用废铁屑从含铀溶液中除铀的试验研究

李存增，牛 洁，王 扬，徐乐昌，刘啸尘，邢慧敏，许婉冰

(1.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149；2.南华大学 资源环境与安全工程学院，湖南 衡阳 421001)

在铀矿山退役过程中，矿井流出水含有一定浓度的铀(铀质量浓度0.5～3 mg/L)，需要对其治理使其达到排放标准[1-3]。目前处理含铀废液的方法主要有化学沉淀法、蒸发浓缩法、离子交换法、吸附法等[4-6]，这些方法在处理大流量、低浓度的矿井流出水时存在一些问题。用零价铁处理各种废液的应用非常广泛，也有用零价铁处理含铀废液的相关研究报道[7-9]。细小颗粒的零价铁虽然反应迅速，但在应用中存在易于团聚及成本高等问题。废铁屑作为零价铁的一种，主要来自机械加工及制造行业，是一种价廉易得的材料。采用机加工厂的废铁屑处理含铀废水，可以变废为宝，并降低含铀废液的处理成本。

本试验以机加工厂的废铁屑为原料，采用静态试验方法对废铁屑除铀过程的反应温度、铀溶液初始浓度、反应pH、废铁屑形状及反应动力学等进行试验研究。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料与设备

试验主要材料：不同规格的废铁屑；铀质量浓度为100 mg/L的配制铀溶液；铀质量浓度为2 mg/L的实际水样。

试验主要仪器设备：ME2002/02型电子天平，YC-R50型恒温振荡器，PHSJ-3F型pH计，锥形瓶等。

1.2 试验方法

根据不同试验条件，量取一定量铀溶液放入250 mL锥形瓶中，用电子天平称取一定量的废铁屑也放入锥形瓶中；盖紧锥形瓶塞后将其置于恒温振荡器中，在230 r/min下振荡一定时间后，定时取样分析。

2 试验结果与讨论

2.1 反应温度对除铀效果的影响

称取4份3.7 g的铁屑，分别放入盛有200 mL铀溶液(铀质量浓度100 mg/L、pH=7)的锥形瓶中，在不同温度下振荡反应24 h后取样分析，研究反应温度对除铀效果的影响。试验结果如图1所示。

从图1可看出，在选定的试验温度范围内，除15 ℃外，其余温度下铀去除率都达到93%以上，除铀效果较好。这说明在15～45℃温度范围内，反应温度对铁屑除铀过程的影响较小。除铀效率受温度影响不明显，这有利于促进铁屑在除铀及其他污染物领域的应用。

图1 反应温度对除铀效果的影响

2.2 铀溶液pH对除铀效果的影响

分别将200 mL铀溶液(铀质量浓度100 mg/L)的pH调节到3、4、5、6、7、8，然后将不同pH的铀溶液分别与3.7 g铁屑置于锥形瓶中进行试验，振荡反应2 h后取样分析，研究铀溶液pH对除铀效果的影响。试验结果如2所示。

图2 反应pH对除铀效果的影响

2.3 反应时间对除铀效果的影响

称取3.7 g的铁屑，与200 mL铀溶液(铀质量浓度100 mg/L、pH=7)放入锥形瓶中进行反应，分别在0.5、1.0、2.0、12.0及24.0 h时取样分析，研究反应时间对除铀效果的影响。试验结果如图3所示。

图3 反应时间对除铀效果的影响

从图3可看出，反应初始阶段铀去除率迅速升高，反应2 h铀去除率即接近70%，2 h后铀去除率增幅明显变缓，24 h后铀去除率达到94%。这是由于反应开始时，废铁屑表面活性点位多，同时铀浓度高，推动力大，反应速率较快；但随着反应的进行，铁屑表面被铁和铀的化合物覆盖，同时铀浓度降低，反应推动力减小，使得反应变缓。因此，为满足除铀效果，可尽量增加废铁屑的表面积和延长反应时间。

2.4 初始铀浓度对除铀效果的影响

称取5份3.7 g的铁屑放入锥形瓶中，然后往其中分别加入200 mL、pH=7的铀溶液，溶液中的初始铀质量浓度分别为40、60、80、100、120 mg/L，振荡反应2 h后取样分析，研究溶液初始铀质量浓度对除铀效果的影响。试验结果如图4所示。可以看出，在上述试验条件下，随着铀浓度的升高，反应推动力增大；但铀的去除率降低。这说明铁与铀的还原和吸附反应为表面反应，受装填的铁屑反应点位和反应速度的限制，一定时间内只有一定数量的铁和铀进行反应。因此采用铁屑处理铀溶液，需要在增加铁屑质量的同时尽量增大铁屑表面积，使除铀效率和铀去除率满足要求。

图4 初始铀质量浓度对除铀效果的影响

2.5 废铁屑形状对除铀效果的影响

分别选取短薄(长约1 cm，厚约0.2 mm)、长薄(长约5 cm，厚约0.2 mm)、长厚(长约5 cm，厚约0.3 mm)3种形状的铁屑进行试验，铁屑的其他性质相同。分别称取3.7 g不同形状的铁屑放入锥形瓶中，加入200 mL、pH=7的铀溶液(铀质量浓度100 mg/L)进行试验，振荡2 h后取样分析，考察废铁屑形状对除铀效果的影响。试验结果如图5所示。

图5 废铁屑形状对除铀效果的影响

从图5可看出，废铁屑的形状对除铀效果有一定的影响。这主要是由于废铁屑的比表面积按短薄、长薄、长厚顺序依次减小，在相同时间内，铁铀反应的接触反应点位也依次变小，使得铀去除去率也依次减小。因此，在采用机加工废铁屑除铀的过程中，材料的选择非常重要，应尽量选择粒径小、比表面积大的材料；或对收购的大粒径铁屑进行二次加工，增大其比表面积，以增大废铁屑的利用效率和提高除铀效果。

2.6 铁屑除铀反应动力学分析

对铁屑除铀的反应动力级数进行试验，固定溶液中铀和铁的质量比为5.4 mgU/gFe，分别以3.7 g铁屑和200 mL的铀溶液(铀质量浓度100 mg/L)为一组，以1 g铁屑和2 700 mL实际水样(铀质量浓度2 mg/L)为一组进行试验，在振荡过程中分别在0.5、1.0、1.5、2.0 h时取样分析，作ln(Ct/C0)-t关系图，结果如图6所示。

图6 铀铁质量比相同时的ln(Ct/C0)-t关系曲线

从图6可看出，固定铀铁质量比，虽然初始铀浓度不一样，但ln(Ct/C0)和t均呈直线关系。因此可以判定，铁屑除铀反应过程是一级反应，且反应速率常数基本相同。在此铀铁比及低浓度(铀质量浓度2 mg/L)、大液固比试验条件下，铀在2 h内的去除率可达到75%，废铁屑对低浓度铀溶液的除铀效果良好。

3 结论

废铁屑作为零价铁除铀效果良好，反应过程为一级反应，对反应温度、溶液pH等条件的适应性强，除铀能力受外界环境干扰小。以机加工厂的废铁屑作为零价铁来处理含铀废水，具有原料经济易得、操作方便的特点。