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离子交换法提铀

离子交换法提铀(extraction of uranium bv ion exchange)
用离子交换树脂从铀浸出液中富集、提纯铀和制取纯铀化合物的过程。这是一种既常用于铀富集，也常用于铀提纯的方法。其工艺过程主要包括铀的吸附、铀的淋洗、离子交换树脂的再生等。
20世纪50年代南非的铀厂，加拿大80％的铀厂，美国和澳大利亚50％左右的铀厂都采用离子交换法提取铀。到20世纪90年代韧，采用离子变换法的工厂约占所有铀提取厂的1／2(包括占1／4的淋萃法)。中国于20世纪50年代、60年代相继建成矿浆吸附法和青液吸附法的铀提取厂。
离子变换树脂   铀工业常用的离于交换树脂是强碱性阴离子交换树脂，其骨架由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成，球体是多孔或大孔的、凝胶的，带有季铵基活性功能基([R4N]+X–)。这类离子交换树脂的性质稳定，机械强度高，对铀的选择性和吸附性能都好，每克干离子交换树脂的总吸附容量为3.5～4.5毫克当量。此离子交换树脂的氯型结构式为

这是一种空间网状结构，离子交换树脂功能基中的可交换离子，均匀地分布在网状空间的内部。国际上常用的离子交换树脂有安伯莱特(Amberlite)IRA–400、IRA–425，道埃克斯(Dowex)21K，神胶808和AB–17等。中国产的型号为201×7。
铀吸附   在硫酸浸出液中，铀常以[UO2]2+、UO2SO4、[UO2(SO4)2]2–和[UO2(SO4)3]4–四种形态存在。此外，浸出液中还有大量Fe3+、Al3+、Ca2+、Mg2+等杂质阳离子。阳离子交换树脂虽能吸附[UO2]2+，但吸附选择性差，在吸附[UO2]2+的同时还吸附大量杂质阳离子，从而降低了铀的吸附容量，故难以采用。强碱性阴离子交换树脂吸附[UO2(SO4)2]2–和[UO2(SO4)3]4–配阴离子的效果较好。
在碳酸盐浸出液中，六价铀的存在形态为三碳酸铀酰配阴离子([UO2(CO3)3]4–)。因此，强碱性阴离子交换树脂既能从硫酸浸出液中吸附铀，又能从碳酸盐浸出液中吸附铀。其吸附反应为：

