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膜萃取技術在含鈾工業廢水處理中的應用 廣元廢水處理公司

文章出處:未知發表時間:2022-01-15 13:14:15


 

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  近年來,隨著核工業的迅猛開展,鈾礦資源的開采力度逐年增加,所產生的放射性廢水、廢氣和廢渣也大量增加。依據核工業近30年的輻射環境質量評價,鈾礦山放射性液態流出物年均排放量大約為1.5×1011Bq。在我國鈾尾礦滲濾液中,鈾的質量濃度通常0.4~23mg/L,廢石滲濾液中,鈾的質量濃度通常0.03~5mg/L,礦坑水中鈾的質量濃度為0.01~11mg/L。徐樂昌等對我國南方某鈾尾礦庫的滲濾液實施了長達1a的監測,監測結果顯現,滲濾液中鈾的均勻質量濃度高達12.2mg/L,而我國《污水綜合排放規范》規則廢水中鈾的限值為0.05mg/L,假如長期飲用含鈾水,鈾便會在人體內富集,進而對人體形成傷害。同時,從工業廢水中濃縮、提取鈾作為核燃料也具有很大的經濟效益。

 

  含鈾廢水,特別是低濃度含鈾廢水,主要來源于鈾礦開采過程,以及核電站、實驗室和工廠等含鈾廢水的排放。鈾在廢水中的存在形態根本相似,主要以U(Ⅳ)U(Ⅵ)的金屬化合物和氧化物共存。U(Ⅳ)可與無機碳構成比擬穩定的絡合物,進而構成沉淀得以去除,而U(Ⅵ)通常以UO22+的方式存在,溶解性較好,較難去除。去除廢水中的鈾主要是指U(Ⅵ)及其化合物。

 

  目前,常見的別離、富集環境中鈾的辦法有:混凝沉淀法、蒸發濃縮法、離子交流法、吸附法、膜萃取法等。其中膜萃取法是一種新型別離工藝,由于其具有共同優勢逐步成為萃取范疇的研討熱點。膜萃取又稱為固定膜界面萃取或膜基溶劑萃取,是膜別離與液-液萃取這2種處置工藝相分離的新型別離技術。膜萃取過程作為一種新型別離技術,與傳統別離技術相比具有其共同的優勢:膜萃取傳質過程發作在微孔膜外表或孔道中,能夠減少萃取劑在料液相中的夾帶損失,降低萃取劑物性請求,拓寬萃取劑選擇范圍,萃取過程防止了野返混冶現象的影響,打破了液泛條件的限制,可采用極高的水油比,特別關于低濃度含鈾工業廢水處理等。

 

  本研討主要經過引見乳狀液膜、中空纖維膜和聚合物容納膜在含鈾廢水中的萃取工藝和相關機理的研討現狀,總結了膜萃取技術的優點和存在的問題,為進一步開展膜萃取在含鈾廢水中的應用提供重要根據,相關結果也能夠為其他膜萃取過程提供參考。

 

  一、乳狀液膜法

 

  20世紀60年代初期,C.E.Rogers研討反浸透脫鹽時發現了具有別離選擇性的人造膜。他將mg/L級別的聚乙甲醚參加鹽水中,結果在醋酸纖維膜和鹽溶液的界面上構成了一張液膜,固然鹽的浸透量降落,但選擇透過性卻顯著增加。后由美國科學家黎念之于20世紀60年代初次提出乳狀液膜技術,在過去的50多年中,乳狀液膜法不斷是膜萃取范疇的研討熱點,乳狀液膜體系見圖1

 

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  乳狀液膜技術具有工藝簡單、傳質速率高、經濟及節能等特性,特別在低濃度溶液處置方面得到普遍研討。陳偉等對乳狀液膜技術別離、回收金屬離子實施了綜述,簡單引見了含鈾廢水處置的常用辦法,并經過比擬闡明了乳狀液膜處置含鈾廢水的優點和應用前景。P.S.Kulkarni等研討了運用乳狀液膜法從稀水溶液中萃取鈾的辦法,分別將TOPOSpan80和碳酸鈉分別用作載體、外表活性劑和反萃劑,萃取后有機相中鈾的濃度是水相的6倍。夏良樹等運用乳狀液膜技術回收處置含鈾溶液,討論了最佳的萃取條件,結果標明,當P204和液體石蠟的體積分數分別為10%5%、內水相鹽酸濃度為4mol/L、水乳比為5時,鈾的萃取率可到達99%以上。還從熱力學角度對回收富集鈾的膜傳輸過程實施了剖析(△G<0),闡明外水相中的鈾可自發向內水相遷移。P.S.Kulkarni應用三磷酸三辛酯和以碳酸鈉為根底的液體膜從酸性廢水中回收鈾,酸性廢水中包含600mg/LU(Ⅵ)360mg/LFe(Ⅲ)325mg/LCa(Ⅱ)390mg/LMg(Ⅱ),結果標明,在恰當條件下鈾的提取率高于70%,最終萃余液中含有U(Ⅵ)的質量濃度低于50mg/L,且對其他金屬離子簡直沒有任何影響,標明乳狀液膜技術具有高度的選擇性。李民權等應用TBP要加氫煤油和外表活性劑與0.001mol/L硝酸在激烈攪拌下制成油包水型乳狀液膜,用于廢水中鈾的萃取,萃取率為95%~96%,連續處置10L廢水仍未見性能發作明顯變化,由此可知乳狀液膜具有較高的穩定性。

