CN115558790A - 一种从海水中分离和富集铀的方法、电驱动膜分离反应系统 - Google Patents

一种从海水中分离和富集铀的方法、电驱动膜分离反应系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种海水中分离和富集铀的方法。与现有技术相比，本发明利用电脱水电驱动分离系统能够实现不同价态离子选择性分离的优势，通过优选合适的阳离子交换膜类型和电流密度，一步法将氯化钠与铀进行选择性分离；并且利用电脱水，可获得高水迁移，提升铀的富集效果；该法实施简单，对环境无有害污染，可利用不同离子交换膜的特征，实现单多价离子的分离，还可巧妙利用离子交换膜不够致密的缺陷，化劣势为优势，降低成本；同时以电场力作为驱动力，分离效果较好，大大提高富集效率，避免了传统物理吸附法的问题。因此，利用电脱水电膜反应器从海水中分离和富集铀是一种绿色、环保、高效的方法，具有重要的工业应用价值。

Description

一种从海水中分离和富集铀的方法、电驱动膜分离反应系统
技术领域
本发明属于铀分离富集技术领域，尤其涉及一种从海水中分离和富集铀的方法、电驱动膜分离反应系统。
背景技术
铀是一种重要的核电原料，但陆地铀矿产资源是十分有限的，基于铀矿资源的稀缺性和价值，亟需开拓一条新的铀来源，作为铀矿资源的补充和保障。其中，向海洋要铀，就是十分重要且极具前景的一条来源。
海水中蕴藏着丰富的铀资源，大约有45亿吨，是陆地储量的约1000倍。但海水作为一种高度复杂的基质，离子强度高且成分复杂，含有大量的竞争离子。同时，海水中铀的浓度十分低(浓度仅为～3.3ppb)，把低浓度的铀从海水中分离和富集起来是十分困难的，面临着巨大的挑战。目前，利用聚合物吸附剂的吸附法被认为是从海水中富集铀中较为有效方法。然而，这种传统的物理吸附方法存在着缺乏驱动力导致吸附效率低下、吸附位点难以进入和大量竞争离子占据吸附位点等问题，从而大大降低吸附剂富集铀的能力，限制了其在实际工业生产中的大规模应用。
电膜技术作为一种新型适用性强的先进膜分离技术，利用离子交换膜的选择透过性发生电膜驱动过程，实现溶液中离子的选择性分离，应用前景广阔，有着高效节能、易操作、易与其他技术集成、环境友好等优势，为解决从海水中分离和富集铀提供了新的解决方案。然而，目前鲜少有通过电膜技术从海水中分离和富集铀的相关报道。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种利用电驱动膜分离技术从海水中分离和富集铀的方法、电驱动膜分离反应系统。
本发明提供了一种海水中分离和富集铀的方法，其特征在于，包括：
提供电脱水电驱动膜分离反应系统；所述电脱水电驱动膜分离反应系统包括依次设置的阳极室、反应器膜堆与阴极室；
所述反应器膜堆通过第一阳离子交换膜与阳极室相连通；
所述反应器膜堆通过第二阳离子交换膜与阴极室相连通；
所述反应器膜堆包括反应单元；所述反应单元沿阳极室至阴极室方向包括依次设置的淡化室与浓缩室；所述淡化室与浓缩室通过单多价选择性阴离子交换膜相连通；
向电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中通入待浓缩溶液、浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，通过电渗析得到低盐度且高浓度的铀溶液；
所述待浓缩溶液包括铀元素与氯化钠。
优选的，所述待浓缩溶液中氯化钠的浓度与氯化钠溶液中氯化钠的浓度相等。
优选的，所述淡化室中待浓缩溶液的体积大于浓缩室中氯化钠溶液的体积。
优选的，所述待浓缩溶液的pH值为7.5～8.5。
优选的，所述第一电解质溶液与第二电解质溶液各自独立地为硫酸钠溶液；所述硫酸钠溶液的浓度为0.01～1mol/L。
优选的，所述待浓缩溶液、氯化钠溶液、第一电解质溶液与第二电解质溶液通入的线速度各自独立地为3～10cm/s。