为提高离子交换树脂吸附铀的容量和吸附选择性，要先调整好酸性浸出浆液的酸度。提高浆液的pH值有利于铀的吸附，但却会增加铀的沉淀损失和铁的吸附量，pH值一般控制在1.5～2.0。
可用清液、浑浊液或矿浆作为铀的吸附液。清液吸附时，铀溶液要先过滤，以避免离子交换树脂床层局部堵塞，产生沟流。矿浆吸附时，浆液须经粗砂细泥分离(见铀的粗砂细泥分离)，并保持一定的矿浆细度和浓度，以使作业能正常进行。常用的吸附方式有固定床吸附、移动床吸附、悬浮床吸附、搅拌吸附、连续半逆流吸附和连续逆流吸附。
固定床吸附   离子交换树脂颗粒之间、床层与器壁之间基本不存在相对位移的吸附方式。但这种方式只适用于清液吸附。固定床吸附一般用3～4个交换柱组成一组。吸附原液进入第一个交换柱后，当流出液含铀在5mg／L。以上时，即达到吸附穿透。所谓吸附穿透是指离子交换区已达柱的底部。第一交换柱的流出液进入第二交换柱进行串联吸附，当第二交换柱达到吸附穿透后，则接入第三交换柱，按此顺序依次吸附。直至第一交换柱流出液中铀的浓度与进料原液铀浓度相等时，第一交换柱的离子交换树脂已达饱和，此时即可将第一交换柱“切出”，将吸附原液引入第二交换柱(新的“首柱”)。第一交换柱(原“首柱”)放料，饱和树脂经冲洗后进行淋洗。淋洗后的贫铀交换树脂经水洗，放入“末柱”备用。一般用2～3个交换柱串联吸附，一个交换柱淋洗及备用。
移动床吸附   把离子交换树脂分别输送到分开的吸附交换柱、反洗柱和淋洗柱的吸附方式。这种吸附方式已在加拿大、美国用于工业生产。每排有10个交换柱，两组各3个交换柱用于吸附，一组3个柱用于淋洗，其余1个柱专供离子交换树脂输送和反洗用。这种作业方式除2个或3个交换柱不间断地连续进行吸附和3个柱串联进行淋洗以外，移动床的工作循环情况和固定床无重大差别。这种吸附方式能消除因阀门操作错误而引起含铀溶液和淋洗液混合的事故，铀的提取率接近99.5％。
悬浮床吸附   离子交换树脂呈悬浮状的吸附方式。适用于含固体量较少的稀矿浆吸附(液固比8～10)，通常在几个装有离子交换树脂的串联交换柱中进行。作业程序同固定床，但吸附矿浆是用泵从交换柱底以一定的速度均匀注入，使离子交换树脂层呈悬浮状，流出的矿浆经交换柱顶的筛网与离子交换树脂分离后排出，再用泵送入第二交换柱。“首柱”在饱和后“切出”，经过放料、用水反冲洗离子交换树脂，再进行固定床的淋洗。
搅拌吸附   用空气搅拌离子交换树脂的矿浆的吸附方式。适用于含固体量较多的矿浆吸附。吸附程序同固定床，排料方式同悬浮床，流出矿浆经柱顶筛网溢出。一般用压缩空气输送矿浆。
连续半逆流吸附   吸附原液从几个串联的空气搅拌交换柱内的“首柱”进、“末柱”出的吸附方式。操作与搅拌吸附大致相同，所不同的是贫铀离子交换树脂定量地由“末柱”供入，逐级进入“首柱”，再从“首柱”定量地排出饱和离子交换树脂，经脱泥柱洗涤后送淋洗柱淋洗，通常用移动床淋洗。
连续逆流吸附   吸附原液与离子交换树脂流向相反的连续吸附方式。这种吸附方式具有吸附过程简单、设备体积小、离子交换树脂用量少和经济有效的特点。清液连续逆流吸附较简单，常采用移动床吸附，由吸附液与离子交换树脂逆向流动而实现。矿浆连续逆流吸附，一般采用多层隔室构成的交换柱：离子交换树脂从上而下逐层移动，矿浆由下而上与离子交换树脂逆向流动，贫铀矿浆从交换柱顶溢流装置排出，饱和离子交换树脂从柱底抽出，经冲洗脱泥后在移动床淋洗。贫铀离子交换树脂经水洗后返回吸附。此法对矿浆的密度、流速及离子交换树脂粒度等要求较严，矿浆浓度不宜过高，固体含量以在8％以下为好。常用于从浑浊的矿坑水中回收铀。
铀的淋洗   从饱和离子交换树脂中把铀解吸入水相的过程，又称洗脱或解吸。通常用硝酸盐或食盐的酸性溶液(0.9mol／L–NaCl+0.05mol／L H2SO4)作淋洗剂。碱性的饱和离子交换树脂则用硝酸盐或氯化钠的碳酸钠或碳酸氢钠溶液(1.0mol／L NaCl+0.02mol／L NaHCO3)作淋洗铀，淋洗反应为：

采用固定床淋洗时，淋洗液一般分作3份。取铀浓度最高的1份作为合格淋洗液，送沉淀铀化学浓缩物。其余2份按其铀浓度高低，分别作为1次和2次贫淋洗液，供淋洗下一交换柱的饱和离子交换树脂。最后用1份新淋洗剂淋洗离子交换树脂。采用1.0mol／L H2SO4作淋洗剂，淋洗液可直接进行溶剂萃取(见铀淋革法流程)。
离子交换树脂再生   离子交换树脂在铀的吸附过程中，同时吸附一些其他杂质离子，其中极大部分又和铀一起被淋洗下来。但在通常的淋洗过程中，有的杂质离子不被一起淋洗下来，不断地积累在离子交换树脂离上，进而影响对铀的吸附。这种现象称为离子交换树脂“中毒”。必须采用专门试剂解毒，把这些“毒物”淋洗下来，使离子交换树脂恢复或基本恢复到原来吸附铀的功能，得到再生。铀生产中常见的离子交换树脂中毒有硅中毒、钼中毒、有机物中毒等，一般可采用。NaOH溶液和NaCl溶液进行解毒再生。
发展趋势   离子交换法提铀不如溶剂萃取法提铀的生产效率高，但前者在处理低浓度溶液及用于矿浆吸附方面却有一定的优势。其发展趋势是：(1)研制选择性能好、交换速度快、耐磨蚀、易分离的新型离子交换树脂，如弱碱性的大孔、多子L等阴离子交换树脂；(2)发展和应用高效连续逆流离子交换设备，如希姆斯利、NIMIX、戴维马吉浓矿浆接触器，泵槽式接触器等类型的装置；(3)改进和推广应用淋萃流程。