 

  孫志娟等對液膜別離機理實施了歸結,主要可分為:(1)液膜的選擇透過性,(2)在液膜外表/體內發作的化學反響,(3)液膜包裹內發作的化學反響,(4)膜內相實施的萃取作用,(5)膜相界面的選擇性吸附。膜的選擇透過性和傳質速率是決議膜別離過程的2個根本要素:選擇透過性主要由膜資料所控制,傳質速率由多種要素共同決議,包括內水相的選擇、外水相被萃物的濃度、外水相pH和活動載體濃度水乳比等。液膜別離鈾的傳質過程見圖2

 

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  目前液膜萃取過程中主要存在制乳、破乳工藝復雜、液膜不穩定等問題,限制了其大范圍的工業應用,未來在載體挑選、液膜體系構成和膜制備過程等方面仍需求愈加深化的研討。

 

  二、中空纖維膜法

 

  中空纖維膜是由含載體的有機相附著在多孔惰性聚合物上構成的人工薄膜。中空纖維膜呈現自支撐構造,不需求其他物質提供機械強度,而且具有構造簡單、組件體積小及單位體積內膜面積較大等優點,制備工藝簡單,重現性較好,因而容易完成工業應用。這種薄膜置于料液相和反萃取相之間,構成萃取與反萃取同時實施的新型別離技術。從1986年開端,戴猷元等便開端選用具有工業背景的體系對中空纖維膜萃取過程實施了研討,實驗采用槽式膜萃取器和中空纖維膜器研討了幾種疏水性膜在萃取中應用的性能。

 

  與傳統的萃取過程相比,膜萃取增加了傳質阻力,使總傳質系數減小。X.B.Sun等運用中空纖維膜實施了二(2-乙基己基)磷酸(HDEHP)溶劑萃取U(Ⅵ)的動力學實驗,調查了水相中的U(Ⅵ)和氫離子濃度、有機相中的HDEHP濃度、水相和有機相的流速和溫度對U(Ⅵ)萃取率的影響,結果標明,膜兩側擴散速率是U(Ⅵ)萃取率的最主要影響要素。D.W.Kou等運用中空纖維膜實施同時萃取、反萃取實驗,研討了分配系數、溶劑極性和溶劑/水流速對富集系數和萃取效率的影響,結果標明,萃取過程中溶劑損失對富集系數和萃取效率有顯著影響。A.W.Lothongkum等應用協同萃取劑實施連續萃取,經過支持液膜系統從獨居石加工副產物磷酸三鈉中別離鈾。實驗研討了以D2EHPACyanex923TBPTOAAliquat336為萃取劑對鈾的萃取效果,結果標明,運用Aliquat336TBP協同萃取的效率明顯高于單一萃取劑。在中空纖維膜萃取中,料液相與有機相萃取相不直接混合,無乳化現象發作,萃取劑的選擇范圍大。

 

  X.Sun等運用中空纖維膜法以二(2-乙基己基)磷酸(HDEHP)要煤油為萃取體系處置含鈾(Ⅵ)廢水,結果標明,萃取效率隨著萃取時間的增加而提升,當萃取時間為30min時,萃取率可到達87%以上,并說明了在中空纖維膜萃取過程中的各影響要素對萃取效率的影響。趙軍等運用絮凝沉淀與中空纖維膜組合工藝(CMF)處置含鈾、镅和钚的低濃度廢水,結果標明,CMF工藝對含貧化鈾廢水的鈾回收率到達99%以上。

 

