窄粒径分布强碱性阴离子交换树脂的制备

2021-08-04宿延涛陈树森勾阳飞王凤菊

湿法冶金 2021年4期

李默，宿延涛，陈树森，王库，宋艳，勾阳飞，王凤菊

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中核第四研究设计工程有限公司，河北石家庄 050021)

离子交换树脂常用于从溶液中吸附铀[1]。离子交换树脂的粒径对流动相的流动速度、树脂的交换量及板结度有较大影响[2-3]。窄粒径分布树脂的粒径更均匀，孔隙率更大，交换速度更快，交换容量更大，使用寿命更长，且可以完全再生[4-7]。

目前，用于吸附铀的大通量离子交换设备对树脂粒径有特殊要求。从溶液中吸附铀常用市售201×7强碱性阴离子交换树脂，其粒径范围为0.325～1.25 mm，粒径分布较宽。为保证流动相有较快的流动速度、较高的交换容量，并防止树脂板结，要求树脂的粒径分布尽量保持在较小范围内，如0.5～1.0 mm[8-12]。

试验对201×7树脂的生产工艺进行了优化，通过在体系中加入复合分散剂、调整搅拌桨形态、改变有机相加入方式来获得窄粒径分布树脂，以期提高其在大通量离子交换设备中的适用性。

1 试验部分

1.1 试验仪器与试剂

智能升降恒温水浴，JJ-1电动搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)，KS型康氏振荡器(常州国宇仪器制造有限公司)，TENSORⅡ型红外光谱仪(德国Bruker公司)，Vario Macro CNS型元素分析仪(德国Elementar公司)，KS4000气浴恒温振荡器(江苏金坛市荣华仪器制造有限公司)，SHB-D循环水真空泵(河南郑州长城仪器厂)等。

U3O8，纯度≥99.8%，中核集团二七二铀业有限责任公司；苯乙烯、过氧化苯甲酰、丙酮，均为分析纯，上海试剂一厂；明胶、聚乙烯醇、淀粉、甲基纤维素、聚磷酸钠、磷酸钙、碳酸钙、膨润土、硅藻土、无水乙醇、二乙烯苯、三甲胺，均为化学纯，北京化工厂。

1.2 树脂的制备

树脂制备采用悬浮聚合法。将苯乙烯、二乙烯苯、过氧化苯甲酰加入到装有水的反应器中，加热至50 ℃，加入分散剂，机械搅拌使水中形成悬浮液滴，并在一定温度下固化成球[12]。在30 min内升温至75 ℃并恒温2～3 h，之后再升温至90 ℃保温3～4 h，再自然降温至45 ℃以下，水洗、抽滤、烘干，即得聚苯乙烯-二乙烯苯共聚物交联微球(白球)。对白球进行氯甲基化得到氯甲基化共聚物交联微球(氯球)，再通过三甲胺胺化得到强碱性阴离子交换树脂。

1.3 树脂的表征

用TENSORⅡ型红外光谱仪分析树脂结构，用Vario Macro CNS型元素分析仪分析树脂和中间体元素组成。

1.4 树脂对铀的吸附

201×7树脂具有季胺化功能基团，能够与铀酰离子结合形成稳定配合物，实现对铀的吸附。用所制备窄粒径分布树脂与市售201×7树脂进行铀的静态吸附对比试验。

称取2种树脂各0.1 g分别加入到装有200 mL、不同铀质量浓度(15、30、50 mg/L)的含铀溶液中，恒温水浴振荡器中振荡吸附，吸附平衡后分析树脂对铀的吸附量，计算铀吸附率。

2 试验结果与讨论

2.1 树脂的制备

2.1.1 分散剂组成及用量对树脂球粒径分布的影响

分散剂是影响树脂粒径分布的重要因素之一，其作用主要有两个：一是降低去离子水的表面张力，使苯乙烯、二乙烯苯等油溶性单体更容易在水相中形成小液珠；二是吸附在小液珠球体表面形成保护层，阻止液珠球体间因碰触而发生合并或黏结。常用的悬浮聚合分散剂有明胶、聚乙烯醇、甲基纤维素、淀粉等有机分散剂，以及碳酸钙、硅藻土、滑石粉等无机盐类分散剂。一种分散剂的作用有限，两种或多种分散剂复合使用效果更好。相同条件下，复合分散剂组成和用量(相对于水相质量)对树脂球粒径分布的影响试验结果见表1、2。

表1 复合分散剂组成对树脂球粒径分布的影响

由表1看出：聚乙烯醇/聚磷酸钠复合分散剂的分散效果较好，相同条件下，所得树脂粒径0.5～1.0 mm占比达71.76%，粒径分布较窄。由表2看出：分散剂用量较少时，树脂球粒径较大；分散剂用量较大时，树脂球粒径过小；当聚乙烯醇/聚磷酸钠复合分散剂用量占水相质量3%时，粒径在0.5～1.0 mm范围内的树脂球最多，占比达74.51%。

表2 复合分散剂用量对树脂球粒径分布的影响

2.1.2 搅拌桨形状对树脂球粒径分布的影响

悬浮聚合过程中，有机相通过搅拌产生的剪切力在水相中分散成珠体。搅拌桨形状不同，产生的剪切力大小、均匀程度也不同。目前，常用搅拌桨有直叶桨式、斜叶桨式、弯月桨式。搅拌桨形状对对树脂球粒径分布的影响试验结果如图1所示。可以看出：斜叶桨式搅拌桨产生的剪切力更加均匀，合成的树脂球粒径在0.5～1.0 mm范围内占比更大，为79.16%。