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随着核工业的发展,产生了一批难于处理的含氟、铀废水。本研究以含氟、铀废水为研究对象,采用生物沉降、化学沉降以及离子交换纤维(IEF)技术,分别实现了对氟和铀的深度净化要求,并以此提出了一条较为经济可行的含氟、铀废水深度净化工艺。生物沉降采用固定化活体耐辐射奇球菌(IDR)进行,结果表明,菌含量2.5%的IDR颗粒对铀的沉降性能良好,p H=3.5,铀初始浓度50mg/L,去除率最高可达95%以上,最大吸附量达103.82 mg/g(DW)。IDR的动态柱吸附实验表明,其去除铀的稳定性较好,吸附后铀易通过0.1 mol/L HCl再生,解吸率达90%以上,也可作为固定床填料考虑。经SEM/EDS、XRD等分析可知,铀在IDR颗粒表面以片状铀的磷酸盐形式存在。经过灰化处理后,减重比为254;灰分中铀以Ca(UO2)(PO4)·3H2O和(Ca,U)(PO4)·2H2O的形式赋存。化学沉降铀试验结果表明,优选组合为p H=9,添加10%乙醇,磷酸二氢钙用量为3g,铀去除率达95%以上。经SEM/EDS分析,沉淀是5~10μm片层状堆积的颗粒,由Ca、P、U、O四种元素组成的混合物。在p H=9,加10%乙醇,投加磷酸二氢钙3g条件下,易生成U(HPO4)2·6H2O;而p H=7,加30%乙醇,投加磷酸二氢钙3g条件下易生成(UO2)3(PO4)2·8H2O。化学沉淀氟采用钙盐进行,废水氟离子浓度控制在130%理论值的钙盐投加量条件下,除氟效果达到最佳,氟离子浓度可以降到30mg/L左右,进一步处理首先调节p H=11左右,按照2:1的磷酸盐:氟离子的比例投加磷酸盐,可以使废水中氟离子浓度降至5mg/L左右,达到可排放的水平。IEF筛选优化静态除铀试验结果表明,纯铀体系下,强碱型纤维(SAIEF)处理效果最优,预处理采用酸碱洗的方式进行,接触时间在15~30 min内,其对铀的去除率可达90%以上;p H最佳范围为9.5~11,于10.5处最佳,投加量以1.5g/100mL为宜,铀初始浓度20~100mg/L为宜;恒定投加量梯度递降3次可使50mg/L的铀降至0.05mg/L以下;采用0.1M盐酸作为解吸剂效果较佳,10%的氯化钠也可;解吸后浓水可采用化学沉降的方式回收利用。氟铀体系下,设定氟离子浓度5g/L、10g/L、15g/L条件下,分别对应5mg/LU和50mg/LU,SAIEF基本保持了在纯铀体系下对铀的吸附性能,且几乎对氟离子不去除。结合SEM/EDS、FTIR表征和模拟分析,SAIEF的主要离子交换方程如下:P-CH2N+(CH3)3Cl-+(UO2)2CO3(OH)3-→[P-CH2N+(CH3)3](UO2)2CO3(OH)3 + Cl-(pH 8~11.5)P-CH2N+(CH3)3Cl-+ UO2(OH)3-→[P-CH2N+(CH3)3]UO2(OH)3+ Cl-(p H 10~14)SAIEF动态柱试验结果表明,纯铀体系下,流速10~20mL/min,SAIEF对铀的饱和吸附量约为426.7mg/g;单级填料10~20 g、填料密度=0.1g/mL;填料高度10~20 cm;径高比=1:3~6;进水浓度2~50mg/L铀时,进入量:30-60个柱体积;可保证出水维持10 h左右持续出水铀浓度在0.05g/L以下,符合深度净化要求。且该流速下高径比对铀去除的影响不大,动态解吸流速减半,采用3倍柱体积的0.1M盐酸或10%氯化钠可完成。流速25ml/min时,三级串连,填料密度0.1g/mL;填料高度20 cm;径高比=1:7.6条件下,进水50mg/L U,出水维持10 h左右持续出水铀浓度0.05mg/L以下,此时进水总体积为120个柱体积;当进水5mg/L U时,出水维持28 h左右持续出水铀浓度0.05mg/L以下,此时进水总体积为1050个柱体积。吸附后纤维的灰化产物主要成分为UO4·4H2O,减重比为6.5左右。氟铀体系下,流速10~20mL/min时,两级串连,填料密度=0.1g/mL;填料高度10 cm;径高比=1:6,进水50mg/L U、10g/L F,通水体积4.5L左右可保持出水铀浓度在0.05mg/L以下,氟浓度维持在10g/L左右。流速25ml/min时,三级串连,填料密度0.1g/mL;填料高度20 cm;径高比=1:7.6条件下,进水50mg/L U、10g/L F,5mg/L U、10g/L F条件下,均可保证至少8 h持续出水铀浓度0.05mg/L以下,氟离子浓度维持进水浓度左右。在纯铀体系下对SAIEF单元进行小试和中试试验,结果表明,设定浓度5~100mg/L,流速5~100L/h,高径比4:1,单级纤维填充密度为0.1g/mL,3~4级串连条件下,对各初始浓度各流速条件下,均可完成对废水中铀的深度净化,去污因子最高达3.762×105。同时,对长期使用后SAIEF进行SEM分析,结果表明,纤维在反复多次使用后结构完好,未有解体现象。从EDS结果可以看出,Cl含量增加,说明纤维的功能基团正常,在反复使用过程中,其交换能力得到了进一步优化。结合以上研究,本文提出一条以沉降方法配合SAIEF技术的较经济可行的含氟、铀废水深度净化工艺,为核工业含氟、铀废水的处理提供一定的参考。