优选的，所述第一阳离子交换膜与第二阳离子交换膜各自独立地选自合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5、山东天维膜技术有限公司生产的TWEDC或日本Astom公司生产的CM-2；
所述单多价选择性阴离子交换膜选自日本Astom公司生产的致密ASA。
优选的，所述电渗析的电流密度为4～10mA/cm2。
优选的，所述反应单元的个数大于等于2；相邻反应单元通过阳离子交换膜相连通。
本发明还提供了一种海水中分离和富集铀的方法，包括：
提供电脱水电驱动膜分离反应系统与电驱动膜分离反应系统；
所述电脱水电驱动膜分离反应系统包括依次设置的阳极室、反应器膜堆与阴极室；
所述反应器膜堆通过第一阳离子交换膜与阳极室所连通；
所述反应器膜堆通过第二阳离子交换膜与阴极室所连通；
所述反应器膜堆包括反应单元；所述反应单元沿阳极室至阴极室方向包括依次设置的淡化室与浓缩室；所述淡化室与浓缩室通过单多价选择性阴离子交换膜相连通；
所述电驱动膜分离反应系统包括依次设置的电驱动阳极室、电驱动反应器膜堆与电驱动阴极室；
所述电驱动反应器膜堆通过第三阳离子交换膜与阳极室所连通；
所述电驱动反应器膜堆通过第四阳离子交换膜与阴极室所连通；
所述电驱动反应器膜堆包括电驱动反应单元；所述电驱动反应单元沿电驱动阳极室至电驱动阴极室方向包括依次设置的电驱动淡化室与电驱动浓缩室；所述电驱动淡化室与电驱动浓缩室通过阴离子交换膜相连通；
向电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中通入待浓缩溶液、浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，进行第一次电渗析；
将第一次电渗析后淡化室的溶液通入电驱动膜分离反应系统中的电驱动淡化室与电驱动浓缩室中进行第二次电渗析；
将第二次电渗析后浓缩室的溶液通入电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中，同时浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，进行第三次电渗析，得到低盐度且高浓度的铀溶液；
所述待浓缩溶液包括铀元素与氯化钠。
本发明提供了一种海水中分离和富集铀的方法，包括：提供电脱水电驱动膜分离反应系统；所述电脱水电驱动膜分离反应系统包括依次设置的阳极室、反应器膜堆与阴极室；所述反应器膜堆通过第一阳离子交换膜与阳极室相连通；所述反应器膜堆通过第二阳离子交换膜与阴极室相连通；所述反应器膜堆包括反应单元；所述反应单元沿阳极室至阴极室方向包括依次设置的淡化室与浓缩室；所述淡化室与浓缩室通过单多价选择性阴离子交换膜相连通；向电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中通入待浓缩溶液、浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，通过电渗析得到低盐度且高浓度的铀溶液；所述待浓缩溶液包括铀元素与氯化钠。与现有技术相比，本发明利用电脱水电驱动分离系统能够实现不同价态离子选择性分离的优势，通过优选合适的阳离子交换膜类型和电流密度，一步法将氯化钠与铀进行选择性分离；并且利用电脱水，可获得高水迁移，提升铀的富集效果；该法实施简单，对环境无有害污染，可利用不同离子交换膜的特征，实现单多价离子的分离，还可巧妙利用离子交换膜不够致密的缺陷，化劣势为优势，降低成本；同时以电场力作为驱动力，分离效果较好，大大提高富集效率，避免了传统物理吸附法的问题。因此，利用电脱水电膜反应器从海水中分离和富集铀是一种绿色、环保、高效的方法，具有重要的工业应用价值。
进一步，本发明将电脱水电驱动膜分离反应系统和电驱动膜分离反应系统耦合进行多级处理，同时实现铀溶液的低盐度和高浓度，并获得较高产率。
实验表明，本发明经电脱水电驱动膜分离反应系统和电驱动膜分离反应系统耦合进行多级处理得到的含铀溶液，其中铀浓度可达到22ppm以上，富集倍数达到7.5，产率>80％。
附图说明
图1为本发明提供的电脱水电驱动膜分离反应系统的结构示意图；
