铀水冶中的离子交换技术

离子交换由于其优异的分离效果和高的富集倍数，已经广泛应用于许多回收、富集、纯化和杂质去除过程，特别是在稀溶液中，并且离子交换剂不溶于水溶液。

I .离子交换剂和离子交换反应

离子交换剂是指不溶性固体物质，它能与溶液中的离子进行可逆交换反应。它们有很多种，包括天然或合成、无机或有机固体。目前应用最广泛的是合成有机聚合物固体离子交换剂，即离子交换树脂，简称树脂，一般制成粒径为0.35 ~ 1.25毫米的珠粒..

离子交换树脂由不溶性三维网络骨架(即基质)、固定在骨架上的官能团和与官能团结合的带相反电荷的可交换离子组成。合适溶液中的可交换离子可以从树脂中迁移出来，而外部溶液中具有相同电荷的附加离子迁移到树脂中，即发生离子交换反应。具有可分解为可交换离子的阳离子(如钠离子、氢离子等)。)，称为阳离子交换树脂，其官能团是酸性的。阴离子交换树脂，可将阴离子分解为可交换离子(如氯离子、氢氧根离子等)。)，称为阴离子交换树脂，其官能团是碱性的。

以人们熟悉的磺酸钠树脂对天然水的软化处理为例，说明离子交换反应:

在上式中:R代表树脂基体，-SO是官能团，Na+是可交换离子，Ca2+或Mg2+是要从水中除去的硬度离子。

可以看出，由于树脂吸附反应(反应向右进行)，硬水变成软水。可以想象，当树脂处理的水量增加到一定量时，树脂将失效，即反应不能再进行。为了将昂贵的树脂恢复到其原始状态并重新使用，树脂需要用高钠离子浓度的溶液(通常为8%的氯化钠溶液)处理，即被树脂吸附的Ca2+和Mg2+离子可以被替换，即上述反应向左进行。这是离子交换技术中不可避免的反方向吸附和解吸的离子交换反应，它们都是根据化学计算进行的。

为了有效和经济地使用，离子交换树脂还应该具有一系列特性，例如适当的交换容量、粒度、密度、强度、物理和化学稳定性等。

二。离子交换法提取铀

目前，越来越多的低品位铀矿正在开采，浸出液中的铀浓度相当低，通常每升溶液只有100毫克左右，有些甚至更低。然而，同时包含的杂质和残余浸出剂的浓度相对较高。因此，在通过沉淀方法经济地制备合格的铀浓缩物用于进一步纯化之前，通过离子交换方法分离、提取和浓缩铀。

1.离子交换铀提取工艺

在硫酸浸出液中，浓度较高的杂质阳离子很少与SO4 反应，而UO22+能与浓度足够高的SO4形成UO2(SO4)2和UO2(SO4)34-络合物阴离子；碳酸钠浸出液中的铀是UO2(CO3)34-络合阴离子。因此，强碱性季铵ⅰ型阴离子交换树脂普遍用于提取铀，这也是铀水冶工艺的一项重大技术突破。

对于吸附有硫酸铀酰络合阴离子的树脂，一般用硫酸或氯化钠酸化的硝酸铵或总浓度为1 mol/L的纯硫酸溶液进行解吸，实际上是用高浓度的NO或Cl-或HSO 4-离子分别代替树脂上的铀络合阴离子。树脂吸附的碳酸铀酰络合物阴离子用加入少量碳酸钠的氯化钠溶液解吸。硫酸解吸液在沉淀前需要萃取铀和反萃取，制备高纯铀产品，剩余的解吸液可以直接从中沉淀铀浓缩。

在铀提取生产中，应在解吸前用水洗涤饱和树脂，以除去树脂中夹带的杂质；解吸完成后，需要水洗洗去并回收解吸剂，有利于树脂返回吸附。生产中对吸附、解吸和水洗有一定的要求。

