某尾矿库尾矿渗水中铀的化学形态研究

宋 艳，康绍辉，樊 兴，刘 康，李大炳，杨志平

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

核燃料循环过程中，从铀矿石开采、选冶和铀的精制，到核燃料元件制造，都会产生大量含铀废液。含铀废液的显著特点是铀浓度低、体积大、化学成分复杂。我国某厂铀纯化过程中会产生大量含硝酸根铀废液，致使尾矿库中硝酸根浓度大幅提升，同时尾矿库会产生大量尾矿渗水，其中含有大量杂质离子[1-3]，因此，研究尾矿渗水中铀的化学形态对尾矿库退役治理有重要作用。

目前，用于模拟计算物质化学形态的软件主要有Visual MINTEQ、GWB、CHEMSPEC、PHREEQC 和EQ3/6等[4-9]。采用数据库中铀的物种及其热力学数据较全、可视化程度较高、形态计算性能受到广泛认可的Visual MINTEQ 3.1程序对某尾矿库尾矿渗水中铀的化学形态进行研究，并对影响铀化学形态的因素进行条件模拟，分析其变化规律。

1 软件简介及水样分析

Visual MINTEQ 3.1软件由美国国家环境保护局开发，广泛应用于模拟环境水平衡溶液中或水体中的离子平衡状况。该软件包括形态模型、矿物饱和度模型和吸附模型等，有强大的平衡常数数据库，可以通过吉布斯自由能、平衡常数等数据计算化学物质的相互作用，判断化学物质的形态分布，预测金属有机配合物的形成等[10]。

Visual MINTEQ 3.1模型的理论基础是W.L.Lindsay教授创立的土壤化学平衡理论。模型将水溶液中的化学物质分为组分和物种，物种是由组分通过化学反应生成，因此，每一种化学物质均可用组分来表示，对于n个化学物质可用输入m个基本组分来表示，其反应平衡常数包含在Visual MINTEQ 3.1数据库中。

Visual MINTEQ 3.1模型的计算过程如下：

1)选择软件自带数据库，输入初始溶液参数，包括各离子初始浓度、溶液pH、温度、离子强度等；

2)根据m个基本组分的初始浓度，通过n个物质的吸附、溶解/沉淀、氧化还原等平衡反应方程和平衡常数进行计算，模拟计算达到平衡时各物质的化学形态和浓度。本研究就是通过输入水样中各离子初始浓度、溶液pH和温度等，计算得到平衡时各物质的化学形态和浓度。

模拟计算所用水样为某尾矿库的尾矿渗水，pH=4.63，温度为25 ℃，化学组成见表1。可以看出，尾矿渗水中硝酸根质量浓度较高，达10 g/L。

表1 尾矿渗水的化学组成 μmol/L

2 计算结果与讨论

2.1 水样中铀的化学形态

根据表1数据，利用Visual MINTEQ 3.1软件计算尾矿渗水中U6+的各种存在形态及浓度，以及主要化学形态及占比，结果见表2、3。

表2 水样中U6+的化学形态及浓度

表3 水样中U6+的主要化学形态及占比

表4 不同阴离子与形成的配合物的稳定常数

2.2 不同条件下的铀化学形态的模拟分析

根据尾矿库水样环境的变化特征，水样pH、F-和U浓度的变化相对比较明显，因此，模拟研究了这些参数发生变化时水样中铀的化学形态的变化情况。

2.2.1水样pH对铀化学形态分布的影响

水样pH对铀化学形态的种类和浓度影响较大。在保持其他参数不变条件下，打开Visual MINTEQ 3.1多问题扫描选项，选定pH变化范围为1.0～10.0、变化步长为1，得到水样pH对U6+化学形态分布的影响结果，如图1所示。

—■●—▲▼—UO2(OH)2(aq)；—◆◀▶—UO2F+；——UO2F2(aq)；—★—UO2SO4(aq)。

综上所述，可以看出水样pH对铀化学形态有较大影响。对于尾矿库的尾矿渗水，其pH=4.63，其中的铀主要以UO2F+、UO2F2形态存在，而两者之间存在如下关系：

可见，要去除尾矿渗水中的铀，只需找到能吸附UO2F+和UO2F2(aq)的材料即可。

2.2.2F-浓度对铀化学形态分布的影响

对于pH=4.63的尾矿渗水，当F-浓度在0.2～8.0 mmol/L范围内变化时，水样的模拟结果如图2所示。

—■●—UO2F+；—▲—UO2F2(aq)；—▼◆

2.2.3铀浓度对铀化学形态分布的影响

保持其他参数不变，打开Visual MINTEQ 3.1多问题扫描的选项，选定铀浓度变化范围为1.0～36.0 μmol/L(pH=4.63)，U6+主要化学形态随铀浓度的分布影响结果见表5。可以看出：随铀浓度提高，铀的主要化学形态均没有变化，但浓度都呈上升趋势。

表5 铀浓度对U6+主要化学形态分布的影响

3 结论

1)采用Visual MINTEQ 3.1软件可以模拟分析尾矿库尾矿渗水中铀的化学形态及分布特征，分析影响铀存在形态的因素，进而为下一步铀提取方法的选择提供依据。尾矿渗水中，U6+随溶液pH变化而变化，UO2F+和UO2F2(aq)是尾矿渗水中铀的主要存在形态。

3)利用Visual MINTEQ 3.1软件，可以研究铀的存在形态，