用纳滤膜从硝酸盐溶液中分离富集铀试验研究

胥国龙，闻振乾,周 越，姚益轩，高 尚，李宏星，房文良

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中国铀业有限公司，北京 100010)

在酸法地浸过程中，硫酸与铀矿物反应强烈，可将铀快速浸出；但同时也与长石、黏土、云母等脉石矿物反应，导致浸出液中杂质离子成分复杂[1]。浸出液中杂质离子的存在，使后续以离子交换法富集铀时很难将铀富集至较高浓度[2]。

试验研究了用纳滤膜从硝酸盐溶液中分离富集铀，并确定硝酸盐浓度与操作压力对铀分离富集的影响，以期为酸法地浸液的处理提供参考方法。

1 试验部分

1.1 试验材料

试验用溶液：酸性含铀溶液，以重铀酸钠溶解于稀硫酸溶液配制；模拟硝酸盐溶液，在酸性含铀溶液中加入一定质量硝酸铵制得。溶液的主要组成见表1，pH=1.79。

表1 试验用溶液的主要组成 g/L

试验用纳滤膜：卷式膜组件，聚酰胺复合材料，化学性质稳定，生物稳定性好，操作压力低，脱盐率高。纳滤膜N1、N2、N5、N6、N7为国产；纳滤膜N3、N4为进口。所有膜表面均带负电，适于溶液pH为2～11。纳滤膜物理参数见表2，其中Zeta电位为表征膜表面荷电性能参数，采用流动电位法测得[14]。

表2 纳滤膜的物理参数

1.2 纳滤膜分离富集铀原理

纳滤膜对溶液中不同离子的分离富集是物理过程，分离效果取决于纳滤膜本身特性，主要包括孔径结构和表面所带电荷，即筛分效应和电荷效应。筛分效应是指纳滤膜孔径为纳米级，可以截留相对分子质量为200～1 000的离子或有机物，截留溶解性盐的能力为20%～98%[15]。电荷效应是指纳滤膜表面和孔道中带有电荷，在静电力作用下，排斥溶液中同性电荷离子透过，而异性离子电荷强度存在差异，在通过纳滤膜时表现出分离效果上的差异。因此，相对分子质量大或价态高的离子更易被纳滤膜截留[16-17]。

纳滤膜分离富集铀的原理如图1所示。

该马尔可夫过程在第[tk+(l-1)T0]秒时的过程元A′[tk+(l-1)T0]的一步传导转移过程元变化为

1.3 试验方法

料液罐设计容量10 L。用循环泵供液。卷式膜组件在压力作用下对溶液进行分离。透过液通过塑料软管分流出去，浓缩液回流至料液罐。试验流程如图2所示。

图2 试验工艺流程

取8 L溶液进行试验，分析浓缩液和透过液中铀及其他杂质离子质量浓度。

2 试验结果与讨论

2.1 纳滤膜的选择

2.1.1 纳滤膜通量

料液罐中加入酸性铀溶液，体积8 L，温度25 ℃，操作压力2.0 MPa。透过液体积为7 L，N1～N7纳滤膜的通量如图3所示。

图3 不同纳滤膜的通量

由图3看出：所选纳滤膜都有较高通量，都在100 L/(m2·h)以上，大小顺序为N3>N2>N4>N7>N1>N6>N5。膜通量越大，表明处理效率越高。

图4 不同纳滤膜对铀的分离富集效果

2.2 硝酸盐质量浓度的影响

2.2.1 硝酸盐质量浓度对膜通量的影响

料液罐中分别加入酸性铀溶液和不同质量浓度硝酸盐溶液，体积8 L，纳滤膜为N1，温度25 ℃，操作压力2.0 MPa。透过液体积为7 L，硝酸盐质量浓度对膜通量的影响试验结果如图5所示。

图5 硝酸盐质量浓度对膜通量的影响

2.2.2 硝酸盐质量浓度对纳滤膜分离富集铀的影响

试验条件同上，溶液中硝酸盐质量浓度对铀分离富集的影响试验结果如图6所示。

图6 硝酸盐质量浓度对铀分离富集的影响

2.3 操作压力的影响

2.3.1 操作压力对膜通量的影响

料液罐中加入8 L模拟硝酸盐溶液3，纳滤膜为N1，温度25 ℃，操作压力分别为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa。透过液体积为7 L，操作压力对膜通量的影响试验结果如图7所示。

图7 操作压力对膜通量的影响

由图7看出：随操作压力升高，膜通量增大；操作压力升至2.0 MPa时，膜通量提高至39.85 L/(m2·h)。随操作压力升高，溶液克服渗透压和浓差极化作用增强，更易透过膜层，升高操作压力有利于提高膜通量；但操作压力超过一定限值时，纳滤膜会压实形变，导致膜通量降低和膜的老化。综合考虑，确定操作压力以2.0 MPa为宜。

2.3.2 操作压力对铀分离富集的影响

试验条件同上，操作压力对溶液中铀分离富集的影响试验结果如图8所示。

图8 操作压力对铀分离富集的影响

3 结论