另外，由于树脂吸附和解吸的多次循环，会被渗滤液中的一些物质污染，从而对树脂的性能产生一定的不利影响，即树脂中毒。一般来说，当用一些特殊的药物处理树脂时，大多数毒物可以从树脂中除去，并且树脂的性能可以更好地恢复并且可以连续使用。

2、离子交换铀提取装置及其运行方式

离子交换装置应使树脂和进料液体之间保持良好的接触，以确保离子交换反应的高效率。由于铀矿石的浸出方法不同或磨矿搅拌浸出后固液分离困难，浸出后得到的含铀料液按其固体含量可分为清液(清浊液得到，仅含少量悬浮固体)、浊液(每升含数百毫克悬浮固体)或矿浆(仅除去粗矿，细泥含量为8%∽30%)。当铀从这些进料液体中被吸附时，应该选择适合它的树脂床的状态。

(1)密相床:树脂颗粒以紧密接触的方式沉积在一起。颗粒之间只有很小的间隙，只有清澈的液体可以通过。在吸附过程中只能处理澄清的液体。这种树脂床的优点是吸附效果好。相应的设备包括固定床(图1)和密相移动床(图2)。

(2)流化床:在一定流速的向上流动的液体流的作用下，树脂颗粒变成分散的悬浮状态，颗粒之间的距离很大，因此允许混浊的液体甚至含有少量煤泥的稀矿浆通过。在铀工业中，它主要用于从混浊液体中吸附铀，相应地也有各种不同结构的多层流化床吸附塔(图3)。

(3)搅拌床:树脂与含铀细泥浆通过空气或机械搅拌充分混合，确保树脂有效吸附铀。这种方法可以节省昂贵而庞大的固液分离系统，具有一定的优势。然而，搅拌不仅消耗能量，而且对树脂有一定的磨损作用，导致少量铀随树脂流失。因此，它仅与难以从液体中分离固体的搅拌浸出结合使用。在铀水冶，主要使用空气搅拌泥浆吸附罐(图4)。

图3多层硫化床吸附塔

图4连续逆流空气搅拌矿石吸附罐示意图屏幕:事故口

无论使用哪种树脂床设备，含铀进料液在吸附过程中都是连续或几乎连续(中断时间短)输入的，但树脂的操作方式有很大不同，有间歇式和连续式两种。

间歇离子交换:树脂不在设备间流动，而是随设备进行“转圈”式的间歇操作，完成树脂的吸附和解吸循环。多塔串联固定床离子交换是其典型的例子之一。早期，多种浆液吸附罐也采用多罐串联的间歇操作模式。

连续离子交换:这是20世纪60年代发展起来的一种先进的离子交换装置操作模式。节约树脂用量，减少设备和投资，易于实现自动化操作。其特征在于树脂在离子交换设备中或设备之间连续或周期性流动，其流动方向与吸附材料液体或脱附剂的流动方向相反，两个特殊的吸附和脱附系统同时运行。关键是吸附解吸设备上有管道和树脂输送系统，保证树脂定期进出。事实上，到目前为止，上述三种类型的树脂床设备都已经完成了相应的操作，可以进行连续的逆流离子交换。

最近，结合地浸采铀的方法，在分散的每个地浸井场使用3个串联的填充床从地浸清液中吸附铀，然后吸附饱和塔中的所有树脂被排出并输送到中心装置，装载到解吸塔中进行解吸，然后输送回井场，在解吸后装载到吸附塔中进行吸附。这种操作方式介于间歇固定床和连续密相移动床之间，效果也很好。

铀提取行业解吸设备及操作方法:采用第一种单重床部分解吸法。其优点是解吸塔和树脂的用量都很小。但是，为了获得合格的高铀浓度解吸液，需要将更多的低铀浓度解吸液返回到下塔进行解吸，这样就增加了储液罐和解吸操作。为了克服这一缺点，开发了多塔串联解吸或密相移动床解吸塔。