劉玉龍，胡 南，李廣悅，陳祥標(biāo)，喻 清，丁德馨

(1.南華大學(xué) 鈾礦冶生物技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室，湖南 衡陽 421001；2.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司，北京 100029)

中國硬巖型鈾礦山使用的堆浸提鈾工藝[1-3]，通常包括浸出、吸附、淋洗和沉淀等環(huán)節(jié)，淋洗合格液沉淀是鈾礦山生產(chǎn)重鈾酸鹽產(chǎn)品的最后一道工序，合適的沉淀條件決定重鈾酸鹽產(chǎn)品的質(zhì)量[4]。

循環(huán)沉淀法是目前國內(nèi)外科技工作者青睞的主要工藝方法，該工藝對提高重鈾酸鹽質(zhì)量具有明顯作用。二步沉淀法生產(chǎn)的重鈾酸鹽具有良好的沉降、過濾和脫水性能[8]。多功能沉淀結(jié)晶槽，可使晶漿不斷濃縮和長大，所得產(chǎn)品過濾和脫水性能良好，濾餅中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到30%以下，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到一級品標(biāo)準(zhǔn)[9]。返晶漿沉淀重鈾酸鹽工藝生產(chǎn)的粗粒級重鈾酸鹽產(chǎn)品，含水率為25.97 %，鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.98%[10]。反復(fù)沉淀工藝得到的重鈾酸鹽產(chǎn)品的含水率可降低至30%～41.8%，同時生產(chǎn)成本降低了5%～10%[11]。

目前的生產(chǎn)工藝存在一定問題，亟需開展鈾沉淀工藝與技術(shù)研究，改善產(chǎn)品沉降性能，簡化工藝過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。筆者開展了全漿循環(huán)增粒沉淀生產(chǎn)重鈾酸鹽試驗研究，優(yōu)化沉淀過程pH和氫氧化鈉加入的形態(tài)，以改善漿體沉降和過濾性能，提高重鈾酸鹽產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)。

1 全漿循環(huán)增粒沉淀原理[12-14]

全漿循環(huán)增粒沉淀過程主要包括一次沉淀、二次沉淀(一級沉淀和二級沉淀)和循環(huán)沉淀。循環(huán)沉淀是重復(fù)二次沉淀的過程。

二次沉淀時，沉淀槽內(nèi)留有的一次沉淀物，為二次沉淀提供沉淀晶種、晶粒。向沉淀物內(nèi)加入合格液，使沉淀體系pH介于4.0～5.0，進(jìn)行二次一級沉淀。二次一級沉淀使沉淀中難處理的凝膠狀水合氧化物轉(zhuǎn)化為堿式硫酸鈾酰晶體，強(qiáng)化重鈾酸鹽晶體的生長，既抑制了凝膠和細(xì)微晶體的形成，也增大了晶體的顆粒，改善了沉淀產(chǎn)品的性能。二次二級沉淀是向沉淀體系中加入固體堿，使得沉淀體系pH介于7.0～8.0，溶液中鈾完全沉淀。利用固體堿的溶解熱，加快沉淀反應(yīng)速度和沉降速度，降低產(chǎn)品的含水率，減少廢水的產(chǎn)生。

對沉淀工藝而言，沉淀前、后液相中鈾質(zhì)量濃度的比值R(R=c1/c2)越小，單位體積溶液內(nèi)生產(chǎn)的晶核數(shù)就越少，沉淀晶粒的粒徑就越大,由該公式可知，降低結(jié)晶前溶液的濃度c1和提高溶液的溶解度c2是減小R值的主要途徑。二次一級沉淀通過向沉淀體系中加入合格液來降低c1，二次二級沉淀通過固體堿的溶解熱提高c2，二者均可減少R值，為鈾沉淀創(chuàng)造有利條件。

2 試驗部分

2.1 試驗材料及儀器

表1 淋洗合格液化學(xué)組分Table 1 Chemical composition of qualified solution g/L

試驗用儀器設(shè)備主要有燒杯、錐形瓶、量筒、恒溫攪拌器、pH計、電子天平及滴定管等；試劑主要有H2SO4、釩酸銨標(biāo)準(zhǔn)溶液、NaOH，均為分析純。

2.2 試驗方法

2.2.1 一次沉淀

在外力Fl=800 0N，外力方向角θf=180°，即外力方向垂直向下，軸承寬徑比B/d=6/16，軸頸轉(zhuǎn)速ω=600r/min時，運(yùn)用前述偏位角、偏心率修正方法，尋找平衡時軸心位置。

取400 mL合格液放入燒杯中，加入固體NaOH，攪拌，使溶液pH介于7.0～8.0，連續(xù)攪拌5 min后測試pH。計量固體NaOH用量。

2.2.2 二次沉淀

沉淀漿體靜置24 h后，記錄沉淀物體積。二次沉淀由均勻稀釋一級沉淀和固體氫氧化鈉二級沉淀組成。一級沉淀操作過程：取出第一次沉淀的上清液，分析其中的鈾質(zhì)量濃度；向沉淀物中繼續(xù)加入400 mL合格液，攪拌混勻稀釋至pH=4.0～5.0。二級沉淀操作過程：向沉淀物中加入固體NaOH，攪拌，使溶液pH=7.0～8.0，連續(xù)攪拌5 min后測試pH。

2.2.3 循環(huán)沉淀

試驗方法同二次沉淀，每次取出沉淀上清液，保留底漿沉淀物，循環(huán)一級沉淀和二級沉淀操作，累計開展30次循環(huán)沉淀試驗。每循環(huán)5次，測試沉淀漿體密度和沉降速度。