图2为本发明实施例1中不同阳离子交换膜淡化室铀富集曲线图；
图3为本发明实施例2中不同电流密度淡化室铀富集曲线图；
图4为本发明实施例3中三次电渗析铀富集曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种海水中分离和富集铀的方法，包括：提供电脱水电驱动膜分离反应系统；所述电脱水电驱动膜分离反应系统包括依次设置的阳极室、反应器膜堆与阴极室；所述反应器膜堆通过第一阳离子交换膜与阳极室相连通；所述反应器膜堆通过第二阳离子交换膜与阴极室相连通；所述反应器膜堆包括反应单元；所述反应单元沿阳极室至阴极室方向包括依次设置的淡化室与浓缩室；所述淡化室与浓缩室通过单多价选择性阴离子交换膜相连通；向电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中通入待浓缩溶液、浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，通过电渗析得到低盐度且高浓度的铀溶液；所述待浓缩溶液包括铀元素与氯化钠。
其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。
本发明采用电脱水电驱动膜分离反应系统进行海水中铀的分离和富集，参见图1，图1为本发明提供的电脱水电驱动膜分离反应系统的结构示意图。所述电脱水电驱动膜分离系统包括依次设置的阳极室、反应器膜堆与阴极室。
在本发明中，所述阳极室通过阳极板与电源的正极相连；所述阳极板为本领域技术人员熟知的阳极板即可，并无特殊的限制，本发明中优选为耐腐蚀的钛涂钌。
所述反应器膜堆通过第一阳离子交换膜与阳极室相连通；所述第一阳离子交换膜为本领域技术人员熟知的阳离子交换膜即可，并无特殊的限制，本发明中优选为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5、山东天维膜技术有限公司生产的TWEDC或日本Astom公司生产的CM-2，更优选为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5。
所述反应器膜堆包括反应单元；所述反应单元沿阳极室至阴极室方向包括依次设置的淡化室与浓缩室；所述淡化室与浓缩室通过单多价选择性阴离子交换膜相连通；在本发明中，所述单多价选择性阴离子交换膜优选为日本 Astom公司生产的致密ASA。所述反应单元的个数为1个可也为多个并无特殊的限制，在本发明中优选为2～8个，更优选为4～5个，可通过设置反应单元的个数；当所述反应单元的个数大于等于2时，相邻反应单元通过阳离子交换膜相连通，所述阳离子交换膜为本领域技术人员熟知的阳离子交换膜即可，并无特殊的限制，本发明中优选为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5、山东天维膜技术有限公司生产的TWEDC或日本Astom公司生产的CM-2，更优选为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5。
所述反应器膜堆的另一端通过第二阳离子交换膜与阴极室相连通；所述第二阳离子交换膜为本领域技术人员熟知的阳离子交换膜即可，并无特殊的限制，本发明中优选为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5、山东天维膜技术有限公司生产的TWEDC或日本Astom公司生产的CM-2，更优选为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5。
所述阴极室优选通过阴极板与电源的负极相连；所述阴极板为本领域技术人员熟知的阴极板即可，并无特殊的限制，本发明中优选为耐腐蚀的钛涂钌。
在本发明中，所述电脱水电驱动膜分离系统中的阳极室、反应器膜堆中的淡化室、浓缩室及阴极室优选由带有流道和格网的垫片构成；上述的第一阳离子交换膜、第二阳离子交换膜、阳离子交换膜及单多价选择性阴离子交换膜通过格网支撑；在本发明中，优选还包括密封垫片，用以密封膜的边缘，使相邻各室只通过膜相连通；所述垫片的厚度优选为0.5～1mm，更优选为0.8mm。
