CN109231629A - 一种水溶液中铀的吸附装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水溶液中铀的吸附装置。该吸附装置包括配液系统、预处理系统、柱吸附系统、槽式吸附系统和废液处理系统。吸附装置采用两种不同模式的吸附方式的多组并联运行工艺，实现了对吸附条件的可控化工艺，并且能够以多组铀吸附材料同时进行平行对比考核筛选。本发明的水溶液中铀的吸附装置解决了海水铀吸附材料性能考核和含铀废水处理工艺匮乏的问题。
Description
技术领域
本发明属于海水提铀技术领域，具体涉及一种水溶液中铀的吸附装置。
背景技术
随着全球资源日益减少，人口不断增加，为了防止社会、政治及环境因素影响能源供应安全，造成全球经济问题，人们开始对工业金属和矿物的非常规储备形式进行探索和利用。铀的主要来源是沥青铀矿U3O8，铀矿分布较为集中，只有15个国家的经济可采铀矿储量能达到发展核能发电的要求，其中澳大利亚和哈萨克斯坦两个国家共占33%。以目前的铀资源消耗速率，全球铀矿资源储量可维持核电发展80-120年；但到2050年，全球人口总数将超130亿，新兴经济不断发展，能源需求也随之翻倍。过去20年，尽管美国及发达国家人均能源消耗逐渐降低，但全球层面的能源消耗依然提高了30%；预计到2040年，核能发电量比现在多一倍，保证铀资源储量成为解决能源安全问题的关键。
铀在海水中以Ca2[UO2(CO3)3]的稳定态存在，浓度为3.3μg L-1，尽管浓度很低，但由于全球海水体积庞大，铀资源总数经估算可达45亿吨，是传统陆地铀矿资源的1000倍，足以满足人类核能发电可持续发展数千年。为了保证铀资源稀缺国家的铀资源供应，防止铀资源供应链发生急剧波动，因此发展成熟、低碳的海水提铀研究工作以满足人类对于能源的需求势在必行。
在海水提铀的研究中，对于铀吸附材料的性能考核是关键。目前研究铀吸附材料的性能主要采用柱吸附的形式，而对于铀吸附材料在真实海水中的吸附形式研究有缺失，而且研究设备的自动化程度较低，对铀吸附材料在吸附过程中的条件不可控。研制一套吸附条件可控，并且具备模拟真实海水中铀吸附材料的吸附形式的装置对于考察铀吸附材料的性能非常重要。
当前，亟需发展一套自动化可控，同时具备柱吸附和槽式吸附形式的铀吸附装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水溶液中铀的吸附装置。
本发明的水溶液中铀的吸附装置，其特点是，所述的吸附装置包括配液系统、预处理系统、柱吸附系统、槽式吸附系统和废液处理系统，所述的配液系统分别与预处理系统和槽式吸附系统的进口连通，配液系统与废液处理系统的回流管连通，预处理系统与柱吸附系统的进口连通，柱吸附系统的出口与废液处理系统的进口连通，槽式吸附系统底部排液管和顶部溢流管与废液处理系统的进口连通。
所述的配液系统包括配液箱、进液口、排液口、液位计Ⅰ、控制阀和水泵，配液箱的上部开有进液口，配液箱的底部开有排液口，配液箱的箱体上安装有液位计Ⅰ，配液箱的出口管道安装有控制阀和水泵，配液箱的出口管道分别与预处理系统和槽式吸附系统的进口连通；
所述的预处理系统包括过滤器、控温水箱、增压泵、缓冲罐和加热器Ⅰ，过滤器、控温水箱、增压泵和缓冲罐依次连通，控温水箱上安装有液位计Ⅱ和温度计Ⅰ，控温水箱内安装有加热器Ⅰ，缓冲罐的出口管道为m组并联的子管道，m≥5，缓冲罐的溢流管道回流至控温水箱，过滤器的进口管道与配液箱的出口管道连通；
所述的柱吸附系统包括m组并联的吸附柱及配套的管路和阀门，m组并联的吸附柱分别与缓冲罐的m组子管道对应连通，m组并联的吸附柱的各组出口管道合并成一个总出口管道；
所述的槽式吸附系统包括吸附槽、液位计Ⅲ、循环泵、排放管和溢流管，吸附槽的进口管道与配液箱的出口管道连通，吸附槽的出口管道包括位于吸附槽箱体底部的排放管和位于吸附槽箱体上部的溢流管，吸附槽安装有液位计Ⅲ，吸附槽安装有用于吸附槽内的液体自循环的循环泵；
所述的废液处理系统包括废液箱、排气扇、液位计Ⅳ、温度计Ⅱ、加热器Ⅱ和返回管，废液箱的进口管道分别与槽式吸附系统的排放管和溢流管以及柱吸附系统的总出口管道连通，废液箱的返回管进入配液系统的配液箱，废液箱上安装有液位计Ⅳ和温度计Ⅱ，废液箱内安装有加热器Ⅱ，废液箱上开有排气管道，排气管道内安装有排气扇。
所述的吸附柱和吸附槽内填装有铀吸附材料。
