中性地浸采铀水冶工艺淋洗剂的优化

时间：2024-07-06

杨少武,原渊,阮志龙,丁福龙,王领柱

(1.中核北方铀业有限公司,辽宁葫芦岛 125000;2.核工业北京化工冶金研究院,北京 101149;3.中核通辽铀业有限责任公司,内蒙古通辽 028000)

目前中国铀矿开采以地浸采铀为主,地浸采铀产能占铀矿开采总产能的85%以上[1-4]。地浸采铀过程包括井场工序的铀浸出以及水冶工序的铀提取[5],其中水冶工序铀提取多采用离子交换工艺。离子交换工艺过程包括铀的吸附、淋洗和树脂再生等步骤,即浸出液中的配合铀离子与树脂上的活性基团进行交换反应,得到负载铀的饱和树脂,随后用淋洗剂将树脂上的铀淋洗到溶液中,实现铀的富集和回收[6-9]。在水冶过程中,淋洗剂的配制是重要的工序,淋洗剂的选择既要考虑树脂淋洗、转型等工艺要求,也要兼顾淋洗合格液后处理过程的便利性[10-12]。

1 某铀矿水冶工艺存在的问题

内蒙古某铀矿采用“CO2+O2”中性地浸工艺,在水冶淋洗工序中选用80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3作为淋洗剂,淋洗合格液加盐酸酸化到规定pH后再加碱进行沉淀。为减少水的消耗以及废水的产生与排放量,并节约工业试剂,生产中将沉淀过程产生的母液加酸调节pH至规定范围后,补加适量NaHCO3回用作淋洗剂,淋洗剂中的NaCl含量通过前后两次加盐酸引入的Cl-进行补充。在工业生产中发现,开始时淋洗合格液铀浓度逐渐升高,直至初始浓度的1.5～2.0倍;但在3～5个月后铀浓度逐渐降低。合格液铀浓度的降低也导致淋洗剂中NaCl含量越来越低,不仅加大了工人工作强度,也增加了生产成本,降低了矿山生产效益。

2 合格液铀浓度变化原因

2.1 合格液铀浓度变化情况

对淋洗合格液中铀浓度影响最大、最直接的因素是淋洗剂成分,淋洗剂主要成分(NaCl和NaHCO3)与合格液中铀浓度的对应关系见图1。可以看出,在合格液ρ(U)从25 g/L逐渐上升至45 g/L阶段,以及ρ(U)在42～45 g/L相对稳定阶段,淋洗剂中ρ(NaHCO3)、ρ(NaCl)都在规定范围内。在合格液ρ(U)从相对稳定阶段逐渐下降的过程中,淋洗剂中ρ(NaCl)也呈下降趋势,ρ(NaHCO3)一直达标;淋洗剂中ρ(NaCl)与合格液ρ(U)变化趋势相同。

图1 淋洗剂NaHCO3、NaCl浓度和合格液铀浓度关系Fig. 1 Relationship of ρ(NaHCO3),ρ(NaCl) in eluent and ρ(U) in qualified liquid

2.2 合格液铀浓度变化原因分析

水冶初始阶段采用的新鲜淋洗剂由清水加NaCl和NaHCO3配制而成,基本没有Na2CO3,淋洗合格液铀浓度低。随着生产运行,水冶工序沉淀母液和淋洗剂形成水循环,沉淀母液中的ρ(NaCl)>80 g/L,补加NaHCO3使ρ(NaHCO3)达16 g/L,用作淋洗剂,循环使用。

