用N235從某鈾礦石酸性浸出液中萃取鈾試驗(yàn)研究

曾廣軍，王桂碩，劉忠臣，向秋林，劉會(huì)武，黃 永

(1.西安中核藍(lán)天鈾業(yè)有限公司，陜西 西安 710500；2.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

從溶液中分離鈾常用溶劑萃取法[1-2]。對(duì)于礦石酸性浸出液中的鈾，常用胺類萃取劑萃取，萃取機(jī)制為陰離子締合[3-6]。

多金屬鈾礦石低酸浸出液中的鈾可用N235萃取分離[7-12]。N235對(duì)鈾有較強(qiáng)的萃取能力，一般陽(yáng)離子雜質(zhì)，如Ca2+、Mg2+、Mn2+等不干擾萃取，鈾與這些雜質(zhì)離子的分離系數(shù)高達(dá)103～104；但溶液中的鐵以配合陰離子形式存在，易被N235萃取，且具有較高的分配系數(shù)，通過(guò)單級(jí)萃取無(wú)法實(shí)現(xiàn)與鈾的分離[13]。

從負(fù)載鈾的N235有機(jī)相中反萃取鈾，目前常用碳酸鈉與碳酸氫鈉作反萃取劑。碳酸根離子與鈾酰離子之間的強(qiáng)配合作用可將鈾反萃取到水相中，碳酸根與質(zhì)子化的胺鹽陽(yáng)離子反應(yīng)使胺鹽失去對(duì)鈾的萃取能力[14-16]。在多級(jí)逆流反萃取過(guò)程中，溶液中鈾質(zhì)量濃度及pH的變化，會(huì)導(dǎo)致體系中形成渾濁物，生成第三相，影響反萃取效果等問(wèn)題。

試驗(yàn)針對(duì)現(xiàn)有工藝中存在的問(wèn)題，研究了用N235作萃取劑、Na2CO3+NaHCO3作反萃取劑，以多級(jí)逆流萃取及多級(jí)逆流反萃取工藝從某鈾礦石酸性浸出液中分離鈾。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與試劑

萃原液：某鈾礦石浸出液，主要組成見表1，pH=0.80，主要雜質(zhì)有鐵、鋁、鎂、鈣等離子。

表1 萃原液組成 g/L

有機(jī)相：5%N235+3.5%TBP+91.5%磺化煤油，體積比。

N235，磺化煤油，硫酸，均為工業(yè)純；TBP，NaOH，Na2CO3，NaHCO3，均為分析純。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

pH計(jì)，pHS-3B，上海雷磁儀器有限公司；電磁攪拌器，JB-2，上海雷磁儀器有限公司；電子天平，PL2002，梅特勒托利多科技有限公司；ICP-AES，5300DV，美國(guó)Perkin Elmer公司；電磁計(jì)量泵，CONC1600，普羅名特流體控制有限公司；蠕動(dòng)泵，BT100S，保定雷弗流體科技有限公司；混合澄清槽，自制；燒杯，分液漏斗等。

1.3 試驗(yàn)原理與方法

(1)

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(3)

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N235萃取鈾酰離子的反應(yīng)為陰離子交換反應(yīng)，不受Al3+、Mg2+、Ca2+等陽(yáng)離子干擾；而Fe3+與硫酸根離子形成的配合陰離子被萃入到有機(jī)相中，可通過(guò)多級(jí)萃取，以硫酸鈾酰陰離子取代后而從有機(jī)相中置換出來(lái)[15]。

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溶劑萃取：將萃原液及有機(jī)相按一定體積比加入到燒杯中，室溫下，磁力攪拌(300 r/min)一定時(shí)間后置于分液漏斗中分相，分析有機(jī)相及萃余液中鈾質(zhì)量濃度，計(jì)算鈾萃取率。

反萃取：將負(fù)載有機(jī)相與反萃取劑按一定體積比加入到燒杯中，室溫下磁力攪拌(300 r/min)一定時(shí)間后置于分液漏斗中分相，分析有機(jī)相與反萃取液中鈾質(zhì)量濃度，計(jì)算鈾反萃取率。

多級(jí)逆流萃取：多級(jí)逆流萃取在混合澄清槽中進(jìn)行，萃取段萃原液在第1級(jí)、有機(jī)相在第5級(jí)用蠕動(dòng)泵輸送至混合室，洗滌段洗水在第1級(jí)用蠕動(dòng)泵輸送至混合室，反萃取段反萃取劑在第1級(jí)用蠕動(dòng)泵輸送至混合室，待運(yùn)行穩(wěn)定后在各級(jí)取樣分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 萃原液pH對(duì)萃取鈾的影響

有機(jī)相組成為5%N235+3.5%TBP+91.5% 磺化煤油，Vo/Va=1/1，接觸時(shí)間3 min，有機(jī)相為連續(xù)相，常溫，萃原液pH(用NaOH調(diào)節(jié))對(duì)鈾萃取率的影響試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 萃原液pH對(duì)鈾萃取率的影響