向电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中通入待浓缩溶液、浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，进行电渗析；所述待浓缩溶液包括铀元素与氯化钠，在本发明中优选为海水；所述待浓缩溶液的pH值优选为7.5～8.5，更优选为8；在本发明中优选采用氢氧化钠溶液对待浓缩溶液的pH值进行调节；所述待浓缩溶液中氯化钠的浓度与氯化钠溶液中氯化钠的浓度优选相等；所述待浓缩溶液的电导率优选为30～50mS/cm，更优选为35～45mS/cm，再优选为40mS/cm；所述淡化室中待浓缩溶液的体积优选大于浓缩室中氯化钠溶液的体积；在本发明中，所述待浓缩溶液的体积优选为氯化钠溶液的体积的2～50倍，更优选为2～30倍，再优选为2～20倍，最优选为5～20倍；所述第一电解质溶液与第二电解质溶液各自独立地为硫酸钠溶液；所述硫酸钠溶液的浓度优选为 0.01～1mol/L，更优选为0.1～1mol/L，再优选为0.2～0.8mol/L，最优选为 0.3～0.5mol/L；所述待浓缩溶液与第一电解质溶液的体积比优选为(1～5)：1，更优选为(2～3)：1；所述待浓缩溶液与第二电解质溶液的体积比优选为(1～5)：1，更优选为(2～3)：1；为避免浓差极化现象的发生，所述待浓缩溶液、氯化钠溶液、第一电解质溶液与第二电解质溶液通入的线速度各自独立地优选为3～10cm/s，更优选为3～8cm/s，再优选为3～5cm/s；在本发明中，所述电脱水电驱动膜分离反应系统优选还包括蠕动泵，通过蠕动泵来控制待浓缩溶液、氯化钠溶液、第一电解质溶液与第二电解质溶液的流动速度；所述电渗析优选在直流电的条件下进行，更优选在恒电流条件下进行；所述电渗析的电流密度优选为4～10mA/cm2；在本发明提供的实施例中，所述电渗析的电流密度具体为4mA/cm2、6mA/cm2、8mA/cm2或10 mA/cm2。
在本发明中，优选施加电流电渗析至淡化室中溶液的电导率为5～10 mS/cm，电渗析结束，得到低盐度且高浓度的铀溶液。
本发明利用电脱水电驱动分离系统能够实现不同价态离子选择性分离的优势，通过优选合适的阳离子交换膜类型和电流密度，一步法将氯化钠与铀进行选择性分离；并且利用电脱水，可获得高水迁移，提升铀的富集效果；该法实施简单，对环境无有害污染，可利用不同离子交换膜的特征，实现单多价离子的分离，还可巧妙利用离子交换膜不够致密的缺陷，化劣势为优势，降低成本；同时以电场力作为驱动力，分离效果较好，大大提高富集效率，避免了传统物理吸附法的问题。因此，利用电脱水电膜反应器从海水中分离和富集铀是一种绿色、环保、高效的方法，具有重要的工业应用价值。
本发明还提供了另外一种海水中分离和富集铀的方法，该方法采用电脱水电驱动膜分离反应系统与普通的电驱动膜分离反应系统耦合进行多级处理，包括：提供电脱水电驱动膜分离反应系统与电驱动膜分离反应系统；所述电脱水电驱动膜分离反应系统包括依次设置的阳极室、反应器膜堆与阴极室；所述反应器膜堆通过第一阳离子交换膜与阳极室所连通；所述反应器膜堆通过第二阳离子交换膜与阴极室所连通；所述反应器膜堆包括反应单元；所述反应单元沿阳极室至阴极室方向包括依次设置的淡化室与浓缩室；所述淡化室与浓缩室通过单多价选择性阴离子交换膜相连通；所述电驱动膜分离反应系统包括依次设置的电驱动阳极室、电驱动反应器膜堆与电驱动阴极室；所述电驱动反应器膜堆通过第三阳离子交换膜与阳极室所连通；所述电驱动反应器膜堆通过第四阳离子交换膜与阴极室所连通；所述电驱动反应器膜堆包括电驱动反应单元；所述电驱动反应单元沿电驱动阳极室至电驱动阴极室方向包括依次设置的电驱动淡化室与电驱动浓缩室；所述电驱动淡化室与电驱动浓缩室通过阴离子交换膜相连通；向电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