  中空纖維膜法在金屬離子萃取、有機物萃取和醫療范疇等均取得較好的應用,但中空纖維膜萃取過程仍有一些缺陷,比方由于引入了膜,增加了傳質阻力,并且膜的壽命有限,容易形成污染,增加工藝本錢等。目前,針對不同的用處開發出相順應的新型膜資料是中空纖維膜法的開展方向之一。隨著中空纖維別離膜技術的持續成熟,各項應用局限逐步被處理,中空纖維膜法也將成為重要的別離工藝。

 

  三、聚合物容納膜法

 

  從液膜開展而來的聚合物容納膜(PIMs)最初是作為離子選擇性電極和光電探測器中的傳感元件,但由于其優良的別離特性逐步惹起了廣闊科研人員的研討興味。聚合物容納膜是一種由萃取劑和根底聚合物構成的固體膜,根底聚合物為容納膜提供了具有一定機械強度的骨架,并且能夠依據特定應用選擇適宜的萃取劑、修飾劑和增塑劑等

 

  聚合物容納膜的制備過程十分煩瑣,通常是將一切膜組分溶解于少量具有揮發性的溶劑中,依據應用請求將溶液澆筑在特定外表上來制備聚合物容納膜。由于制備過程中不觸及有毒和揮發性有機溶劑,并且所需萃取劑的量比擬少,因而聚合物容納膜被以為是環境友好型工藝。M.I.G.S.Almeida等經過實驗對聚合物容納膜和乳狀液膜實施了比照,結果發現,聚合物容納膜具有更好的穩定性能,并且可反復運用30次以上,而根本性能不會發作較大改動。A.M.StJohn等運用含2-乙基己基磷酸鹽的聚合物容納膜從硫酸鹽溶液中萃取鈾,實驗比擬了Alamine336Cyanex272Aliquat336D2EHPATBP等的萃取性能,結果標明,質量分數為40%D2EHPA和質量分數為60%的聚氯乙烯的組合能夠完成最大鈾離子萃取效率,到達4.85×10-7mol/(m2?s),闡明聚合物容納膜具有很高的萃取效率。

 

  聚合物容納膜的另一項優勢是在膜的兩側同時實施萃取反萃取,并能夠選擇適宜的萃取劑以完成看待萃物質的選擇性萃取。A.M.StJohn等將以D2EHPA為根底的聚合物容納膜作為研討對象,對含鈾廢水實施了萃取研討,結果標明,隨著D2EHPA濃度的提升,膜的傳質速率顯著提升,隨著聚氯乙烯濃度的增加,膜的耐久性也隨之增加。實驗還發現水相中陰離子(硫酸根、氯離子等)的存在會顯著降低D2EHPAU(Ⅵ)的萃取效率,同時,聚合物容納膜在其他金屬粒子也Fe(Ⅱ)Fe(Ⅲ)Cu(Ⅱ)等共同存在的狀況下,對鈾也有良好的別離選擇性。A.M.StJohn等經過樹立從硫酸溶液中提取鈾(Ⅵ)的模型,提出了一種無量綱的初始通量,其與溶液體積、膜外表積和溶質初始濃度無關,此結論也適用于其他膜別離系統,如含有支撐液體膜的膜別離系統。

 

  由于聚合物容納膜能夠靈敏改動組成成分,該膜具有普遍的應用范疇和開展前景。但由于膜制備工藝不完善,且由于水質的不同,需求的膜特性也不盡相同,聚合物容納膜在水處置方面未完成大范圍的工業應用。將來聚合物容納膜的一個重要開展方向就是研制出萃取性能更好、穩定性更強、也愈加靈敏的聚合物容納膜。

 

  四、膜萃取處置含鈾廢水的開展方向與瞻望

 

  目前,膜萃取處置含鈾廢水的研討工作主要盤繞2個方面實施

 

  (1)膜資料的開發及膜資料的浸潤性能和膜孔溶脹問題對傳質速率的影響。關于工業含鈾廢水,膜資料的穩定性、浸潤性等是完成膜萃取法處置工業含鈾廢水的必要前提,探求出愈加優秀的膜資料能夠使鈾的萃取效率有很大幅度的提升

 

  (2)膜構造的特征及其對傳質效率的影響。膜外表的親/疏水性、膜孔徑、彎曲率等對含鈾廢水處置均有很大影響。依據萃取含鈾廢水的溶液性質、萃取劑特性,選擇適宜的膜組件方式,并引入多種傳質強化手腕提升傳質效率和別離效率。

 

  隨著高穩定性、耐溶脹膜資料的呈現,分離萃取過程強化手腕,膜的穩定性和萃取過程傳質速率都將會得到有效提升,運用膜萃取來別離低含鈾量廢水技術將逐步成熟并最終完成產業化應用。

 


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