑成分,淋洗劑主要成分(NaCl和NaHCO3)與合格液中鈾濃度的對應關系見圖1。可以看出,在合格液ρ(U)從25 g/L逐漸上升至45 g/L階段,以及ρ(U)在42～45 g/L相對穩(wěn)定階段,淋洗劑中ρ(NaHCO3)、ρ(NaCl)都在規(guī)定范圍內(nèi)。在合格液ρ(U)從相對穩(wěn)定階段逐漸下降的過程中,淋洗劑中ρ(NaCl)也呈下降趨勢,ρ(NaHCO3)一直達標;淋洗劑中ρ(NaCl)與合格液ρ(U)變化趨勢相同。

圖1 淋洗劑NaHCO3、NaCl濃度和合格液鈾濃度關系Fig. 1 Relationship of ρ(NaHCO3),ρ(NaCl) in eluent and ρ(U) in qualified liquid

2.2 合格液鈾濃度變化原因分析

水冶初始階段采用的新鮮淋洗劑由清水加NaCl和NaHCO3配制而成,基本沒有Na2CO3,淋洗合格液鈾濃度低。隨著生產(chǎn)運行,水冶工序沉淀母液和淋洗劑形成水循環(huán),沉淀母液中的ρ(NaCl)>80 g/L,補加NaHCO3使ρ(NaHCO3)達16 g/L,用作淋洗劑,循環(huán)使用。

水冶過程中的酸化沉淀分為2步:加酸釋放二氧化碳,部分鈾沉淀析出;加堿沉淀體系中的部分鈾酰離子。各步對應的化學反應方程式為

沉淀母液中含有一定量Na2CO3,隨著淋洗劑循環(huán)使用,淋洗劑中ρ(Na2CO3)逐漸升高,達到8 g/L左右后保持相對穩(wěn)定。但隨著淋洗劑循環(huán)配制使用,其中的ρ(NaCl)逐漸降低。生產(chǎn)中為了減緩和阻止ρ(NaCl)的降低趨勢,采用增加鹽酸加入量(按規(guī)定范圍內(nèi)的最低pH加入)的方式,雖然在一定程度上減緩了ρ(NaCl)的下降趨勢;但導致淋洗劑中ρ(Na2CO3)逐漸下降,淋洗合格液中的ρ(U)也隨著降低。因此認為,當ρ(NaCl)在規(guī)定范圍時,合格液中的ρ(U)由淋洗劑中ρ(Na2CO3)決定或由ρ(NaHCO3)和ρ(Na2CO3)共同影響,而不僅僅由ρ(NaHCO3)決定。

3 鈾淋洗機理

3.1 離子交換反應機理

4 淋洗劑優(yōu)化研究

4.1 靜態(tài)淋洗效果評價

4.1.1 試驗方法

靜態(tài)淋洗試驗主要是對比NaCl、NaHCO3、Na2CO3的淋洗效果。試驗中濕樹脂飽和鈾容量為30 mgU/mL,控制單次淋洗時間為2 h,在室溫條件下分次淋洗,將10 mL濕態(tài)飽和樹脂裝入篩網(wǎng)袋,與20 mL淋洗劑混合后搖床震蕩反應2 h,過濾,收集淋洗液并分析其中鈾濃度。將過濾得到的樹脂,在相同淋洗條件下進行下一次淋洗,共進行5次淋洗操作。

4.1.2 試驗結果

表1 不同淋洗劑靜態(tài)淋洗效果對比Table 1 Comparison of static leaching effect of eluent components

對比4組靜態(tài)淋洗結果,初步篩選得出最佳淋洗劑配方為80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3。

4.2 動態(tài)淋洗效果對比

4.2.1 試驗方法

取廠房沉淀母液,用試劑調(diào)節(jié)其NaHCO3與Na2CO3濃度,配制4組淋洗劑:(1)80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3(原有淋洗劑);(2)80 g/L NaCl+18 g/L Na2CO3;(3)18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3;(4)80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3。

開展動態(tài)淋洗試驗,對比各組淋洗劑的淋洗效果。取吸附塔飽和樹脂,水洗除雜后備用。向4根內(nèi)徑40 mm、長1 100 mm的玻璃柱中各裝入1 000 mL除雜后的飽和樹脂,采用上進液淋洗;控制淋洗劑與樹脂接觸時間為30 min,ρ(U)高于10 g/L的淋洗液為合格液,ρ(U)在0.15～10 g/L的淋洗液為貧液。

4.2.2 試驗結果

4組淋洗劑的動態(tài)淋洗試驗結果見圖2。

圖2 不同淋洗條件的動態(tài)淋洗曲線對比Fig. 2 Comparison of dynamic leaching curves under different elution conditions

從圖2可知,相較于生產(chǎn)中使用的原淋洗劑配方,淋洗劑(4)和淋洗劑(2)的淋洗曲線峰值鈾濃度更高;淋洗劑中含有Na2CO3時,淋洗曲線峰值鈾濃度較高,即淋洗劑中含有一定濃度的Na2CO3能夠提高合格液鈾濃度;淋洗劑中含有一定濃度的NaHCO3有利于減少拖尾現(xiàn)象。綜合考慮,最佳淋洗劑配方為80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3。

5 淋洗工藝優(yōu)化

5.1 現(xiàn)場試驗

根據(jù)篩選得到的最佳淋洗劑配方(80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3),對現(xiàn)有淋洗劑配制工序進行優(yōu)化,在NaCl、NaHCO3含量保持不變的情況下,提高淋洗劑中Na2CO3含量,使其與NaHCO3濃度相當。

5.2 試驗結果

試驗現(xiàn)場水冶淋洗階段優(yōu)化淋洗劑配方后,合格液鈾濃度變化曲線見圖3。

圖3 優(yōu)化淋洗劑后合格液鈾濃度變化Fig. 3 Change of qualified liquid uranium concentration after optimizing the eluent

從圖3可得出,優(yōu)化調(diào)整1個月后,合格液鈾濃度下降趨勢停止;從第2個月開始鈾濃度呈逐漸回升趨勢。通過8個月的跟蹤分析,優(yōu)化后的工藝對產(chǎn)品沉淀、壓濾工序沒有影響,此時淋洗劑中NaCl與NaHCO3含量達標,Na2CO3含量略低于NaHCO3含量。鹽酸加入量的減少在一定程度上降低了工人的工作強度,提高了工作效率。

6 結論

淋洗劑配方是造成該地浸生產(chǎn)水冶工序合格液鈾濃度下降的主要原因。增大淋洗劑中Na2CO3濃度,可有效提高合格液鈾濃度,最佳淋洗劑配方為80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3。

優(yōu)選淋洗劑在內(nèi)蒙古某中性地浸鈾礦山水冶工藝獲得成功應用,提升了合格液鈾濃度,降低了生產(chǎn)成本及工人勞動強度,實現(xiàn)了降本增效。