中性地浸采鈾浸出液除鐵研究

陳 鄉(xiāng)，王立民，廖文勝，劉正邦，李 坡

(核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149)

中國(guó)某中性地浸鈾礦試驗(yàn)井場(chǎng)，在前期的試驗(yàn)研究中向局部礦區(qū)注入了大量酸性浸出劑，使得礦層中多種礦物質(zhì)被酸化析出。該礦床容礦層的鐵主要以Fe2O3和硅酸鹽鐵存在[1]，在酸性浸出劑的作用下，浸出液呈現(xiàn)渾濁的赤紅色。距離該區(qū)域200 m外的中性浸出試驗(yàn)場(chǎng)地，在連續(xù)運(yùn)行1年后，出現(xiàn)了浸出液pH下降、浸出液顏色由透明澄清變?yōu)辄S褐色渾濁液等異?，F(xiàn)象。對(duì)浸出液進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，鐵離子平均值質(zhì)量濃度由0.5 mg/L異常增高至6～15 mg/L。初步判斷這些不良影響是在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，由于酸法浸出區(qū)域的礦層水緩慢滲流至中性浸出井場(chǎng)區(qū)域造成的。為了防止浸出液中鐵在樹脂上沉積導(dǎo)致樹脂板結(jié)，同時(shí)避免膠體鐵及二價(jià)鐵隨離子交換塔的吸附尾液在加氧條件下注入礦層后被氧化沉淀，進(jìn)而造成含礦層滲透性降低，開展了中性地浸采鈾過(guò)程中浸出液除鐵的試驗(yàn)研究，旨在探索一種既可降低鈾鐵吸附共沉淀現(xiàn)象，又適用于地浸工藝大水量特點(diǎn)的經(jīng)濟(jì)可行的除鐵方法。

1 項(xiàng)目概況

該中性地浸鈾礦試驗(yàn)井場(chǎng)采用CO2+O2地浸工藝，1抽4注，平均單孔抽液量5 m3/h，24 h連續(xù)運(yùn)行。浸出液pH 6.5左右，礦化度為7.5～7.8 g/L，氧化還原電位在210 mV左右，主要組分見表1，其中鐵離子大部分以二價(jià)存在。一般情況下，中性地浸采鈾浸出液在地面經(jīng)過(guò)集液、過(guò)濾、吸附、配液后回注地下[2]，全過(guò)程歷時(shí)2～5 h。浸出液中的鐵在地面上與空氣接觸，部分被氧化沉淀后截留在過(guò)濾器濾袋表面。采用X射線熒光光譜分析法(XRF)檢測(cè)被截留的固體顆粒(表2)，結(jié)果表明其中66.36%為鐵的化合物，同時(shí)也含有硫酸鈣、黏土以及少量的鈾。

表1 浸出液主要組分 mg/L

表2 濾袋截留固體主要組分 %

2 試驗(yàn)部分

2.1 工藝選擇

目前國(guó)內(nèi)地下水除鐵的方法主要有吸附法(錳砂、沸石、火山巖、生物質(zhì)和活性炭等)、生物處理法、氧化(自然氧化法、接觸氧化法、化學(xué)氧化法)沉淀法、膜技術(shù)法等[3-5]。地浸工藝日處理水量較大，在除鐵的同時(shí)還要防止鈾的損失，因此不適宜選擇吸附法，也不適宜選擇需要建設(shè)長(zhǎng)時(shí)間停留池的生物處理工藝。為了不增加投資成本，優(yōu)先選擇氧化沉淀法。

2.2 試驗(yàn)原理

采用氧化劑將溶液中的二價(jià)鐵完全氧化成三價(jià)鐵，再加入絮凝劑將三價(jià)鐵絮凝成大粒徑絮狀物去除。試驗(yàn)主要對(duì)比研究了絮凝-過(guò)濾、氧化-絮凝-過(guò)濾以及氧化-絮凝-沉淀-過(guò)濾3種方法的除鐵效果。

