用納濾膜從硝酸鹽溶液中分離富集鈾試驗(yàn)研究

胥國龍，聞?wù)袂?周 越，姚益軒，高 尚，李宏星，房文良

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院，北京 101149；2.中國鈾業(yè)有限公司，北京 100010)

在酸法地浸過程中，硫酸與鈾礦物反應(yīng)強(qiáng)烈，可將鈾快速浸出；但同時也與長石、黏土、云母等脈石礦物反應(yīng)，導(dǎo)致浸出液中雜質(zhì)離子成分復(fù)雜[1]。浸出液中雜質(zhì)離子的存在，使后續(xù)以離子交換法富集鈾時很難將鈾富集至較高濃度[2]。

試驗(yàn)研究了用納濾膜從硝酸鹽溶液中分離富集鈾，并確定硝酸鹽濃度與操作壓力對鈾分離富集的影響，以期為酸法地浸液的處理提供參考方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用溶液：酸性含鈾溶液，以重鈾酸鈉溶解于稀硫酸溶液配制；模擬硝酸鹽溶液，在酸性含鈾溶液中加入一定質(zhì)量硝酸銨制得。溶液的主要組成見表1，pH=1.79。

表1 試驗(yàn)用溶液的主要組成 g/L

試驗(yàn)用納濾膜：卷式膜組件，聚酰胺復(fù)合材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，生物穩(wěn)定性好，操作壓力低，脫鹽率高。納濾膜N1、N2、N5、N6、N7為國產(chǎn)；納濾膜N3、N4為進(jìn)口。所有膜表面均帶負(fù)電，適于溶液pH為2～11。納濾膜物理參數(shù)見表2，其中Zeta電位為表征膜表面荷電性能參數(shù)，采用流動電位法測得[14]。

表2 納濾膜的物理參數(shù)

1.2 納濾膜分離富集鈾原理

納濾膜對溶液中不同離子的分離富集是物理過程，分離效果取決于納濾膜本身特性，主要包括孔徑結(jié)構(gòu)和表面所帶電荷，即篩分效應(yīng)和電荷效應(yīng)。篩分效應(yīng)是指納濾膜孔徑為納米級，可以截留相對分子質(zhì)量為200～1 000的離子或有機(jī)物，截留溶解性鹽的能力為20%～98%[15]。電荷效應(yīng)是指納濾膜表面和孔道中帶有電荷，在靜電力作用下，排斥溶液中同性電荷離子透過，而異性離子電荷強(qiáng)度存在差異，在通過納濾膜時表現(xiàn)出分離效果上的差異。因此，相對分子質(zhì)量大或價態(tài)高的離子更易被納濾膜截留[16-17]。

納濾膜分離富集鈾的原理如圖1所示。

該馬爾可夫過程在第[tk+(l-1)T0]秒時的過程元A′[tk+(l-1)T0]的一步傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移過程元變化為

1.3 試驗(yàn)方法

料液罐設(shè)計容量10 L。用循環(huán)泵供液。卷式膜組件在壓力作用下對溶液進(jìn)行分離。透過液通過塑料軟管分流出去，濃縮液回流至料液罐。試驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)工藝流程

取8 L溶液進(jìn)行試驗(yàn)，分析濃縮液和透過液中鈾及其他雜質(zhì)離子質(zhì)量濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 納濾膜的選擇

2.1.1 納濾膜通量

料液罐中加入酸性鈾溶液，體積8 L，溫度25 ℃，操作壓力2.0 MPa。透過液體積為7 L，N1～N7納濾膜的通量如圖3所示。

圖3 不同納濾膜的通量

由圖3看出：所選納濾膜都有較高通量，都在100 L/(m2·h)以上，大小順序?yàn)镹3>N2>N4>N7>N1>N6>N5。膜通量越大，表明處理效率越高。

圖4 不同納濾膜對鈾的分離富集效果

2.2 硝酸鹽質(zhì)量濃度的影響

2.2.1 硝酸鹽質(zhì)量濃度對膜通量的影響

料液罐中分別加入酸性鈾溶液和不同質(zhì)量濃度硝酸鹽溶液，體積8 L，納濾膜為N1，溫度25 ℃，操作壓力2.0 MPa。透過液體積為7 L，硝酸鹽質(zhì)量濃度對膜通量的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 硝酸鹽質(zhì)量濃度對膜通量的影響

2.2.2 硝酸鹽質(zhì)量濃度對納濾膜分離富集鈾的影響

試驗(yàn)條件同上，溶液中硝酸鹽質(zhì)量濃度對鈾分離富集的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 硝酸鹽質(zhì)量濃度對鈾分離富集的影響

2.3 操作壓力的影響

2.3.1 操作壓力對膜通量的影響

料液罐中加入8 L模擬硝酸鹽溶液3，納濾膜為N1，溫度25 ℃，操作壓力分別為0.5、1.0、1.5、2.0 MPa。透過液體積為7 L，操作壓力對膜通量的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 操作壓力對膜通量的影響

由圖7看出：隨操作壓力升高，膜通量增大；操作壓力升至2.0 MPa時，膜通量提高至39.85 L/(m2·h)。隨操作壓力升高，溶液克服滲透壓和濃差極化作用增強(qiáng)，更易透過膜層，升高操作壓力有利于提高膜通量；但操作壓力超過一定限值時，納濾膜會壓實(shí)形變，導(dǎo)致膜通量降低和膜的老化。綜合考慮，確定操作壓力以2.0 MPa為宜。

2.3.2 操作壓力對鈾分離富集的影響

試驗(yàn)條件同上，操作壓力對溶液中鈾分離富集的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 操作壓力對鈾分離富集的影響

3 結(jié)論