水冶过程中的酸化沉淀分为2步:加酸释放二氧化碳,部分铀沉淀析出;加碱沉淀体系中的部分铀酰离子。各步对应的化学反应方程式为

沉淀母液中含有一定量Na2CO3,随着淋洗剂循环使用,淋洗剂中ρ(Na2CO3)逐渐升高,达到8 g/L左右后保持相对稳定。但随着淋洗剂循环配制使用,其中的ρ(NaCl)逐渐降低。生产中为了减缓和阻止ρ(NaCl)的降低趋势,采用增加盐酸加入量(按规定范围内的最低pH加入)的方式,虽然在一定程度上减缓了ρ(NaCl)的下降趋势;但导致淋洗剂中ρ(Na2CO3)逐渐下降,淋洗合格液中的ρ(U)也随着降低。因此认为,当ρ(NaCl)在规定范围时,合格液中的ρ(U)由淋洗剂中ρ(Na2CO3)决定或由ρ(NaHCO3)和ρ(Na2CO3)共同影响,而不仅仅由ρ(NaHCO3)决定。

3 铀淋洗机理

3.1 离子交换反应机理

4 淋洗剂优化研究

4.1 静态淋洗效果评价

4.1.1 试验方法

静态淋洗试验主要是对比NaCl、NaHCO3、Na2CO3的淋洗效果。试验中湿树脂饱和铀容量为30 mgU/mL,控制单次淋洗时间为2 h,在室温条件下分次淋洗,将10 mL湿态饱和树脂装入筛网袋,与20 mL淋洗剂混合后摇床震荡反应2 h,过滤,收集淋洗液并分析其中铀浓度。将过滤得到的树脂,在相同淋洗条件下进行下一次淋洗,共进行5次淋洗操作。

4.1.2 试验结果

表1 不同淋洗剂静态淋洗效果对比Table 1 Comparison of static leaching effect of eluent components

对比4组静态淋洗结果,初步筛选得出最佳淋洗剂配方为80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3。

4.2 动态淋洗效果对比

4.2.1 试验方法

取厂房沉淀母液,用试剂调节其NaHCO3与Na2CO3浓度,配制4组淋洗剂:(1)80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3(原有淋洗剂);(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。

开展动态淋洗试验,对比各组淋洗剂的淋洗效果。取吸附塔饱和树脂,水洗除杂后备用。向4根内径40 mm、长1 100 mm的玻璃柱中各装入1 000 mL除杂后的饱和树脂,采用上进液淋洗;控制淋洗剂与树脂接触时间为30 min,ρ(U)高于10 g/L的淋洗液为合格液,ρ(U)在0.15～10 g/L的淋洗液为贫液。

4.2.2 试验结果

4组淋洗剂的动态淋洗试验结果见图2。

图2 不同淋洗条件的动态淋洗曲线对比Fig. 2 Comparison of dynamic leaching curves under different elution conditions

从图2可知,相较于生产中使用的原淋洗剂配方,淋洗剂(4)和淋洗剂(2)的淋洗曲线峰值铀浓度更高;淋洗剂中含有Na2CO3时,淋洗曲线峰值铀浓度较高,即淋洗剂中含有一定浓度的Na2CO3能够提高合格液铀浓度;淋洗剂中含有一定浓度的NaHCO3有利于减少拖尾现象。综合考虑,最佳淋洗剂配方为80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3。

5 淋洗工艺优化

5.1 现场试验

根据筛选得到的最佳淋洗剂配方(80 g/L NaCl+18 g/L NaHCO3+18 g/L Na2CO3),对现有淋洗剂配制工序进行优化,在NaCl、NaHCO3含量保持不变的情况下,提高淋洗剂中Na2CO3含量,使其与NaHCO3浓度相当。

5.2 试验结果

试验现场水冶淋洗阶段优化淋洗剂配方后,合格液铀浓度变化曲线见图3。

图3 优化淋洗剂后合格液铀浓度变化Fig. 3 Change of qualified liquid uranium concentration after optimizing the eluent

从图3可得出,优化调整1个月后,合格液铀浓度下降趋势停止;从第2个月开始铀浓度呈逐渐回升趋势。通过8个月的跟踪分析,优化后的工艺对产品沉淀、压滤工序没有影响,此时淋洗剂中NaCl与NaHCO3含量达标,Na2CO3含量略低于NaHCO3含量。盐酸加入量的减少在一定程度上降低了工人的工作强度,提高了工作效率。