某尾礦庫尾礦滲水中鈾的化學形態研究

宋 艷，康紹輝，樊 興，劉 康，李大炳，楊志平

(核工業北京化工冶金研究院，北京 101149)

核燃料循環過程中，從鈾礦石開采、選冶和鈾的精制，到核燃料元件制造，都會產生大量含鈾廢液。含鈾廢液的顯著特點是鈾濃度低、體積大、化學成分復雜。我國某廠鈾純化過程中會產生大量含硝酸根鈾廢液，致使尾礦庫中硝酸根濃度大幅提升，同時尾礦庫會產生大量尾礦滲水，其中含有大量雜質離子[1-3]，因此，研究尾礦滲水中鈾的化學形態對尾礦庫退役治理有重要作用。

目前，用于模擬計算物質化學形態的軟件主要有Visual MINTEQ、GWB、CHEMSPEC、PHREEQC 和EQ3/6等[4-9]。采用數據庫中鈾的物種及其熱力學數據較全、可視化程度較高、形態計算性能受到廣泛認可的Visual MINTEQ 3.1程序對某尾礦庫尾礦滲水中鈾的化學形態進行研究，并對影響鈾化學形態的因素進行條件模擬，分析其變化規律。

1 軟件簡介及水樣分析

Visual MINTEQ 3.1軟件由美國國家環境保護局開發，廣泛應用于模擬環境水平衡溶液中或水體中的離子平衡狀況。該軟件包括形態模型、礦物飽和度模型和吸附模型等，有強大的平衡常數數據庫，可以通過吉布斯自由能、平衡常數等數據計算化學物質的相互作用，判斷化學物質的形態分布，預測金屬有機配合物的形成等[10]。

Visual MINTEQ 3.1模型的理論基礎是W.L.Lindsay教授創立的土壤化學平衡理論。模型將水溶液中的化學物質分為組分和物種，物種是由組分通過化學反應生成，因此，每一種化學物質均可用組分來表示，對于n個化學物質可用輸入m個基本組分來表示，其反應平衡常數包含在Visual MINTEQ 3.1數據庫中。

Visual MINTEQ 3.1模型的計算過程如下：

1)選擇軟件自帶數據庫，輸入初始溶液參數，包括各離子初始濃度、溶液pH、溫度、離子強度等；

2)根據m個基本組分的初始濃度，通過n個物質的吸附、溶解/沉淀、氧化還原等平衡反應方程和平衡常數進行計算，模擬計算達到平衡時各物質的化學形態和濃度。本研究就是通過輸入水樣中各離子初始濃度、溶液pH和溫度等，計算得到平衡時各物質的化學形態和濃度。

模擬計算所用水樣為某尾礦庫的尾礦滲水，pH=4.63，溫度為25 ℃，化學組成見表1?？梢钥闯?，尾礦滲水中硝酸根質量濃度較高，達10 g/L。

表1 尾礦滲水的化學組成 μmol/L

2 計算結果與討論

2.1 水樣中鈾的化學形態

根據表1數據，利用Visual MINTEQ 3.1軟件計算尾礦滲水中U6+的各種存在形態及濃度，以及主要化學形態及占比，結果見表2、3。

表2 水樣中U6+的化學形態及濃度

表3 水樣中U6+的主要化學形態及占比

表4 不同陰離子與形成的配合物的穩定常數

2.2 不同條件下的鈾化學形態的模擬分析

根據尾礦庫水樣環境的變化特征，水樣pH、F-和U濃度的變化相對比較明顯，因此，模擬研究了這些參數發生變化時水樣中鈾的化學形態的變化情況。

2.2.1水樣pH對鈾化學形態分布的影響

水樣pH對鈾化學形態的種類和濃度影響較大。在保持其他參數不變條件下，打開Visual MINTEQ 3.1多問題掃描選項，選定pH變化范圍為1.0～10.0、變化步長為1，得到水樣pH對U6+化學形態分布的影響結果，如圖1所示。

—■●—▲▼—UO2(OH)2(aq)；—◆??—UO2F+；——UO2F2(aq)；—★—UO2SO4(aq)。

綜上所述，可以看出水樣pH對鈾化學形態有較大影響。對于尾礦庫的尾礦滲水，其pH=4.63，其中的鈾主要以UO2F+、UO2F2形態存在，而兩者之間存在如下關系：

可見，要去除尾礦滲水中的鈾，只需找到能吸附UO2F+和UO2F2(aq)的材料即可。

2.2.2F-濃度對鈾化學形態分布的影響

對于pH=4.63的尾礦滲水，當F-濃度在0.2～8.0 mmol/L范圍內變化時，水樣的模擬結果如圖2所示。

—■●—UO2F+；—▲—UO2F2(aq)；—▼◆

2.2.3鈾濃度對鈾化學形態分布的影響

保持其他參數不變，打開Visual MINTEQ 3.1多問題掃描的選項，選定鈾濃度變化范圍為1.0～36.0 μmol/L(pH=4.63)，U6+主要化學形態隨鈾濃度的分布影響結果見表5?？梢钥闯觯弘S鈾濃度提高，鈾的主要化學形態均沒有變化，但濃度都呈上升趨勢。

表5 鈾濃度對U6+主要化學形態分布的影響

3 結論

1)采用Visual MINTEQ 3.1軟件可以模擬分析尾礦庫尾礦滲水中鈾的化學形態及分布特征，分析影響鈾存在形態的因素，進而為下一步鈾提取方法的選擇提供依據。尾礦滲水中，U6+隨溶液pH變化而變化，UO2F+和UO2F2(aq)是尾礦滲水中鈾的主要存在形態。

3)利用Visual MINTEQ 3.1軟件，可以研究鈾的存在形態，