从某铀矿石中性浸出液中回收U3O8

任 燕，张海燕，郑 英，叶开凯，周志全

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

试验研究了采用大孔强碱性阴离子交换树脂从铀矿石中性浸出液中吸附铀，然后用氯化铵+碳酸氢铵溶液淋洗，淋洗液酸化后加氨水直接沉淀重铀酸铵(ADU)，ADU再经焙烧得到U3O8产品。

1 试验部分

1.1 试验原料与设备

某铀矿石中性浸出液的组成及主要参数见表1。

表1 某铀矿石中性浸出液的组成及主要参数

树脂：D263大孔强碱性阴离子交换树脂，粒径范围0.3～1.25 mm≥95%，市售。

试验试剂：盐酸、氯化铵、碳酸氢铵、氨水，均为分析纯；水为蒸馏水。

试验设备：有机玻璃离子交换柱(内径1 cm，高70 cm)，雷氟BT100S蠕动泵，BSZ-40自动部分收集器，IKEA机械搅拌器，伊尔姆MPC-1201E真空泵，干燥箱和管式炉。

1.2 试验原理与方法

吸附反应：

(1)

(2)

淋洗反应：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

淋洗液酸化反应：

(10)

(11)

(12)

沉淀反应：

(13)

焙烧反应：

(14)

试验方法：采用单柱动态吸附法处理铀矿石中性浸出液，进液方式为上进液，树脂吸附饱和后经水洗、烘干，分析测定树脂吸附量；采用单柱动态淋洗方式，用不同浓度的NH4Cl+NH4HCO3溶液淋洗负载树脂，进液方式为上进液，一个树脂床体积淋洗液取一个集合样，分析溶液中铀质量浓度，确定淋洗剂组分；淋洗合格液经盐酸酸化后，取100 mL放入250 mL烧杯中，以浓度为14.79 mol/L的浓氨水作沉淀剂，将其稀释一倍后用蠕动泵以1 mL/min的速度泵入溶液中，用酸度计监测沉淀终点pH，采用水浴锅控制温度；沉淀完成后过滤，测定滤液铀质量浓度，滤饼经洗涤、干燥、焙烧制备成U3O8，分析其中杂质含量。

2 试验结果与讨论

2.1 铀的吸附与淋洗

采用固定床单柱吸附，控制溶液流量为2.8 mL/min，吸附曲线如图1所示。

图1 吸附曲线

由图1看出：吸附运行到第1 700倍BV时，吸附达穿透点(流出液铀质量浓度0.5 mg/L)。

对负载树脂床进行淋洗，控制淋洗液流量0.93 mL/min，淋洗剂中NH4Cl+NH4HCO3质量浓度对淋洗的影响试验结果如图2、3所示。

—◆—70 g/L NH4Cl；—▲—70 g/L NH4Cl+6 g/L NH4HCO3；—×—70 g/L NH4Cl+13 g/L NH4HCO3；—●—70 g/L NH4Cl+15 g/L NH4HCO3。图2 淋洗剂中NH4HCO3质量浓度对淋洗的影响

—■—50 g/L NH4Cl+13 g/L NH4HCO3；—◆—60 g/L NH4Cl+13 g/L NH4HCO3；—▲—70 g/L NH4Cl+13 g/L NH4HCO3—×—80 g/L NH4Cl+13 g/L NH4HCO3；—●—90 g/L NH4Cl+13 g/L NH4HCO3。图3 淋洗剂中NH4Cl质量浓度对淋洗的影响

由图3看出：随淋洗剂中NH4Cl质量浓度升高，淋洗液中铀质量浓度逐渐升高；NH4Cl质量浓度为70 g/L时，淋洗液峰值铀质量浓度为29.26 g/L；NH4Cl质量浓度为80 g/L时，淋洗液峰值铀质量浓度为30.56 g/L，仅有小幅提高，且管路中出现结晶阻塞现象。综合考虑，确定淋洗剂中NH4Cl质量浓度以70 g/L为宜。

