离子交换分离技术的论文

【专家解说】：　离子交换剂是指能与溶液中的离子进行可逆的交换反应的不溶性固体材料，其种类繁多，有天然的或人工合成的、无机的或有机的固体。现在应用最广泛的是人工合成的有机高分子固体离子交换剂，即离子交换树脂，简称树脂，一般制成粒度为0.35㎜～1.25㎜的珠状颗粒。 　　离子交换树脂由不溶的三维空间网状骨架（即母体），固定在该骨架上的功能基团和与该功能基团相结合的带相反电荷的可交换离子三部分组成。在适当的溶液中可交换离子可以迁移出树脂，而外部溶液中带相同电荷的另外的离子迁移入树脂内，即发生了离子交换反应。具有能离解出阳离子作为可交换离子的（如 Na＋、H+等），称为阳离子交换树脂，其功能团为酸性；具有能离解出阴离子作为可交换离子的（如Cl－ 、ＯH-等），称为阴离子交换树脂，其功能团为碱性。 　　以人们较为熟悉的钠型磺酸树脂对天然水进行的软化处理为例来说明离子交换反应： 　　上式中:R代表树脂母体,- SO3- 为功能基团, Na+为可交换离子, Ca2+或Mg2+为水中待去除的硬度离子。 　　可见，树脂进行吸附反应的结果（反应向右进行），硬水就变成了软水。可以想象，随着树脂处理的水量增大至某一数量后，树脂将会失效，即反应不能再进行。为了使较昂贵的树脂基本恢复到原来状态而能重复使用，需用Na+离子浓度较高的溶液（通常为8%NaCl溶液）处理树脂，即可将其吸附上去的Ca2+、Mg2+离子取代下来，即上述反应向左进行。这就是离子交换技术中必然发生的吸附及解吸两个方向相反的离子交换反应，而且它们均按化学计算量进行的。 　　为了在使用中达到有效而经济，离子交换树脂还应具有适宜的交换容量、颗粒度、密度、强度及物理化学稳定性等一系列的特性。 　　二、 离子交换法提取铀 　　现在越来越多开采低品位铀矿石，浸出液中铀浓度相当低，通常每升溶液中铀含量仅在100毫克左右，甚至有的还低得多；但同时含有的杂质及剩余浸出剂的浓度均较高。因此，先用离子交换法从中分离提取并富集铀，然后才能经济地用沉淀法制取合格的铀浓缩物供进一步纯化。 　　1、 离子交换提铀工艺 　　硫酸浸出液中，较高浓度的杂质阳离子很少与SＯ42-发生络合反应,而UＯ22+可与浓度足够高的SＯ42-形成UＯ2(SＯ4)22－和UＯ2(SＯ4)3 4-络合阴离子；在碳酸钠浸出液中铀为UＯ2（CＯ3）34- 络合阴离子。因此，一般采用强碱性季铵Ⅰ型阴离子交换树脂提取铀，这也是铀水冶工艺中的一大技术突破。 　　对于吸附了硫酸铀酰络合阴离子的树脂,一般采用总浓度为1摩尔/升的硫酸酸化的硝酸铵或氯化钠或纯硫酸溶液进行解吸,这实际上是分别利用其中高浓度的NO3-或Cl-、或HSＯ4-离子取代了树脂上的铀络合阴离子。对于吸附了碳酸铀酰络合阴离子的树脂，用加入少量碳酸钠的氯化钠溶液解吸。硫酸解吸液需经铀的萃取、反萃取后才能沉淀制取高纯铀产品，其余解吸液均可直接从中沉淀铀浓缩物。 　　在提铀生产中，饱和树脂在解吸前，应该用水洗涤以除去树脂夹带的杂质；解吸完成后还需水洗以洗去并回收解吸剂，并有利于树脂返回吸附。生产中对吸附、解吸及水洗均有一定的要求。 　　另外，由于树脂吸附、解吸多次循环，会受浸出液中某些物质污染，从而对树脂的使用性能有一定的不利影响，此为树脂中毒。一般用某些专用药剂处理时，可将大多数毒物从树脂上除去，树脂的性能得到较好恢复而可继续使用。 　　2、离子交换提铀装置及其运行方式 　　离子交换装置应该使树脂与料液之间有良好的接触，以保证离子交换反应的高效率进行。因铀矿石浸出方法不同或磨细矿石搅拌浸出后固液分离难易不同，浸出后所得的含铀料液按其固体含量可分为：清液（由浑浊液经澄清而得，仅含很少量悬浮固体）、浑浊液（每升中含几百毫克悬浮固体）或矿浆（仅去除了粗矿砂，细泥含量为8%∽30%）。从这些料液中吸附铀时，应选用与其相适应的树脂床层的状态。 　　（1）密实床：树脂颗粒相互沉积在一起紧密接触，颗粒之间仅有很小的空隙，只允许清液通过，吸附时只能处理清液。该种树脂床的优点是吸附效果好。相应的设备有固定床（图1）和密实移动床（图2）。 　　（2）流化床：在一定流速的向上流动的液流作用下，树脂颗粒成为分散的悬浮状态，颗粒间有较大距离，因此它允许浑浊液甚至含少量矿泥的稀矿浆通过。在铀工业中较多地用于从浑浊液中吸附铀，相应的有结构不完全相同的多种多层流化床吸附塔（图3）。