本发明的水溶液中铀的吸附装置，是基于柱式吸附和槽式吸附这两种常见的铀吸附过程设计的。其设计原理在于，通过溶液的配置控制铀溶液的浓度，通过加热系统控制流经吸附材料的溶液温度，通过流量控制流经吸附材料的流速，达到在不同条件下对铀吸附材料的吸附性能研究的目的。
本发明的水溶液中铀的吸附装置针对海水提铀过程中铀浓度低、溶剂处理量大、铀吸附材料性能研究周期长的特点，建立了设计合理、构思巧妙的水溶液中铀的吸附装置，该装置可根据不同的测试需求，实现多组材料不同流速、不同温度、不同吸附形式的性能研究，具有流程简单、装置操作便捷、系统稳定性好的优点。
附图说明
图1为本发明的水溶液中铀的吸附装置的结构示意图；
图中，1. 配液系统 11.配液箱 12.进液口 13.排液口 14.液位计Ⅰ 15.控制阀 16.水泵 2.预处理系统 21.过滤器 22.控温水箱 23.液位计Ⅱ 24.温度计Ⅰ 25.增压泵 26.缓冲罐 27.加热器Ⅰ 3.柱吸附系统 31.吸附柱 4. 槽式吸附系统 41.吸附槽 42.液位计Ⅲ43.循环泵 44.排放管 45.溢流管 5. 废液处理系统 51.废液箱 52.排气扇 53.液位计Ⅳ54.温度计Ⅱ 55.加热器Ⅱ 56.返回管。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，本发明的水溶液中铀的吸附装置包括配液系统1、预处理系统2、柱吸附系统3、槽式吸附系统4和废液处理系统5，所述的配液系统1分别与预处理系统2和槽式吸附系统4的进口连通，配液系统1与废液处理系统5的回流管连通，预处理系统2与柱吸附系统3的进口连通，柱吸附系统3的出口与废液处理系统5的进口连通，槽式吸附系统4底部排液管和顶部溢流管与废液处理系统5的进口连通。
所述的配液系统1包括配液箱11、进液口12、排液口13、液位计Ⅰ14、控制阀15和水泵16，配液箱11的上部开有进液口12，配液箱11的底部开有排液口13，配液箱11的箱体上安装有液位计Ⅰ14，配液箱11的出口管道安装有控制阀15和水泵16，配液箱11的出口管道分别与预处理系统2和槽式吸附系统4的进口连通；
所述的预处理系统2包括过滤器21、控温水箱22、增压泵25、缓冲罐26和加热器Ⅰ27，过滤器21、控温水箱22、增压泵25和缓冲罐26依次连通，控温水箱22上安装有液位计Ⅱ23和温度计Ⅰ24，控温水箱22内安装有加热器Ⅰ27，缓冲罐26的出口管道为m组并联的子管道，m≥5，缓冲罐26的溢流管道回流至控温水箱22，过滤器21的进口管道与配液箱11的出口管道连通；
所述的柱吸附系统3包括m组并联的吸附柱31及配套的管路和阀门，m组并联的吸附柱31分别与缓冲罐26的m组子管道对应连通，m组并联的吸附柱31的各组出口管道合并成一个总出口管道；
所述的槽式吸附系统4包括吸附槽41、液位计Ⅲ42、循环泵43、排放管44和溢流管45，吸附槽41的进口管道与配液箱11的出口管道连通，吸附槽41的出口管道包括位于吸附槽41箱体底部的排放管44和位于吸附槽41箱体上部的溢流管45，吸附槽41安装有液位计Ⅲ42，吸附槽41安装有用于吸附槽41内的液体自循环的循环泵43；
所述的废液处理系统5包括废液箱51、排气扇52、液位计Ⅳ53、温度计Ⅱ54、加热器Ⅱ55和返回管56，废液箱51的进口管道分别与槽式吸附系统4的排放管44和溢流管45以及柱吸附系统3的总出口管道连通，废液箱51的返回管56进入配液系统1的配液箱11，废液箱51上安装有液位计Ⅳ53和温度计Ⅱ54，废液箱51内安装有加热器Ⅱ55，废液箱51上开有排气管道，排气管道内安装有排气扇52。
所述的吸附柱31和吸附槽41内填装有铀吸附材料。
实施例1
本实施例用于处理铀浓度为20ppm的含铀水溶液，本实施例的铀吸附材料为辐照接枝的偕胺肟基聚乙烯，本实施例的并联的吸附柱为10组。具体过程如下：
a. 铀浓度为20ppm的含铀水溶液经水泵16通过配液系统1分别以5L/min的流速进入进入预处理系统2和1L/min的流速进入槽式吸附系统4；
b.含铀水溶液在预处理系统2内首先通过过滤器21过滤，再进入控温水箱22，含铀水溶液在控温水箱22中经加热器27加热达到30℃后通过增压泵25进入缓冲罐26，缓冲罐26中的含铀水溶液通入柱吸附系统3；
c.含铀水溶液在柱吸附系统3中通过阀门进行流量控制后流进m组并联的吸附柱31，1-5号吸附柱设定流速为20ml/min，6-10号吸附柱设定流速为40ml/min。溶液中的铀被吸附柱31中的铀吸附材料吸附，吸附后的水溶液流入废液处理系统5，吸附时间为24小时；
