電沉積法處理含鈾廢液試驗研究

周顯明，任 萌，李 佳，謝汶級，李鑫浩，張海明，向書巧，傅秋萍

(中國核動力研究設(shè)計院 第四研究所，四川 成都 610213)

核廢物處置過程中會產(chǎn)生大量廢液[1]。這些廢液中含有一定量鈾，有一定化學(xué)毒性和放射性輻射，對生態(tài)環(huán)境和人類健康有一定危害[2-4]，排放前需加以處理，去除或回收其中的鈾。

試驗研究了采用電沉積法從模擬核燃料元件研制和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的含鈾酸廢液中去除鈾，以期為含鈾廢液中鈾的去除與回收提供可行方法，為電沉積法處理含鈾廢液的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗部分

1.1 料液與試劑

含鈾溶液由硝酸鈾酰溶液和去離子水配制而成。

硝酸、氫氧化鈉等試劑，均為分析純。

1.2 試驗裝置

電沉積反應(yīng)器由電解槽、直流電源、電極等組成。電解槽槽體為玻璃材質(zhì)，容積1 L，φ110 mm×120 mm。陽極為鍍釕銦的鈦網(wǎng)電極，50 mm×100 mm；陰極為鈦網(wǎng)電極，50 mm×100 mm。

1.3 試驗原理與方法

在電流作用下，鈾酰離子在陰極得到電子被還原，或與OH-結(jié)合形成氫氧化物，進(jìn)而得以從溶液中去除。去除的鈾沉積在電極表面或沉淀到反應(yīng)槽底部。

陰極反應(yīng)：

(1)

(2)

陽極反應(yīng)：

(3)

隨電沉積反應(yīng)進(jìn)行，陰極板上的沉積物會有所增加，鈾沉積速率逐漸下降，所以每隔15 min更換陰極板，并對陰極板進(jìn)行酸洗再生。

用原子吸收分光光度法測定溶液中的鈾質(zhì)量濃度，計算鈾去除率。

(4)

式中：r—鈾去除率；ρ0—初始鈾質(zhì)量濃度，mg/L；ρt—沉積t時間后鈾質(zhì)量濃度，mg/L。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 槽電壓對鈾去除率的影響

電壓大小影響電極的極化程度：電壓為零時，電極電位處于平衡狀態(tài)；電壓逐漸升高后，電極電位開始偏離平衡狀態(tài)，使電極電位提高。

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，極間距3 cm、室溫條件下：槽電壓低于0.5 V時，陽極、陰極均無氣泡產(chǎn)生，陰極也沒有出現(xiàn)沉積物；槽電壓為1～4 V時，陽極產(chǎn)生氣泡，陰極無氣泡但緩慢出現(xiàn)棕黑沉積物；槽電壓大于5 V后，陽極、陰極均有氣泡產(chǎn)生，陰極開始出現(xiàn)黑綠色沉積物；隨槽電壓增大，陰極鈾沉積速率加快，析氫副反應(yīng)也隨之加劇；槽電壓大于20 V后，隨電沉積的進(jìn)行溶液有升溫現(xiàn)象。

圖1 槽電壓對鈾去除率的影響

2.2 沉積時間對鈾去除率的影響

溶液初始鈾質(zhì)量濃度0.5 g/L，初始pH=4.05，槽電壓30 V，每隔15 min更換陰極板，沉積時間對鈾去除率的影響試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 沉積時間對鈾去除率的影響

2.3 溶液初始鈾質(zhì)量濃度對鈾去除率的影響

常溫，槽電壓30 V，沉積時間75 min，每隔15 min更換陰極板，溶液初始鈾質(zhì)量濃度對鈾去除率的影響試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 初始鈾質(zhì)量濃度對鈾去除率的影響

由圖3看出：隨初始鈾質(zhì)量濃度升高，鈾去除率先升高后降低，初始鈾質(zhì)量濃度為0.5 g/L時，鈾去除效果較好，去除率為93.96%。當(dāng)溶液中初始鈾質(zhì)量濃度過低時，陰極鈾沉積速率較慢，U(Ⅵ)實(shí)際析出電位過低，鈾去除率較低。初始鈾質(zhì)量濃度過高時，溶液中H+濃度也高，隨沉積進(jìn)行，析氫副反應(yīng)劇烈程度加大，導(dǎo)致鈾去除率降低。綜合考慮，確定初始鈾質(zhì)量濃度以0.1～3.0 g/L為宜。

2.4 溶液初始pH對鈾去除率的影響

溶液初始鈾質(zhì)量濃度0.5 g/L，初始pH=4.09，用質(zhì)量濃度100 g/L的氫氧化鈉溶液調(diào)pH=5，此時溶液顏色較深；電解槽未見沉淀，沉積時，陽極板附近顏色變淺接近無色，陰極板附近黃綠色變深；沉積45 min，溶液pH幾乎不變，陰極未發(fā)現(xiàn)U(Ⅵ)沉積；再用濃硝酸將pH從5調(diào)為4、3、2，并分別繼續(xù)沉積，陽極板附近溶液接近無色，陰極板附近溶液變?yōu)辄S綠色，亦未發(fā)現(xiàn)U(Ⅵ)沉積。分析認(rèn)為，引入Na+導(dǎo)致沉積過程中陰極附近生成重鈾酸鈉，使得U(Ⅵ)不在陰極板上沉積。

用濃硝酸調(diào)溶液初始pH。當(dāng)溶液初始pH=1時，溶液H+濃度高，電導(dǎo)率大，沉積時陰極析氫反應(yīng)劇烈，U(Ⅵ)不發(fā)生沉積；當(dāng)溶液初始pH分別為4、3、2時，沉積75 min，鈾去除率的變化如圖4所示。可以看出：隨溶液初始pH增大，鈾去除率明顯升高。隨溶液中H+濃度升高，與鈾爭奪電子的析氫副反應(yīng)競爭性增強(qiáng)，析氫反應(yīng)劇烈，鈾的電沉積率降低。因此，電沉積去除鈾時，溶液pH以3～4為宜。

圖4 溶液初始pH對鈾去除率的影響

2.5 攪拌對鈾去除率的影響

初始鈾質(zhì)量濃度0.5 g/L，槽電壓30 V，溶液初始pH=4，電沉積過程中充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢枳饔脤︹櫲コ实挠绊懺囼灲Y(jié)果如圖5所示。

圖5 攪拌對鈾去除率的影響

3 結(jié)論