超声辅助中性稀土矿渣中钍的吸附行为研究

杨莉 葛进国 戴军 张尧成 邱光怀

摘 要：采用自制伯氨树脂为吸附剂，分别研究了超声辅助下树脂添加量、吸附时间对中性稀土矿渣中钍离子的吸附行为，并对伯氨树脂吸附钍离子的吸附机理进行了探讨。研究结果表明，采用硝酸溶液对中性矿渣具有较好的溶解性，硝酸浓度为12vol.%，矿渣添加量与硝酸容量最佳配比度为1g：27ml；20ml溶液中，吸附最佳条件为：树脂添加量6g、吸附时间5min，吸附率达到了62.58%。

关键词：超声辅助；钍；吸附；伯氨树脂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.038

钍为一种带有刚灰色光泽的放射性元素，具有较为活泼的化学性质，不仅可以作为增强相添加入合金中以提高合金强度，还可以利用其衰变所储藏的能量用作核燃料 [1]。对稀土矿渣中钍元素的有效提纯，不仅可以减少钍的污染，还可以使钍资源得到很好的利用[2]。

针对钍元素的分离富集法主要有固相萃取法、液液萃取法、离子交换法和液膜萃取法等[1， 3]。杨维凡等人采用液液萃取法从天然U中萃取Th，发现该方法能有效去除大部分的干扰元素，从而获得了较高纯度的钍；李玉萍等人[4]以P291为协同流动载体， （NH4）2CO3作内相试剂的乳状液膜体系，发现采用液膜萃取法可以很好的分离出富集水中的痕量钍。

本文采用超声辅助法对南方离子型矿矿渣中Th的静态吸附行为进行研究，降低稀土矿渣中放射性核素，满足国家豁免标准的要求或达到清洁解控水平。

1 试验材料及方法

本文选用南方离子型矿中的中性稀土矿渣为吸附对象，硝酸溶液为溶解液，自制伯氨树脂为吸附剂；采用Optima8000型电感耦合等离子体发射光谱仪对吸附前后溶液中的钍含量进行测定。钍标准液（GBW（E）080174）浓度为100μg/ml，采用移液枪分别取出10μl及100μl于100ml超纯蒸馏水中制备0.1μg/ml及1.0μg/ml的钍工作液。选择硝酸为溶解液，首先将4g稀土矿渣添加入容量为108ml，浓度分别为0、3、6、9、12、15vol.%硝酸溶液中，得出最佳的硝酸浓度，再在此浓度下添加1、2、3、4、5、6g矿渣，从而得出最佳的硝酸浓度及矿渣与硝酸溶液的最佳配比度。钍吸附行为的研究主要包括以下几个部分：（1）伯氨树脂添加量对钍吸附行为的影响：在20ml的硝酸溶液中分别添加不同含量的伯氨树脂，进行超声波震荡5分钟后，测量吸附后溶液中钍的含量，伯氨树脂添加量分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、6.0、9.0、12.0、15.0、18.0g；（2）吸附时间对钍吸附行为的影响：在第一步实验的基础上，向20ml的硝酸溶液中添加适量的伯氨树脂，分别超声震荡2、5、8、11、14、17、20min。

2 试验结果及分析

2.1 伯氨树脂

自制伯氨树脂为淡黄色颗粒状，平均颗粒尺寸在0.9至1.0mm之间，采用流体静力称量法对其密度进行测量，测量结果为1.28g/cm3，伯氨树脂共具有3个吸收峰，在1116.37cm-1处存在中强度的N-H弯曲振动吸收峰，在1624.04cm-1處和3427.07cm-1处存在高强度的N-H伸缩振动吸收峰，透过率均较高，分别为86.22%、87.99%及83.63%。

2.2 溶解液

在硝酸浓度为12vol.%，容量为108ml，当矿渣添加量从1g增加至4g时，溶液逐渐由无色透明状转变为淡黄透明状，无沉淀；进一步增加至5-6g，溶液变为黄色透明状，并带有少量沉淀；矿渣的最佳添加量为4g。采用清水进行溶解时，溶液为乳白色并带有大量沉淀；硝酸浓度从3vol.%增加至9vol.%时，溶液为淡黄浑浊状，沉淀量逐渐减少；进一步增加至12-15vol.%，溶液由之前的淡黄浑浊状转变为淡黄透明状，且矿渣全部溶解无沉淀现象；硝酸最佳浓度为12vol.%，矿渣添加量与硝酸容量最佳配比度为1g：27ml。

2.3 树脂含量

在溶液中钍离子总量保持不变的情况下（溶液为20ml），随着树脂含量的增加（0-6g），树脂对钍离子的吸附率显著增大；而当树脂含量再进一步增加至18g时发现，钍离子的吸附率上升趋势比较平缓，从6g增加到18g时，其吸附率仅增加了5.69%。这主要是由于随着矿渣溶液中的树脂含量的增加，所提供的N-H弯曲振动吸收峰以及N-H伸缩振动吸收峰的吸附空位点也随之增加，在体系中钍离子总浓度保持不变的情况下，树脂对钍离子的吸附率必然随之增加。溶液中的钍离子含量有限，所以随着树脂含量的增加，吸附率增加幅度几乎保持不变。

2.4 吸附时间

在吸附时间为5min时，吸附率达到56.29%，之后几乎不变。当吸附时间较短时候，树脂N-H振动吸附位点较多，与溶液中的钍离子可快速且充分的吸收。进一步增加吸附时间时，发现树脂的吸附率几乎保持不变，约为57%。溶液对树脂钍离子的解吸过程与树脂对溶液中钍离子的吸附过程达到动态平衡，故而在时间为5min后，吸附率随吸附时间的增加而几乎维持平衡不变。

3 结论

（1）硝酸溶液对酸性渣的溶解性较差；对中性渣的溶解性较好，最佳溶液浓度为12vol.%，矿渣与溶液的最佳配比度为1g ：27ml。

（2）吸附率随树脂含量增加先快速增加后缓慢增加并趋于平缓，最佳树脂添加量为6.0g。吸附率在吸附时间为2-5min时，增长速率较快；最佳吸附时间为5min。

参考文献：

[1]张妮，刘慧君，孙允凯等.磺酰化β-环糊精包合N，N′-二苯硫脲对钍的吸附研究[J].南华大学学报（自然科学版），2015， 29（02）：118-123.

[2]李利，吴宇，唐砚.伯氨树脂对稀土矿渣浸出液中钍的吸附研究[J].四川有色金属，2006（04）：40-44.

[3]纪学珍，刘慧君，王丽丽等.β-环糊精键合硅胶材料对钍的吸附[J].核化学与放射化学，2012，34（01）：40-45.

[4]李玉萍，李莉芬，王献科.液膜分离富集、测定水中痕量钍[J].工业水处理，2000，20（11）：28-30.

本项目受到江苏省科技厅产学研联合研究项目（BY2016050-03）资助。