d.含铀水溶液在槽式吸附系统4中通过循环泵43进行控制流速为10L/min的内循环，，反复流经吸附槽41中的铀吸附材料，超过溢流管45高度的水溶液通过溢流管排入废液处理系统5，吸附达24小时后的水溶液通过排放管44排入废液处理系统5；
e.废液处理系统5中的含铀水溶液在废液箱51中经过加热器55到100℃进行蒸发，蒸气通过排气扇52排出系统。
所述的步骤b中的含铀水溶液在控温水箱中经过加热器加热达到不同的设定温度，实现对不同温度条件下的铀溶液吸附性能的测试。
所述的步骤c中，m组并联的吸附柱互不干扰，每组均通过单独的阀门进行流量控制，实现了m组不同流速下铀吸附材料的吸附性能研究。
所述的步骤d中，通过循环泵进行流速可控的自循环，实现了铀吸附材料在槽式吸附系统中不同流速下的吸附性能研究。
经过上述步骤测试，辐照接枝的偕胺肟基聚乙烯吸附材料在柱吸附系统3中的平均吸附容量在流速为20ml/min时为56mg/g，在吸附系统3中的平均吸附容量在流速为40ml/min时为78mg/g，在槽式吸附系统4中的平均吸附容量为89 mg/g。
根据实验设计需要，实施例的并联的吸附柱数量可以改变，但至少应为5组以上，否则实验研究效率较低，不利于发挥本发明水溶液中铀的吸附装置的优势。
上述实例仅为本发明较佳的实施例之一，并不局限于上述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (3)
1.一种水溶液中铀的吸附装置，其特征在于：所述的吸附装置包括配液系统（1）、预处理系统（2）、柱吸附系统（3）、槽式吸附系统（4）和废液处理系统（5），所述的配液系统（1）分别与预处理系统（2）和槽式吸附系统（4）的进口连通，配液系统（1）与废液处理系统（5）的回流管连通，预处理系统（2）与柱吸附系统（3）的进口连通，柱吸附系统（3）的出口与废液处理系统（5）的进口连通，槽式吸附系统（4）底部排液管和顶部溢流管与废液处理系统（5）的进口连通。
2.根据权利要求1所述的水溶液中铀的吸附装置，其特征在于：所述的配液系统（1）包括配液箱（11）、进液口（12）、排液口（13）、液位计Ⅰ（14）、控制阀（15）和水泵（16），配液箱（11）的上部开有进液口（12），配液箱（11）的底部开有排液口（13），配液箱（11）的箱体上安装有液位计Ⅰ（14），配液箱（11）的出口管道安装有控制阀（15）和水泵（16），配液箱（11）的出口管道分别与预处理系统（2）和槽式吸附系统（4）的进口连通；
所述的预处理系统（2）包括过滤器（21）、控温水箱（22）、增压泵（25）、缓冲罐（26）和加热器Ⅰ（27），过滤器（21）、控温水箱（22）、增压泵（25）和缓冲罐（26）依次连通，控温水箱（22）上安装有液位计Ⅱ（23）和温度计Ⅰ（24），控温水箱（22）内安装有加热器Ⅰ（27），缓冲罐（26）的出口管道为m组并联的子管道，m≥5，缓冲罐（26）的溢流管道回流至控温水箱（22），过滤器（21）的进口管道与配液箱（11）的出口管道连通；
所述的柱吸附系统（3）包括m组并联的吸附柱（31）及配套的管路和阀门，m组并联的吸附柱（31）分别与缓冲罐（26）的m组子管道对应连通，m组并联的吸附柱（31）的各组出口管道合并成一个总出口管道；
所述的槽式吸附系统（4）包括吸附槽（41）、液位计Ⅲ（42）、循环泵（43）、排放管（44）和溢流管（45），吸附槽（41）的进口管道与配液箱（11）的出口管道连通，吸附槽（41）的出口管道包括位于吸附槽（41）箱体底部的排放管（44）和位于吸附槽（41）箱体上部的溢流管（45），吸附槽（41）安装有液位计Ⅲ（42），吸附槽（41）安装有用于吸附槽（41）内的液体自循环的循环泵（43）；
所述的废液处理系统（5）包括废液箱（51）、排气扇（52）、液位计Ⅳ（53）、温度计Ⅱ（54）、加热器Ⅱ（55）和返回管（56），废液箱（51）的进口管道分别与槽式吸附系统（4）的排放管（44）和溢流管（45）以及柱吸附系统（3）的总出口管道连通，废液箱（51）的返回管（56）进入配液系统（1）的配液箱（11），废液箱（51）上安装有液位计Ⅳ（53）和温度计Ⅱ（54），废液箱（51）内安装有加热器Ⅱ（55），废液箱（51）上开有排气管道，排气管道内安装有排气扇（52）。
3.根据权利要求2所述的水溶液中铀的吸附装置，其特征在于：所述的吸附柱（31）和吸附槽（41）内填装有铀吸附材料。
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