由表2看出：隨萃原液pH升高，鈾的分配系數(shù)及萃取率均有所提高；pH由0.80升高至1.00，分配系數(shù)由33.05提升至78.44，此時(shí)萃余液中鈾質(zhì)量濃度降低至18 mg/L。溶液中的硫酸氫根與鈾酰離子均可被N235萃取，隨萃原液pH升高，硫酸氫根離子濃度降低，有利于鈾的萃取。調(diào)節(jié)萃原液pH雖有利于鈾的萃取，但會(huì)增加操作成本，且原pH條件下鈾萃取率已達(dá)97.06%，最終確定萃原液pH不需調(diào)整。

2.2 溫度對(duì)萃取鈾的影響

有機(jī)相組成為5%N235+3.5%TBP+91.5% 磺化煤油，Vo/Va=1/1，接觸時(shí)間3 min，有機(jī)相連續(xù)，溫度對(duì)鈾萃取率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。可以看出，溫度升高對(duì)鈾萃取率影響不大。常溫條件下，鈾萃取率已達(dá)97.06%；升溫，鈾萃取率僅略有變化；升至40 ℃后，鈾萃取率有所下降。總體來(lái)看，在20～60 ℃范圍內(nèi)，溫度對(duì)萃取鈾的影響不大。綜合考慮，確定萃取在常溫下進(jìn)行。

圖1 溫度對(duì)鈾萃取率的影響

2.3 接觸時(shí)間對(duì)萃取鈾的影響

有機(jī)相組成為5%N235+3.5%TBP+91.5%磺化煤油，Vo/Va=1/1，常溫，有機(jī)相連續(xù)，接觸時(shí)間對(duì)鈾萃取率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 接觸時(shí)間對(duì)鈾萃取率的影響

由圖2看出，N235對(duì)鈾的萃取反應(yīng)速度較快：兩相接觸時(shí)間為1 min時(shí)，鈾萃取率已達(dá)95.2%；接觸5 min后反應(yīng)趨于平衡，鈾萃取率為97.67%并趨于穩(wěn)定。綜合考慮，確定接觸時(shí)間以5 min為宜。

2.4 萃取等溫線

有機(jī)相組成為5%N235+3.5%TBP+91.5%磺化煤油，接觸時(shí)間5 min，常溫，有機(jī)相連續(xù)，不同相比條件下，以萃取平衡時(shí)水相中鈾質(zhì)量濃度對(duì)有機(jī)相中鈾質(zhì)量濃度繪制萃取平衡等溫線。5%N235的理論鈾飽和容量為4.5 g/L，取其80%為操作容量，以Vo/Va=1/2.5繪制操作線，結(jié)果如圖3所示。根據(jù)圖3，利用階梯作圖法求得，經(jīng)過(guò)3級(jí)萃取，鈾萃取率大于99.24%，萃余水相中鈾質(zhì)量濃度低于10 mg/L，處理后可達(dá)標(biāo)排放。考慮到實(shí)際情況，確定逆流萃取級(jí)數(shù)以5級(jí)為宜。

圖3 鈾的萃取平衡等溫線

2.5 鈾的反萃取

負(fù)載鈾的有機(jī)相中夾帶一定量水相，含一定量雜質(zhì)，如Fe3+、Al3+、Mg2+等，需洗滌去除。用pH=1.4的酸化水洗滌2次，洗水中鈾質(zhì)量濃度小于40 mg/L。

2.6 多級(jí)逆流萃取及反萃取

混合澄清槽共11級(jí)，混合室容積64 mL，其中，5級(jí)萃取，2級(jí)洗滌，4級(jí)反萃取。兩相溶液流向如圖4所示[17]。

圖4 鈾的萃取、洗滌、反萃取流程示意

萃取：有機(jī)相組成為5%N235+3.5%TBP+91.5%磺化煤油，流量10 mL/min；水相中鈾質(zhì)量濃度1.31 g/L，流量30 mL/min；接觸相比Vo/Va=1/1，常溫。

洗滌：洗水為10 g/L的硫酸溶液，流量2.0 mL/min。

反萃取：反萃取劑組成為60 g/L Na2CO3+20 g/L NaHCO3，流量1.5 mL/min，接觸相比Vo/Va=1.5/1。

5級(jí)逆流萃取、4級(jí)逆流反萃取試驗(yàn)結(jié)果分別見表3、4。

表3 5級(jí)逆流萃取試驗(yàn)結(jié)果

表4 4級(jí)逆流反萃取試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)共進(jìn)行30 h，投入萃原液50 L。試驗(yàn)過(guò)程中，各段的相分離良好，兩相界面干凈，無(wú)污物存在。經(jīng)5級(jí)逆流萃取，萃余液中鈾質(zhì)量濃度降至22 mg/L，鈾萃取率為98.5%。負(fù)載有機(jī)相經(jīng)4級(jí)逆流反萃取，鈾反萃取率達(dá)98.8%。

3 結(jié)論

用N235從鈾礦石酸性浸出液中萃取分離鈾是可行的，適宜條件(有機(jī)相組成為5%N235+3.5%TBP+91.5%磺化煤油，流比3/1，相比1/1，反萃取劑組成60 g/L Na2CO3+20 g/L NaHCO3，接觸相比1.5/1，常溫)下，經(jīng)5級(jí)逆流萃取，2級(jí)洗滌，4級(jí)逆流反萃取，鈾萃取率可達(dá)98.5%，反萃取率可達(dá)98.9%。