電沉積法處理含鈾廢液試驗研究

周顯明，任 萌，李 佳，謝汶級，李鑫浩，張海明，向書巧，傅秋萍

(中國核動力研究設計院 第四研究所，四川 成都 610213)

核廢物處置過程中會產生大量廢液[1]。這些廢液中含有一定量鈾，有一定化學毒性和放射性輻射，對生態環境和人類健康有一定危害[2-4]，排放前需加以處理，去除或回收其中的鈾。

試驗研究了采用電沉積法從模擬核燃料元件研制和生產過程中產生的含鈾酸廢液中去除鈾，以期為含鈾廢液中鈾的去除與回收提供可行方法，為電沉積法處理含鈾廢液的工程應用提供技術支撐。

1 試驗部分

1.1 料液與試劑

含鈾溶液由硝酸鈾酰溶液和去離子水配制而成。

硝酸、氫氧化鈉等試劑，均為分析純。

1.2 試驗裝置

電沉積反應器由電解槽、直流電源、電極等組成。電解槽槽體為玻璃材質，容積1 L，φ110 mm×120 mm。陽極為鍍釕銦的鈦網電極，50 mm×100 mm；陰極為鈦網電極，50 mm×100 mm。

1.3 試驗原理與方法

在電流作用下，鈾酰離子在陰極得到電子被還原，或與OH-結合形成氫氧化物，進而得以從溶液中去除。去除的鈾沉積在電極表面或沉淀到反應槽底部。

陰極反應：

(1)

(2)

陽極反應：

(3)

隨電沉積反應進行，陰極板上的沉積物會有所增加，鈾沉積速率逐漸下降，所以每隔15 min更換陰極板，并對陰極板進行酸洗再生。

用原子吸收分光光度法測定溶液中的鈾質量濃度，計算鈾去除率。

(4)

式中：r—鈾去除率；ρ0—初始鈾質量濃度，mg/L；ρt—沉積t時間后鈾質量濃度，mg/L。

2 試驗結果與討論

2.1 槽電壓對鈾去除率的影響

電壓大小影響電極的極化程度：電壓為零時，電極電位處于平衡狀態；電壓逐漸升高后，電極電位開始偏離平衡狀態，使電極電位提高。

試驗過程中發現，極間距3 cm、室溫條件下：槽電壓低于0.5 V時，陽極、陰極均無氣泡產生，陰極也沒有出現沉積物；槽電壓為1～4 V時，陽極產生氣泡，陰極無氣泡但緩慢出現棕黑沉積物；槽電壓大于5 V后，陽極、陰極均有氣泡產生，陰極開始出現黑綠色沉積物；隨槽電壓增大，陰極鈾沉積速率加快，析氫副反應也隨之加劇；槽電壓大于20 V后，隨電沉積的進行溶液有升溫現象。

圖1 槽電壓對鈾去除率的影響

2.2 沉積時間對鈾去除率的影響

溶液初始鈾質量濃度0.5 g/L，初始pH=4.05，槽電壓30 V，每隔15 min更換陰極板，沉積時間對鈾去除率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 沉積時間對鈾去除率的影響

2.3 溶液初始鈾質量濃度對鈾去除率的影響

常溫，槽電壓30 V，沉積時間75 min，每隔15 min更換陰極板，溶液初始鈾質量濃度對鈾去除率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 初始鈾質量濃度對鈾去除率的影響

由圖3看出：隨初始鈾質量濃度升高，鈾去除率先升高后降低，初始鈾質量濃度為0.5 g/L時，鈾去除效果較好，去除率為93.96%。當溶液中初始鈾質量濃度過低時，陰極鈾沉積速率較慢，U(Ⅵ)實際析出電位過低，鈾去除率較低。初始鈾質量濃度過高時，溶液中H+濃度也高，隨沉積進行，析氫副反應劇烈程度加大，導致鈾去除率降低。綜合考慮，確定初始鈾質量濃度以0.1～3.0 g/L為宜。

2.4 溶液初始pH對鈾去除率的影響

溶液初始鈾質量濃度0.5 g/L，初始pH=4.09，用質量濃度100 g/L的氫氧化鈉溶液調pH=5，此時溶液顏色較深；電解槽未見沉淀，沉積時，陽極板附近顏色變淺接近無色，陰極板附近黃綠色變深；沉積45 min，溶液pH幾乎不變，陰極未發現U(Ⅵ)沉積；再用濃硝酸將pH從5調為4、3、2，并分別繼續沉積，陽極板附近溶液接近無色，陰極板附近溶液變為黃綠色，亦未發現U(Ⅵ)沉積。分析認為，引入Na+導致沉積過程中陰極附近生成重鈾酸鈉，使得U(Ⅵ)不在陰極板上沉積。

用濃硝酸調溶液初始pH。當溶液初始pH=1時，溶液H+濃度高，電導率大，沉積時陰極析氫反應劇烈，U(Ⅵ)不發生沉積；當溶液初始pH分別為4、3、2時，沉積75 min，鈾去除率的變化如圖4所示。可以看出：隨溶液初始pH增大，鈾去除率明顯升高。隨溶液中H+濃度升高，與鈾爭奪電子的析氫副反應競爭性增強，析氫反應劇烈，鈾的電沉積率降低。因此，電沉積去除鈾時，溶液pH以3～4為宜。

圖4 溶液初始pH對鈾去除率的影響

2.5 攪拌對鈾去除率的影響

初始鈾質量濃度0.5 g/L，槽電壓30 V，溶液初始pH=4，電沉積過程中充分攪拌，攪拌作用對鈾去除率的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 攪拌對鈾去除率的影響

3 結論