鈾鐵共生礦井廢水中樹脂對(duì)鈾的吸附性能

　　中國北方某鈾鐵共生礦在開采及加工過程中，產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水。這些廢水主要含有放射性物質(zhì)鈾，還含有大量的非放射性物質(zhì)鐵、鎘、鉻、銅、鋅、錳及硫酸根離子。因?qū)儆诼短觳傻V，環(huán)境污染較為嚴(yán)重，經(jīng)檢測，廢水中的鈾含量超標(biāo)，必須處理達(dá)標(biāo)后方可排放。

　　含鈾廢水的處理方法很多，常用的有離子交換、化學(xué)沉淀、納濾法、生物濾池等。選擇哪一種處理方法需要根據(jù)每類水的水質(zhì)、體積等實(shí)際情況而定。

　　離子交換技術(shù)是目前處理廢水和保護(hù)環(huán)境的較好方法之一，被廣泛地用于處理含有大量重金屬離子的礦山廢水，處理后廢水可再循環(huán)利用或者直接外排。目前應(yīng)用較多的離子交換樹脂為強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂。本研究的目的在于在實(shí)際生產(chǎn)中尋找一種深度凈化處理鈾礦冶生產(chǎn)廢水并回收鈾的高效離子交換樹脂。

　　1、試驗(yàn)部分

　　1.1 試劑和儀器

　　主要試劑：201×7強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂；D363B大孔弱堿性陰離子樹脂；分析純NaCl，配制成質(zhì)量濃度為60g/L的溶液；分析純Na2CO3，配制成質(zhì)量濃度為10g/L的溶液。

　　試驗(yàn)用吸附原液為中國北方某鈾鐵共生礦床的井下水，pH為8.06，密度為1.12×10³kg/m3，含有Si、P、Mn等雜質(zhì)離子，吸附原液組成見表1。

　　主要儀器設(shè)備：pH計(jì)(PHS-3C型)；可見光光度計(jì)(721型)；恒溫振蕩器；樹脂柱(有機(jī)玻璃材質(zhì)，內(nèi)徑??10mm，每柱裝樹脂20mL，床層高250mm)。

　　1.2 試驗(yàn)操作與分析方法

　　1.2.1 樹脂的預(yù)處理

　　先將樹脂用去離子水浸泡24h，再用0.5mol/LHCl浸泡4h，然后用清水洗至中性，再用等濃度的NaOH溶液浸泡4h后，用清水洗至中性，晾干備用。

　　1.2.2 靜態(tài)吸附試驗(yàn)

　　將5mL濕樹脂直接加入250mL具塞錐形瓶中，然后加入200mL一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)液。將具塞錐形瓶放在恒溫振蕩器上震蕩一定時(shí)間，溫度控制在25℃，轉(zhuǎn)速控制在80r/min。間隔一定時(shí)間取5mL樣品，用偶氮砷Ⅲ分光光度法測定濾液中的U(Ⅵ)含量，樹脂的吸附容量按式(1)計(jì)算：

　　式中：Q―樹脂吸附容量，mg/L；C₀―U初始質(zhì)量濃度，mg/L；C_e―吸附后殘留U質(zhì)量濃度，mg/L；V₁―溶液體積，mL；V₂―樹脂體積，mL。

　　1.2.3 動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)

　　將20mL濕樹脂裝在內(nèi)徑為10mm的樹脂柱內(nèi)，裝填高度為250mm，在一定溫度下采用上進(jìn)料方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附或淋洗試驗(yàn)，每2h取樣一次，并計(jì)量流出液或淋洗液體積，便于累積計(jì)算。用偶氮砷Ⅲ分光光度法測定流出液或淋洗液中的U(Ⅵ)，確定動(dòng)態(tài)吸附或洗脫曲線。試驗(yàn)裝置如圖1所示，高位槽底部出水口距離樹脂柱頂端850mm。

　　2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　2.1 靜態(tài)吸附

　　靜態(tài)吸附間隔時(shí)間選取30、60、90、120、150、180min，2種樹脂靜態(tài)吸附曲線如圖2所示。

　　由圖2可看出：隨著吸附時(shí)間的增加，2種樹脂對(duì)U(Ⅵ)的吸附容量逐漸增加，201×7樹脂吸附90min后達(dá)到平衡，吸附容量為30.22mg/mL；D363B樹脂吸附80min后達(dá)到平衡，吸附容量為24.10mg/L。吸附時(shí)間繼續(xù)增加，U(Ⅵ)吸附容量基本不變，吸附基本達(dá)到平衡。因吸附平衡時(shí)間與樹脂的極性和空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，D363B樹脂屬于大孔樹脂，結(jié)構(gòu)較為疏松，空間位阻較小，所以平衡時(shí)間較201×7樹脂短。

　　2.2 動(dòng)態(tài)吸附

　　2.2.1 吸附試驗(yàn)

　　201×7樹脂接觸時(shí)間為5min，D363B樹脂接觸時(shí)間為10min，在接觸時(shí)間和減半接觸時(shí)間內(nèi)分別對(duì)2種樹脂進(jìn)行動(dòng)態(tài)吸附考察。1#柱為201×7樹脂，接觸時(shí)間為2.5min，日耗吸附原液4500mL；2#柱為201×7樹脂，接觸時(shí)間為5min，日耗吸附原液為2300mL;3#柱為D363B樹脂，接觸時(shí)間為5min，日耗吸附原液為2300mL;4#柱為D363B樹脂，接觸時(shí)間為10min，日耗吸附原液為1100mL。以吸附尾液床層體積數(shù)為橫坐標(biāo)，尾液鈾質(zhì)量濃度為縱坐標(biāo)，可得動(dòng)態(tài)吸附曲線如圖3所示。經(jīng)計(jì)算，1#柱、2#柱、3#柱和4#柱達(dá)到穿透點(diǎn)時(shí)樹脂吸附負(fù)載容量分別為45.9、51.0、22.4和30.6mg/mL。

