中性地浸采鈾水冶工藝淋洗劑的優化

楊少武,原 淵,阮志龍,丁福龍,王領柱

(1.中核北方鈾業有限公司,遼寧 葫蘆島 125000;2.核工業北京化工冶金研究院,北京 101149;3.中核通遼鈾業有限責任公司,內蒙古 通遼 028000)

目前中國鈾礦開采以地浸采鈾為主,地浸采鈾產能占鈾礦開采總產能的85%以上[1-4]。地浸采鈾過程包括井場工序的鈾浸出以及水冶工序的鈾提取[5],其中水冶工序鈾提取多采用離子交換工藝。離子交換工藝過程包括鈾的吸附、淋洗和樹脂再生等步驟,即浸出液中的配合鈾離子與樹脂上的活性基團進行交換反應,得到負載鈾的飽和樹脂,隨后用淋洗劑將樹脂上的鈾淋洗到溶液中,實現鈾的富集和回收[6-9]。在水冶過程中,淋洗劑的配制是重要的工序,淋洗劑的選擇既要考慮樹脂淋洗、轉型等工藝要求,也要兼顧淋洗合格液后處理過程的便利性[10-12]。

1 某鈾礦水冶工藝存在的問題

內蒙古某鈾礦采用“CO2+O2”中性地浸工藝,在水冶淋洗工序中選用80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3作為淋洗劑,淋洗合格液加鹽酸酸化到規定pH后再加堿進行沉淀。為減少水的消耗以及廢水的產生與排放量,并節約工業試劑,生產中將沉淀過程產生的母液加酸調節pH至規定范圍后,補加適量NaHCO3回用作淋洗劑,淋洗劑中的NaCl含量通過前后兩次加鹽酸引入的Cl-進行補充。在工業生產中發現,開始時淋洗合格液鈾濃度逐漸升高,直至初始濃度的1.5～2.0倍;但在3～5個月后鈾濃度逐漸降低。合格液鈾濃度的降低也導致淋洗劑中NaCl含量越來越低,不僅加大了工人工作強度,也增加了生產成本,降低了礦山生產效益。

2 合格液鈾濃度變化原因

2.1 合格液鈾濃度變化情況

對淋洗合格液中鈾濃度影響最大、最直接的因素是淋洗劑成分,淋洗劑主要成分(NaCl和NaHCO3)與合格液中鈾濃度的對應關系見圖1?？梢钥闯?在合格液ρ(U)從25 g/L逐漸上升至45 g/L階段,以及ρ(U)在42～45 g/L相對穩定階段,淋洗劑中ρ(NaHCO3)、ρ(NaCl)都在規定范圍內。在合格液ρ(U)從相對穩定階段逐漸下降的過程中,淋洗劑中ρ(NaCl)也呈下降趨勢,ρ(NaHCO3)一直達標;淋洗劑中ρ(NaCl)與合格液ρ(U)變化趨勢相同。

圖1 淋洗劑NaHCO3、NaCl濃度和合格液鈾濃度關系Fig. 1 Relationship of ρ(NaHCO3),ρ(NaCl) in eluent and ρ(U) in qualified liquid

2.2 合格液鈾濃度變化原因分析

水冶初始階段采用的新鮮淋洗劑由清水加NaCl和NaHCO3配制而成,基本沒有Na2CO3,淋洗合格液鈾濃度低。隨著生產運行,水冶工序沉淀母液和淋洗劑形成水循環,沉淀母液中的ρ(NaCl)>80 g/L,補加NaHCO3使ρ(NaHCO3)達16 g/L,用作淋洗劑,循環使用。

水冶過程中的酸化沉淀分為2步:加酸釋放二氧化碳,部分鈾沉淀析出;加堿沉淀體系中的部分鈾酰離子。各步對應的化學反應方程式為

沉淀母液中含有一定量Na2CO3,隨著淋洗劑循環使用,淋洗劑中ρ(Na2CO3)逐漸升高,達到8 g/L左右后保持相對穩定。但隨著淋洗劑循環配制使用,其中的ρ(NaCl)逐漸降低。生產中為了減緩和阻止ρ(NaCl)的降低趨勢,采用增加鹽酸加入量(按規定范圍內的最低pH加入)的方式,雖然在一定程度上減緩了ρ(NaCl)的下降趨勢;但導致淋洗劑中ρ(Na2CO3)逐漸下降,淋洗合格液中的ρ(U)也隨著降低。因此認為,當ρ(NaCl)在規定范圍時,合格液中的ρ(U)由淋洗劑中ρ(Na2CO3)決定或由ρ(NaHCO3)和ρ(Na2CO3)共同影響,而不僅僅由ρ(NaHCO3)決定。

