离子交换树脂吸附法去除某铀矿山废水中的铀

2020-12-29汪时沛黄一鸣雷治武

矿冶 2020年6期

赵春王彬汪时沛黄一鸣雷治武，3

(1.核工业二一六大队，乌鲁木齐 830011； 2.南华大学，湖南衡阳 243301； 3.南华大学核燃料循环技术与装备湖南省协同创新中心，湖南衡阳 243301)

核能作为一种高效清洁能源，已引起越来越多的关注[1]。但是，在铀的开采和加工过程中会产生大量的含铀放射性废水。铀是一种重金属，具有化学和放射毒性，如果不及时有效地修复铀矿放射性废水，它将迁移到环境中，甚至进入食物链，并有可能危害生态安全[2]。因此，从矿山放射性废水中有效分离和脱除铀具有重要的科学和实践意义。目前，铀(Ⅵ)的分离和去除方法主要包括化学沉淀法、离子交换法、膜分离法、植物修复法、还原和吸附法[3-6]。吸附法因其成本低、效率高、操作简便而成为最普遍的方法。铀矿山采矿废水成分比较简单，pH值在6.5左右，含铀2～5 mg/L，废水中的铀浓度超过国家排放标准规定含铀废水中铀含量低于0.3 mg/L的标准，需要处理。针对废水中铀处理的研究较多，并取得了较大进展[7-12]，但针对弱酸性含铀矿山废水处理的研究不多，本研究针对某铀矿山废水为弱酸性、铀主要以碳酸铀酰络阴离子形式存在的特点，选用阴离子交换树脂吸附法处理铀，通过条件试验，获得树脂吸附铀的最佳工艺参数条件，为现场废水处理提供参考依据。

1 试验

1.1 废水性质

1.2 试验装置

试验装置如图1所示，铀矿山废水加入吸附原液贮槽6中，用计量输液泵5以2.8 mL/min流量，从离子交换柱3顶部加入，自上而下通过树脂层2进行吸附，吸附尾液从底部流出，用自动取样器对流出尾液进行取样，然后计量流出液体积，分析铀浓度，直至吸附尾液铀浓度达到0.3 mg/L时认为树脂已穿透，吸附尾液U浓度等于吸附原液U浓度时，认为树脂吸附达到饱和，停止吸附，取饱和树脂分析吸附容量。

图1 吸附试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of the adsorption device

1.3 树脂选型试验

根据该铀矿山废水成分特性，废水中的铀主要以碳酸铀酰络阴离子形式存在，选用阴离子树脂吸附U，树脂吸附U饱和后，再用淋洗剂将铀洗脱下来，淋洗合格液用NaOH进行沉淀。选择705大孔弱碱性阴离子交换树脂、408(Ⅱ)强碱性苯乙烯阴离子交换树脂和D302大孔弱碱离子交换树脂三种树脂进行吸附容量对比试验，取三种树脂各250 mL，分别用尼龙网袋包装好，放在地表废水流动处动态吸附，5天后取回，用水冲洗后分析树脂对U的吸附容量，试验共进行了6次。

1.4 淋洗试验

配制三种淋洗剂，分别为：1#淋洗剂：10%Na2CO3+5% NaHCO3；2#淋洗剂：1 M NaCl+5 g/L NaHCO3；3#淋洗剂：33 g/L NaCl+50 g/L NaHCO3；用三根淋洗柱进行淋洗U对比试验，三根淋洗柱的淋洗参数为：淋洗柱的规格为410 mm×1 000 mm，常温条件，饱和树脂体积为70 mL，装柱高度为800 mm，接触时间为30 min，配制好的淋洗剂装入淋洗剂槽，用计量泵输送，调节流量为110.2 mL/min，淋洗剂从柱顶部进入，自上而下经过柱中的饱和树脂淋洗U；淋洗柱底部流出至自动取样器，计量流出液体积，取样分析U浓度，当流出液铀浓度低于0.2 g/L时停止淋洗。

2 试验结果与讨论

2.1 树脂类型对铀吸附容量的影响

含铀废水中的U浓度为2.0～5.0 mg/L，废水pH值为6.5～6.9，为弱酸性，705大孔弱碱性阴离子交换树脂、408(Ⅱ)强碱性阴离子交换树脂和D302大孔弱碱离子交换树脂三种离子交换树脂的吸附容量对比结果见表1。

由表1可知，三种碱性树脂中，705大孔弱碱性阴离子树脂对铀的吸附容量在2～3 g/L，D302树脂对铀的吸附容量在3～4 g/L，而408(Ⅱ)强碱性阴离子交换树脂吸附U性能远远大于前两种树脂，对U吸附容量最大，离子交换树脂吸附U的饱和容量可达19.97 g/L，吸附容量约为其它两种树脂的4倍。因此，选用408(Ⅱ)树脂继续后续试验。

表1 树脂吸附容量对比试验结果

2.2 离子交换柱吸附U试验

取408(Ⅱ)强碱性阴离子交换树脂的体积70 mL填充于离子交换柱中对废水进行吸附，吸附接触时间为10 min，树脂层高度为900 mm，吸附温度为常温，试验结果见图2。

图2 408(Ⅱ)树脂对铀吸附的吸附曲线Fig.2 Adsorption curve of 408(Ⅱ)resin for uranium

从图2可以看出，408(Ⅱ)树脂吸附规律较好，在穿透树脂床体积数约为3 000 BV，饱和树脂床体积数约为5 800 BV，此时的树脂饱和吸附容量为18.37 g/L。

2.3 淋洗试验

淋洗试验结果如图3所示。从图3可以看出，1#淋洗剂和3#淋洗剂得到的淋洗液中U浓度最高分别为7.4 g/L和11.5 g/L，而2#淋洗剂的淋洗效果优于其他两种，高达26.2 g/L，因此，确定选用1M NaCl+5 g/L NaHCO3为试验所用淋洗剂。

图3 三种淋洗剂淋洗曲线Fig.3 Leaching curves of three eluents

2.4 树脂吸附—淋洗循环试验

为考察试验选用树脂的循环使用效果，取2#淋洗柱的树脂又重复进行了2次吸附—淋洗试验，3次吸附—淋洗循环试验结果如图4所示。

图4 2#柱树脂三次淋洗曲线图Fig.4 Three-time leaching curves of 2 # column resin

从图4可以看出，408(Ⅱ)树脂经过吸附—淋洗3次循环试验后，除了淋洗得到的合格液U浓度峰值存在一定差异，树脂饱和度、贫树脂U残余量、淋洗曲线等基本稳定，达到满意效果。

2.5 合格液沉淀试验

取2#淋洗柱淋洗得到的500 mL合格液(pH值8.75、U浓度8.73 g/L)进行沉淀工艺试验。500 mL淋洗合格液先用H2SO4酸化至pH值为2.5，赶走CO2后，常温，边搅拌边加入片状NaOH，控制沉淀终点pH值7.5左右，计算NaOH用量。澄清过滤，分析沉淀母液U浓度，滤饼用水制浆洗涤，再过滤得到产品，滤饼于烘箱中105 ℃烘干，得到“111”产品，磨细后对产品进行成分分析，结果见表2。