2.2 淋洗液酸化

淋洗液pH为8.0左右时，有大量碳酸氢根及碳酸根存在。碳酸根与铀酰离子强烈配合，影响铀的沉淀。试验用浓盐酸酸化淋洗液，酸化到不同pH后再加入氨水中和到pH=7.0沉淀重铀酸铵。试验结果见表2。

表2 淋洗液酸化试验结果

由表2看出：随淋洗液酸化pH降低，氨水中和沉淀母液中铀质量浓度逐渐降低；淋洗液酸化至pH=3.0时，铀的氨水中和沉淀率达99.98%。综合考虑，确定淋洗液酸化pH以3.0为宜。

2.3 ADU沉淀

2.3.1 溶液pH对ADU沉淀的影响

在反应时间1.0 h、氨水加入速度1 mL/min、温度20 ℃条件下，溶液pH对ADU沉淀的影响试验结果见表3。

表3 溶液pH对ADU沉淀的影响

由表3看出，氨水中和溶液至pH在6.0～8.0 范围内，铀沉淀率均在99.99%以上，沉淀效果较好。溶液pH高于8.0后，沉淀物会发生溶解，导致铀沉淀率降低。综合考虑氨水用量等因素，确定溶液pH以6.0为宜。

2.3.2 沉淀时间对ADU沉淀的影响

在氨水加入速度1 mL/min、溶液pH=6.0、温度25 ℃条件下，沉淀时间对ADU沉淀的影响试验结果见表4。

表4 沉淀时间对ADU沉淀的影响

由图4看出，氨水沉淀时间控制在1.0 h以上，沉淀母液中铀质量浓度即可降至4 mg/L，铀沉淀率达99.97%。

2.3.3 温度对ADU沉淀的影响

温度升高，可改善产品的物理性能[11]。在反应1.0 h、氨水加入速度1 mL/min、溶液pH=6.0条件下，温度对ADU沉淀的影响试验结果见表5。

表5 温度对ADU沉淀的影响

由图5看出，温度对ADU的物理性能有很大影响：温度低于30 ℃时，ADU浆体沉降速度很慢，过滤困难；而温度升至60 ℃后，会加速氨水分解，增大试剂损耗；随温度升高，ADU含水率逐渐降低。综合考虑，温度控制在50 ℃左右为宜。

2.3.4 ADU的洗涤

负载树脂淋洗液中含有大量Cl-，沉淀过程中会夹带一定量进入到ADU中，须对ADU进行洗涤。对pH=6.0、温度50 ℃、沉淀时间1.0 h条件下所得ADU，采用固液质量比1/1去离子水进行盘洗及制浆洗，试验结果见表6。

表6 ADU的洗涤试验结果

由表6看出：盘洗或制浆洗涤1次即可，洗后产品中Cl-质量分数达到要求。考虑到产品的过滤性能，采用制浆洗涤效果更好。

2.4 ADU焙烧

对ADU进行焙烧。以5 ℃/min升温速率分别将ADU加热至500 ℃和800 ℃，恒温焙烧4 h，再降温至室温，空气流量150 mL/h[12-13]。试验结果见表7。

表7 ADU及U3O8的组成 %

由表7看出：ADU在500 ℃下焙烧，产物为UO3，失重率为8.8%；在800 ℃下焙烧，产物为U3O8，失重率为12.6%，所得U3O8产品较为纯净。

3 结论

对于中性溶液中的铀酰离子，采用D263大孔强碱型阴离子树脂吸附，NH4Cl+NH4HCO3溶液淋洗，淋洗液经盐酸酸化、氨水沉淀、焙烧，可得到U3O8产品。适宜的淋洗剂组成为70 g/L NH4Cl+13 g/L NH4HCO3，淋洗液酸化pH=3.0，氨水沉淀终点pH=6.0，沉淀时间1.0 h，沉淀温度50 ℃，焙烧温度800 ℃。该工艺较为简单，所得产品较纯净。