3 鈾淋洗機理

3.1 離子交換反應機理

4 淋洗劑優化研究

4.1 靜態淋洗效果評價

4.1.1 試驗方法

靜態淋洗試驗主要是對比NaCl、NaHCO3、Na2CO3的淋洗效果。試驗中濕樹脂飽和鈾容量為30 mgU/mL,控制單次淋洗時間為2 h,在室溫條件下分次淋洗,將10 mL濕態飽和樹脂裝入篩網袋,與20 mL淋洗劑混合后搖床震蕩反應2 h,過濾,收集淋洗液并分析其中鈾濃度。將過濾得到的樹脂,在相同淋洗條件下進行下一次淋洗,共進行5次淋洗操作。

4.1.2 試驗結果

表1 不同淋洗劑靜態淋洗效果對比Table 1 Comparison of static leaching effect of eluent components

對比4組靜態淋洗結果,初步篩選得出最佳淋洗劑配方為80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3。

4.2 動態淋洗效果對比

4.2.1 試驗方法

取廠房沉淀母液,用試劑調節其NaHCO3與Na2CO3濃度,配制4組淋洗劑:(1)80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3(原有淋洗劑);(2)80 g/L NaCl+18 g/L Na2CO3;(3)18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3;(4)80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3。

開展動態淋洗試驗,對比各組淋洗劑的淋洗效果。取吸附塔飽和樹脂,水洗除雜后備用。向4根內徑40 mm、長1 100 mm的玻璃柱中各裝入1 000 mL除雜后的飽和樹脂,采用上進液淋洗;控制淋洗劑與樹脂接觸時間為30 min,ρ(U)高于10 g/L的淋洗液為合格液,ρ(U)在0.15～10 g/L的淋洗液為貧液。

4.2.2 試驗結果

4組淋洗劑的動態淋洗試驗結果見圖2。

圖2 不同淋洗條件的動態淋洗曲線對比Fig. 2 Comparison of dynamic leaching curves under different elution conditions

從圖2可知,相較于生產中使用的原淋洗劑配方,淋洗劑(4)和淋洗劑(2)的淋洗曲線峰值鈾濃度更高;淋洗劑中含有Na2CO3時,淋洗曲線峰值鈾濃度較高,即淋洗劑中含有一定濃度的Na2CO3能夠提高合格液鈾濃度;淋洗劑中含有一定濃度的NaHCO3有利于減少拖尾現象。綜合考慮,最佳淋洗劑配方為80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3。

5 淋洗工藝優化

5.1 現場試驗

根據篩選得到的最佳淋洗劑配方(80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3),對現有淋洗劑配制工序進行優化,在NaCl、NaHCO3含量保持不變的情況下,提高淋洗劑中Na2CO3含量,使其與NaHCO3濃度相當。

5.2 試驗結果

試驗現場水冶淋洗階段優化淋洗劑配方后,合格液鈾濃度變化曲線見圖3。

圖3 優化淋洗劑后合格液鈾濃度變化Fig. 3 Change of qualified liquid uranium concentration after optimizing the eluent

從圖3可得出,優化調整1個月后,合格液鈾濃度下降趨勢停止;從第2個月開始鈾濃度呈逐漸回升趨勢。通過8個月的跟蹤分析,優化后的工藝對產品沉淀、壓濾工序沒有影響,此時淋洗劑中NaCl與NaHCO3含量達標,Na2CO3含量略低于NaHCO3含量。鹽酸加入量的減少在一定程度上降低了工人的工作強度,提高了工作效率。

6 結論

淋洗劑配方是造成該地浸生產水冶工序合格液鈾濃度下降的主要原因。增大淋洗劑中Na2CO3濃度,可有效提高合格液鈾濃度,最佳淋洗劑配方為80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3。

優選淋洗劑在內蒙古某中性地浸鈾礦山水冶工藝獲得成功應用,提升了合格液鈾濃度,降低了生產成本及工人勞動強度,實現了降本增效。