2.2.4 重鈾酸鹽質(zhì)量分析

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 沉淀體系pH對沉淀的影響

沉淀體系pH是影響沉淀效率和產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。向合格液中加入沉淀劑NaOH，NaOH加入量與沉淀體系pH及母液鈾質(zhì)量濃度關(guān)系如圖1所示?？梢钥闯觯S著NaOH加入量的增加，沉淀體系pH逐漸增大，沉淀母液中鈾質(zhì)量濃度逐漸減小。當(dāng)沉淀體系pH為6.5時，NaOH單耗為0.897 g/gU，母液鈾質(zhì)量濃度為30.7 mg/L，鈾沉淀不完全，沉淀率較低；當(dāng)沉淀體系pH為7.2時，NaOH單耗量為0.925 g/gU，母液中鈾質(zhì)量濃度為4.5 mg/L，沉淀率較高；當(dāng)沉淀體系pH繼續(xù)增大時，影響沉淀漿體過濾速度，而且沉淀劑消耗較大。所以沉淀pH以7.0～8.0為宜。

圖1 沉淀體系pH與NaOH單耗、母液鈾質(zhì)量濃度關(guān)系Fig. 1 Relationship between pH of precipitation system and NaOH unit consumption and uranium mass concentration of mother liquor

3.2 全漿循環(huán)沉淀次數(shù)對漿體沉降性能的影響

累計開展了30次全漿循環(huán)沉淀試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。可以看出，在1～30次循環(huán)沉淀中，沉降曲線有共同的變化規(guī)律，在沉降初期，沉降曲線斜率較大，產(chǎn)品沉降速率較高；隨著沉降時間推移，沉降曲線趨于平緩，產(chǎn)品沉降速率減慢，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。整個沉降過程遵循固體在介質(zhì)中運(yùn)動的規(guī)律，沉降開始一段時間內(nèi)，顆粒以一定加速度向下運(yùn)動，之后由于介質(zhì)受到的阻力逐漸與顆粒重力平衡，顆粒將以恒速下降。

圖2 循環(huán)沉淀次數(shù)對沉降性能的影響Fig. 2 Effect of full slurry circulation precipitation times on sedimentation performance

隨著循環(huán)沉淀次數(shù)的增加，漿體顆粒粒徑逐漸變大，沉降速率也逐漸增大。對比分析第1次沉淀和第20次沉淀發(fā)現(xiàn)，1次沉淀的漿體顆粒細(xì)、黏度大，不利于產(chǎn)品沉降[15]；隨著循環(huán)次數(shù)增加，漿體顆粒變粗，沉降時顆粒向下運(yùn)動速率增大，完全沉降時間縮短，大大提高了沉降速率，提高了生產(chǎn)操作效率。

當(dāng)循環(huán)沉淀次數(shù)大于20次時，隨著循環(huán)沉淀次數(shù)的增加，沉降速率出現(xiàn)降低的趨勢，這與沉淀漿體的體積和質(zhì)量有關(guān)。當(dāng)漿體質(zhì)量濃度過大時，顆粒間彼此相互干擾作用增大，不利于沉淀，因此控制漿體質(zhì)量濃度有利于增加沉降速率。

3.3 全漿循環(huán)沉淀次數(shù)對漿體密度的影響

全漿循環(huán)增粒沉淀次數(shù)對沉降前漿體密度的影響如圖3所示。可以看出，當(dāng)循環(huán)沉淀次數(shù)為25次時，沉淀體系的漿體密度基本穩(wěn)定，需要對沉淀體系中的固體沉淀物進(jìn)行釋放，以利于漿體繼續(xù)循環(huán)沉淀。

圖3 循環(huán)沉淀次數(shù)對沉降前漿體密度的影響Fig. 3 Effect of full slurry circulation precipitation times on slurry density before sedimentation

全漿循環(huán)增粒沉淀次數(shù)對沉降后漿體密度的影響如圖4所示?？梢钥闯?，隨著沉淀次數(shù)的增加，沉降后漿體密度逐漸增大，由第1次沉淀的1.18 g/mL增加到第30次沉淀的1.45 g/mL，增加了22.9%。

圖4 循環(huán)沉淀次數(shù)對沉降后漿體密度的影響Fig. 4 Effect of full slurry circulation precipitation times on slurry density after sedimentation

3.4 全漿循環(huán)沉淀次數(shù)對重鈾酸鹽產(chǎn)品(濕基)質(zhì)量的影響

圖5 全漿循環(huán)沉淀次數(shù)對重鈾酸鹽產(chǎn)品(濕基)鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig. 5 Effect of full slurry circulation precipitation times on uranium mass fraction of diuranate product(wet basis)

圖6 全漿循環(huán)沉淀次數(shù)對重鈾酸鹽產(chǎn)品(濕基)含水率的影響Fig. 6 Effect of full slurry circulation precipitation times on water content of diuranate products(wet basis)

圖7 全漿循環(huán)沉淀次數(shù)對重鈾酸鹽產(chǎn)品(濕基)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Fig. 7 Effect of full slurry circulation precipitation times on fraction of diuranate products(wet basis)

3.5 重鈾酸鹽產(chǎn)品(干基)質(zhì)量

表2 重鈾酸鹽產(chǎn)品(干基)質(zhì)量Table 2 Quality analysis of diuranate product(dry basis)

4 結(jié)論

1)全漿循環(huán)增粒沉淀過程主要包括一次沉淀、二次沉淀(一級沉淀和二級沉淀)和循環(huán)沉淀。一級沉淀pH控制在4.0～5.0為宜，二級沉淀最終pH控制在7.0～8.0為宜。