2.3 試驗(yàn)試劑及設(shè)備

試驗(yàn)原水采用現(xiàn)場(chǎng)浸出液，成分見表1。主要試驗(yàn)藥劑和設(shè)備見表3和表4。井場(chǎng)以二氯異氰尿酸鈉為氧化劑，氧化U(Ⅳ)至U(Ⅵ)。有研究表明氯系氧化劑[6-8]可以將原水中的二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵。因此，本試驗(yàn)優(yōu)先選用現(xiàn)場(chǎng)已有的二氯異氰尿酸鈉氧化劑。絮凝劑采用聚合氯化鋁(PAC)，配置濃度1%的PAC溶液備用。過(guò)濾采用中速濾紙。

表3 主要試驗(yàn)試劑

表4 主要試驗(yàn)設(shè)備

2.4 試驗(yàn)方法

在燒杯中進(jìn)行試驗(yàn)。在氧化-絮凝-沉淀-過(guò)濾試驗(yàn)中，先用移液管將10%的二氯異氰尿酸鈉溶液注入500 mL浸出液中，加藥量150 mg/L；再在200 r/min下攪拌混合液5 min后，加入一定量絮凝劑，手動(dòng)攪拌約20 s，出現(xiàn)礬花后停止攪拌；靜置30 min后，取上清液經(jīng)孔徑30～50 μm中速濾紙過(guò)濾。絮凝-沉淀-過(guò)濾或氧化-絮凝-過(guò)濾試驗(yàn)，是分別在氧化-絮凝-沉淀-過(guò)濾試驗(yàn)的基礎(chǔ)上省略氧化劑添加過(guò)程或沉淀過(guò)程。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 絮凝-沉淀-過(guò)濾試驗(yàn)

往浸出液中投加不同濃度的PAC，經(jīng)過(guò)絮凝-沉淀-過(guò)濾工藝后，濾液中總鐵和鈾質(zhì)量濃度變化如圖1所示。在PAC投加過(guò)程中，浸出液出現(xiàn)乳白色細(xì)小礬花，靜置約15 min后大部分絮體沉淀到燒杯底部；靜置約30 min后，燒杯中形成上層清液，下層為黃褐絮體沉淀層。澄清液中有極少量可見懸浮顆粒，清液與絮體界面明顯。

圖1 絮凝-沉淀-過(guò)濾試驗(yàn)中濾液鈾、總鐵質(zhì)量濃度及絮體體積變化

由圖1可知，隨著PAC投加量的不斷提高，濾液總鐵和鈾質(zhì)量濃度均呈下降趨勢(shì)，在PAC投加量為300 mg/L時(shí)達(dá)到最低。濾液總鐵質(zhì)量濃度從8.62 mg/L降低至3.61 mg/L，鈾質(zhì)量濃度由9.28 mg/L降低至5.71 mg/L。當(dāng)PAC投加量大于100 mg/L以上時(shí)，沉降后含水絮體的體積呈現(xiàn)大幅度上升趨勢(shì)，但水質(zhì)凈化程度沒有等比例增加。因此絮體多為PAC本身產(chǎn)生，可以通過(guò)PAC沉淀的雜質(zhì)成分減少。在進(jìn)行的5組試驗(yàn)中，濾液總鐵質(zhì)量濃度平均值為4.48 mg/L，鈾質(zhì)量濃度平均值為7.85 mg/L。綜合考慮除鐵效果、鈾損失情況以及絮體體積因素，以下試驗(yàn)PAC投加量宜控制在100 mg/L以內(nèi)。

3.2 氧化-絮凝-沉淀-過(guò)濾試驗(yàn)

按照2.4節(jié)的試驗(yàn)方法，最終濾液中總鐵和鈾質(zhì)量濃度變化如圖2所示。采用分光光度法檢測(cè)濾液，發(fā)現(xiàn)其中的總鐵和二價(jià)鐵均為0 mg/L，濾液鈾殘余率見表5。

圖2 氧化-絮凝-沉淀-過(guò)濾試驗(yàn)中濾液鈾質(zhì)量濃度及絮體體積變化

表5 氧化-絮凝-沉淀-過(guò)濾試驗(yàn)的濾液鈾殘余率

由試驗(yàn)結(jié)果可知，濾液中鈾離子質(zhì)量濃度由9.85 mg/L降低到1.5 mg/L左右，有很大程度的損失，鈾的殘留率在15%～20%。本試驗(yàn)表明，氧化劑的添加，有利于浸出液中鐵的去除。同時(shí)，隨著鐵的氧化沉淀浸出液中的鈾也大幅度減少，推測(cè)鈾以吸附或共沉淀的方式隨鐵沉淀至絮體中。PAC投加量在60～80 mg/L的條件下，沉降絮體體積小，鈾殘留率相對(duì)較高，以下試驗(yàn)PAC投加量控制在60～80 mg/L。