中通入待浓缩溶液、浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，进行第一次电渗析；将第一次电渗析后淡化室的溶液通入电驱动膜分离反应系统中的电驱动淡化室与电驱动浓缩室中进行第二次电渗析；将第二次电渗析后浓缩室的溶液通入电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中，同时浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，进行第三次电渗析，得到低盐度且高浓度的铀溶液；所述待浓缩溶液包括铀元素与氯化钠。
其中，本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。所述电脱水电驱动膜分离反应系统同上所述，在此不再赘述。
所述电驱动膜分离反应系统包括依次设置的电驱动阳极室、电驱动反应器膜堆与电驱动阴极室；所述阳极室通过阳极板与电源的正极相连；所述阳极板为本领域技术人员熟知的阳极板即可，并无特殊的限制，本发明中优选为耐腐蚀的钛涂钌。
所述电驱动反应器膜堆通过第三阳离子交换膜与电驱动阳极室所连通；所述第三阳离子交换膜为本领域技术人员熟知的阳离子交换膜即可，并无特殊的限制，本发明中优选为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC- 5、山东天维膜技术有限公司生产的TWEDC或日本Astom公司生产的CM- 2，更优选为日本Astom公司生产的CM-2。
所述电驱动反应器膜堆包括电驱动反应单元；所述电驱动反应单元沿电驱动阳极室至电驱动阴极室方向包括依次设置的电驱动淡化室与电驱动浓缩室；所述电驱动淡化室与电驱动浓缩室通过阴离子交换膜相连通；所述阴离子交换膜优选为日本Astom公司生产的AMX；所述电驱动反应单元的个数可为1个，也可为多个，并无特殊的限制，当所述电驱动反应单元的个数大于等于2时，相邻电驱动元反应单元通过阳离子交换膜相连通，所述阳离子交换膜为本领域技术人员熟知的阳离子交换膜即可，并无特殊的限制，本发明中优选为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5、山东天维膜技术有限公司生产的TWEDC或日本Astom公司生产的CM-2，更优选为日本Astom公司生产的CM-2。
所述电驱动反应器膜堆的另一端通过第四阳离子交换膜与电驱动阴极室相连通；所述第四阳离子交换膜为本领域技术人员熟知的阳离子交换膜即可，并无特殊的限制，本发明中优选为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5、山东天维膜技术有限公司生产的TWEDC或日本Astom公司生产的CM-2，更优选为日本Astom公司生产的CM-2。
所述电驱动阴极室优选通过阴极板与电源的负极相连；所述阴极板为本领域技术人员熟知的阴极板即可，并无特殊的限制，本发明中优选为耐腐蚀的钛涂钌。
向电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中通入待浓缩溶液、浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，进行第一次电渗析；其中，所述待浓缩溶液、氯化钠溶液、第一电解质溶液与第二电解质溶液均同上所述，在此不再赘述；所述第一次电渗析优选在直流电的条件下进行，更优选在恒电流条件下进行；所述第一次电渗析的电流密度优选为4～10mA/cm2；在本发明提供的实施例中，所述第一次电渗析的电流密度具体为10mA/cm2；在本发明中，优选施加电流电渗析至淡化室中溶液的电导率为5～10mS/cm，更优选为8～10mS/cm，第一次电渗析结束。
