用酸性吸附-碱性淋洗工艺从硫酸浸出液中提铀

2022-02-17邓慧东周志全叶开凯曹令华

铀矿冶 2022年1期

邓慧东，任燕，周志全，郑英，叶开凯，曹令华

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

利用阴离子交换树脂从铀矿的硫酸浸出液中提取铀，已在铀水冶领域得到广泛应用[1-5]。现有的铀水冶工艺，主要采用硫酸或酸性淋洗剂淋洗负载树脂上的铀；而酸性淋洗工艺在淋洗铀的同时，会将树脂上吸附的硫酸根及部分杂项元素淋洗到淋洗液中，影响制备的铀产品质量[6-7]。

有关采用碱性淋洗剂淋洗酸性溶液饱和树脂的研究鲜见报道。为此，研究碱性淋洗工艺，采用D301弱碱性阴离子交换树脂吸附处理硫酸浸出液，NaOH溶液预处理负载树脂，碳酸钠、碳酸氢钠碱性溶液淋洗树脂上的铀，以降低淋洗液中的硫酸根及部分杂项元素含量。

1 试验部分

1.1 试验原料

某铀矿石酸性浸出液的组成见表1。

表1 某铀矿石酸性浸出液组成Table 1 Composition of acid leaching solution of a uranium ore

201×7树脂：强碱性阴离子交换树脂，粒径范围0.3～1.25 mm≥95%，市售。D301树脂：大孔弱碱性阴离子交换树脂，粒径范围0.3～1.25 mm≥95%，市售。试验用氢氧化钠、碳酸钠、碳酸氢钠，均为分析纯。

1.2 试验设备

有机玻璃离子交换柱(内径1 cm，有效装填高度70 cm)，雷氟BT100S型蠕动泵，BSZ-40型自动部分收集器，IKEA机械搅拌器，干燥箱。

1.3 试验原理

(1)

(2)

采用弱碱性树脂的吸附机理是树脂缔合酸后再吸附铀，满足在碱性条件下淋洗的需求，吸附后的饱和树脂呈酸性[8]，反应过程见式(3)(4)：

(3)

(4)

由于大多数元素没有碳酸盐配合物，因此以碳酸钠溶液作为淋洗剂可起到净化提铀的作用[9-10]。因饱和树脂上吸附有一定量的硫酸，碳酸钠、碳酸氢钠淋洗剂遇酸会放出CO2气体，造成树脂短路影响淋洗效果。为解决这一问题，先采用NaOH溶液将树脂预处理，中和树脂上的酸，同时将铀沉淀在树脂上；然后再用碳酸盐溶液将树脂上的铀淋洗[11-12]。淋洗反应过程见式(5)～(7)：

(5)

(6)

(7)

1.4 试验方法

对预处理后的负载树脂，采用NaCO3+NaHCO3淋洗剂解析树脂上的铀，采用上进液方式，每BV淋洗液取1个集合样，分析溶液中的U含量变化，确定淋洗条件。淋洗后的贫树脂经转型后，进入下一循环的吸附-淋洗试验，共循环6次，测定每次吸附后树脂的饱和铀容量，考察树脂的循环吸附性能。

2 试验结果与讨论

2.1 吸附试验

控制吸附原液流量为2.2 mL/min，201×7和D301树脂的吸附曲线如图1所示。由于吸附原液铀质量浓度较低，仅为12 mg/L，故2种树脂吸附处理的溶液体积较多。

图1 201×7树脂和D301树脂吸附曲线Fig. 1 Adsorption curves of 201×7 resin and D301 resin

由图1可知，当吸附尾液铀质量浓度达到穿透浓度(1 mg/L)时，D301树脂的流出尾液累积床体积为581 BV(穿透体积)；当吸附尾液铀质量浓度达到吸附原液铀质量浓度(12 mg/L)时，D301树脂的流出尾液累积床体积为1 343 BV(饱和体积)，饱穿比为2.3。201×7树脂的穿透床体积为310 BV，饱和床体积为610 BV，饱穿比为2。二者的饱穿比均可满足串联吸附运行需求。

201×7和D301负载树脂的组成分析结果如图2所示。可以看出，D301树脂的铀容量为20 mg/g干树脂，201×7树脂的铀容量为7.10 mg/g干树脂，D301树脂的铀吸附能力显著优于201×7树脂。从净化除杂性能来看，D301树脂的杂项元素吸附量明显低于201×7树脂，净化吸附性能显著。

图2 201×7和D301负载树脂组分分析Fig. 2 Component analysis of 201×7 and D301 loaded resin

2.2 NaOH预处理试验

采用1 mol/L和2 mol/L的NaOH溶液对负载树脂进行预处理，中和树脂中的酸，控制NaOH溶液流量为0.37 mL/min，预处理过程淋洗曲线如图3、图4所示。

图3 1 mol/L NaOH溶液对D301负载树脂的预处理淋洗曲线Fig. 3 Pretreatment leaching curve of D301 resin with 1 mol/L NaOH solution

图4 2 mol/L NaOH溶液对D301负载树脂的预处理淋洗曲线Fig. 4 Pretreatment leaching curve of D301 resin with 2 mol/L NaOH solution

图5 经NaOH预处理后的D301负载树脂组分Fig. 5 Components of D301 loaded resin after pretreatment with NaOH

2.3 碳酸钠和碳酸氢钠淋洗试验

试验采用0.33 mol/L Na2CO3和0.67 mol/L NaHCO3淋洗剂，对NaOH预处理后的树脂进行淋洗，控制淋洗剂进液流量分别为0.36、0.24和0.18 mL/min，淋洗曲线如图6所示。

图6 碳酸钠和碳酸氢钠溶液淋洗曲线Fig. 6 Leaching curves of sodium carbonate and sodium bicarbonate solutions

由图6可知，碳酸钠和碳酸氢钠溶液可以将树脂中的铀淋洗下来；但由于溶解速率限制，淋洗时间较普通树脂淋洗时间更长。当淋洗液流量为0.36 mL/min时，溶液接触时间为60 min，淋洗液效率较低，需4 BV溶液才能将树脂淋洗干净，拖尾严重。当淋洗液流量为0.18 mL/min时，溶液接触时间为120 min，淋洗运行至1 BV时，铀质量浓度即可达到峰值8.92 g/L；在2 BV时，即可淋洗完全，淋洗效率满足工艺需求。淋洗过程无气体产生，有效解决了酸性吸附-碱性淋洗过程中可能存在的树脂短路问题。

取铀质量浓度峰值前后的2 BV为淋洗合格液，合格液组分分析结果见表2。