3.3 氧化-絮凝-過(guò)濾試驗(yàn)

為了防止鐵鈾共沉淀現(xiàn)象發(fā)生，第3組試驗(yàn)在第2組試驗(yàn)的基礎(chǔ)上省略沉淀過(guò)程，一次性投加氧化劑和PAC，手動(dòng)攪拌后直接過(guò)濾。濾液中殘留的鈾和總鐵質(zhì)量濃度如圖3所示。采用分光光度法檢測(cè)濾液，發(fā)現(xiàn)其中的二價(jià)鐵均為0 mg/L，濾液鈾殘余率見表6。

表6 氧化-絮凝-過(guò)濾試驗(yàn)的濾液鈾殘余率

對(duì)比圖3和圖2可知，濾液總鐵質(zhì)量濃度由0 mg/L提高至0.16～0.32 mg/L。對(duì)比表5和表6發(fā)現(xiàn)，濾液中鈾的損失大幅度降低。由此可以判斷，鈾的損失是由于和鐵的協(xié)同沉淀作用造成的，過(guò)濾并不能攔截溶液中的鈾。直接采用氧化劑-絮凝-過(guò)濾的方法可以實(shí)現(xiàn)去除鐵的同時(shí)有效地降低鈾的損失。

4 擴(kuò)大試驗(yàn)

采用氧化-絮凝-過(guò)濾工藝進(jìn)行擴(kuò)大試驗(yàn)，試驗(yàn)范圍為1組抽注孔，即1抽4注。浸出液(抽液)由抽孔提升至地表原液罐，在原液罐進(jìn)液口加氧化劑，在原液罐出液口加絮凝劑，經(jīng)過(guò)全自動(dòng)清洗過(guò)濾器后，超越離子交換塔進(jìn)入二級(jí)袋式過(guò)濾器過(guò)濾后回注地下。由于這一時(shí)期鈾濃度偏低，浸出液不經(jīng)離子交換塔吸附鈾。原液罐出液口至袋式過(guò)濾器的流程時(shí)長(zhǎng)約15 s。二氯異氰尿酸鈉氧化劑的加藥量為150 mg/L，PAC加藥量為70 mg/L。注液量穩(wěn)定在4.8 m3/h左右，連續(xù)運(yùn)行60 d，濾液的總鐵變化情況如圖4所示。當(dāng)總鐵質(zhì)量濃度在4～18 mg/L變化時(shí)，通過(guò)氧化-絮凝-過(guò)濾的方法可以有效地控制注液中鐵的含量，濾液二價(jià)鐵趨于0 mg/L，總鐵質(zhì)量濃度平均值在1.52 mg/L。對(duì)于隨著抽液鐵濃度的升高，濾液總鐵隨之升高的現(xiàn)象，可以通過(guò)提高PAC投加量解決。濾液中鈾的殘留量如圖5所示，浸出液鈾質(zhì)量濃度在6～12 mg/L變化時(shí)，殘留鈾質(zhì)量濃度平均值在6.02 mg/L，鈾殘留率平均值為73.36%。

圖4 抽注液鐵質(zhì)量濃度變化

圖5 抽注液鈾質(zhì)量濃度變化

5 結(jié)論

采用氧化-絮凝-過(guò)濾工藝，可以實(shí)現(xiàn)去除鐵的同時(shí)降低鈾的損失。這種方法避免了新增大型靜置沉淀池和壓力容器，降低了水冶廠初期投資成本。在二氯異氰尿酸鈉投加量150 mg/L，PAC投加量70 mg/L的條件下，室內(nèi)試驗(yàn)可以將總鐵處理到 0.35 mg/L以內(nèi)，鈾殘留率平均值在76.70%以內(nèi)。連續(xù)60 d的現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)大試驗(yàn)表明，該方法能將浸出液總鐵質(zhì)量濃度控制在3 mg/L以下，鈾殘留率平均值73.36%。