　　根據(jù)無受納水體的外排水U濃度標(biāo)準(zhǔn)，控制穿透點(diǎn)鈾質(zhì)量濃度為0.05mg/L。由圖3可看出：1#柱、2#柱、3#柱和4#柱穿透床體積分別為4400、5200、2400和3200BV;在吸附接觸時(shí)間內(nèi)，2種樹脂(2#柱和4#柱)吸附結(jié)果差別不大，吸附效果都較好;吸附接觸時(shí)間縮短1/2后，201×7樹脂和D363B樹脂吸附容量都有所降低，但吸附效果變化不大。上述試驗(yàn)說明，在接觸時(shí)間和減半接觸時(shí)間內(nèi)對(duì)礦井水中的U(Ⅵ)吸附效果影響不大，都可以完成吸附任務(wù)。但是，在達(dá)到穿透點(diǎn)時(shí)201×7樹脂較D363B樹脂吸附容量大，因此，在未來生產(chǎn)中，應(yīng)選擇201×7樹脂。由于待吸附的礦井水中鈾的質(zhì)量濃度低，平均為10mg/L左右，因此縮短吸附接觸時(shí)間對(duì)未來的生產(chǎn)是非常有利的，吸附接觸時(shí)間選擇2.5min。如此可以大幅度降低樹脂塔的體積及樹脂的一次投入量，減少投資。

　　2.2.2 淋洗試驗(yàn)

　　采用上進(jìn)料順流方式對(duì)1#樹脂柱達(dá)到穿透點(diǎn)時(shí)的樹脂進(jìn)行動(dòng)態(tài)淋洗，淋洗劑為60g/LNaCl與10g/LNa2CO3的混合液，淋洗接觸時(shí)間為30min，淋洗曲線如圖4所示。淋洗過程中，每10min取樣一次，記錄淋洗液體積，分析淋洗液濃度，累積求取鈾總量。動(dòng)態(tài)脫附量可根據(jù)式(2)計(jì)算：

　　式中：Q_d―樹脂動(dòng)態(tài)脫附量，g/L；C_i―淋洗液鈾質(zhì)量濃度，g/L；V_i―淋洗液的體積，mL；V―樹脂的體積，mL。

　　由圖4可看出，淋洗峰線比較集中，前5個(gè)床層體積淋洗液中U(Ⅵ)濃度較高，淋洗10個(gè)床層體積后，淋洗液中U(Ⅵ)質(zhì)量濃度可降至60mg/L以下。60g/LNaCl+10g/LNa2CO3的混合液可以用作從201×7樹脂中回收U(Ⅵ)的淋洗劑。根據(jù)回收金屬可知，樹脂有效容量為12.36g/L，U(Ⅵ)回收率可達(dá)到70.2%。為控制外排鈾濃度，穿透點(diǎn)鈾質(zhì)量濃度不超過0.05mg/L，導(dǎo)致樹脂整體吸附率低，總回收率不高。

　　2.2.3 樹脂的重復(fù)吸附性能

　　如果通過簡單的方法能循環(huán)使用樹脂，這將大大提高樹脂的有效利用率，降低工業(yè)成本。對(duì)1#樹脂循環(huán)吸附―淋洗―吸附6次，循環(huán)次數(shù)與吸附U(Ⅵ)能力的關(guān)系如圖5所示。

　　由圖5可知，201×7樹脂在對(duì)礦井水原液的重復(fù)吸附過程中，樹脂對(duì)U(Ⅵ)的吸附容量沒有急劇降低，重復(fù)吸附6次后，對(duì)U(Ⅵ)的吸附容量仍為最大吸附容量的70%以上。由于在淋洗過程中會(huì)有少量樹脂損耗，因此，理論上的重復(fù)吸附效果會(huì)更好。這說明201×7樹脂可以被循環(huán)利用，相對(duì)于鈾提取工藝中，在水處理中因污水成分較為穩(wěn)定，pH偏中性，預(yù)處理較為徹底，更具有實(shí)用價(jià)值。

　　3、結(jié)論

　　1)201×7強(qiáng)堿性陰離子樹脂和D363B大孔弱堿性陰離子樹脂都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某礦井廢水中U(Ⅵ)的吸附回收，使其達(dá)到外排水標(biāo)準(zhǔn)。在達(dá)到穿透點(diǎn)(0.05mg/L)時(shí)，201×7樹脂較D363B樹脂吸附容量大。選用201×7樹脂和接觸時(shí)間2.5min，可以大幅度降低吸附塔體積，降低樹脂的一次投入量，降低建設(shè)投資。

　　2)201×7樹脂處理鈾鐵共生礦井下廢水，對(duì)U(Ⅵ)回收率可達(dá)到70.2%。經(jīng)6次循環(huán)吸附―淋洗―吸附后，201×7樹脂對(duì)U(Ⅵ)的吸附容量為最大吸附容量的70%以上，仍保持著較好的吸附性能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。(來源：中核北方鈾業(yè)有限公司)