将第一次电渗析后淡化室的溶液通入电驱动膜分离反应系统中的电驱动淡化室与电驱动浓缩室中进行第二次电渗析；所述电驱动淡化室中的溶液与电驱动浓缩室中的溶液体积比优选为(2～10)：1，更优选为(3～8)：1，再优选为(4～6)：1，最优选为5：1；第二次电渗析时，电驱动膜分离反应系统中的电驱动阳极室与电驱动阴极室也分别通入第三电解质溶液与第四电解质溶液；所述第三电解质溶液与第四电解质溶液各自独立地为硫酸钠溶液；所述硫酸钠溶液的浓度优选为0.01～1mol/L，更优选为0.1～1mol/L，再优选为0.2～0.8mol/L，最优选为0.3～0.5mol/L；所述电驱动淡化室中的溶液、电驱动浓缩室中的溶液、第三电解质溶液与第四电解质溶液通入的线速度各自独立地优选为3～10cm/s，更优选为3～8cm/s，再优选为3～5cm/s；所述第二电渗析优选在直流电的条件下进行，更优选在恒电流条件下进行；所述第二电渗析的电流密度优选为4～10mA/cm2；在本发明提供的实施例中，所述第二电渗析的电流密度具体为5mA/cm2；在本发明中，优选施加电流电渗析至电驱动淡化室中溶液的电导率为1～5mS/cm，更优选为2～3mS/cm，第二次电渗析结束。
将第二次电渗析后浓缩室的溶液通入电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中，同时浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，进行第三次电渗析；此步骤中氯化钠溶液的浓度优选与淡化室中的浓度相等；所述淡化室中溶液的体积优选大于浓缩室中氯化钠溶液的体积；在本发明中，所述淡化室中溶液的体积优选为氯化钠溶液的体积的2～50倍，更优选为2～30倍，再优选为2～20倍，最优选为 5～20倍；所述第一电解质溶液与第二电解质溶液各自独立地为硫酸钠溶液；所述硫酸钠溶液的浓度优选为0.01～1mol/L，更优选为0.1～1mol/L，再优选为0.2～0.8mol/L，最优选为0.3～0.5mol/L；所述淡化室中溶液与第一电解质溶液的体积比优选为(1～5)：1，更优选为(2～3)：1；所述淡化室中溶液与第二电解质溶液的体积比优选为(1～5)：1，更优选为(2～3)：1；为避免浓差极化现象的发生，所述淡化室中溶液、氯化钠溶液、第一电解质溶液与第二电解质溶液通入的线速度各自独立地优选为3～10cm/s，更优选为3～8 cm/s，再优选为3～5cm/s；所述第三次电渗析优选在直流电的条件下进行，更优选在恒电流条件下进行；所述第三次电渗析的电流密度优选为4～10 mA/cm2；在本发明提供的实施例中，所述第三次电渗析的电流密度具体为 10mA/cm2；在本发明中，优选施加电流电渗析至电驱动淡化室中溶液的电导率为5～10mS/cm，更优选为8～10mS/cm，第三次电渗析结束。
本发明将电脱水电驱动膜分离反应系统和电驱动膜分离反应系统耦合进行多级处理，同时实现铀溶液的低盐度和高浓度，并获得较高产率。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种从海水中分离和富集铀的方法、电驱动膜分离反应系统进行详细描述。
以下实施例中所用的试剂均为市售。
实施中均采用如图1所示的电脱水电膜反应器膜堆示意图。反应器膜堆的两侧固定有阳极板和阴极板，极板材料为耐腐蚀的钛涂钌，阳极板连接电源的正极、阴极板连接电源的负极。单张膜有效面积为189cm2(9cm×21 cm)。相邻离子交换膜之间的隔室包括浓缩室和淡化室由带有流道和格网的垫片构成，垫片厚度为0.8mm。阳离子交换膜与相邻阳极板之间构成阳极室，与相邻阴极板之间构成阴极室。阳极室与阴极室连通用于储存极室料液，淡化室储存含铀的简易模拟海水，浓缩室储存等浓度的氯化钠溶液。普通阳离子交换膜(图中的CEM)和单多价选择性阴离子交换膜(图中的 ASA)交替叠加构成“浓缩室-淡化室”的重复单元数量为5。通过重复单元数的设置合理调节淡化室料液处理量。
利用上述的电脱水电膜反应器实现铀的分离与富集的方法为：
首先向电脱水电膜反应器膜堆中的淡化室通入含铀的简易模拟海水(主要是氯化钠溶液)，向浓缩室通入等浓度的氯化钠溶液，向阴极室和阳极室分别通入强电解质溶液(浓度0.01～1.0mol/L的硫酸钠溶液)。将各隔室料液通过蠕动泵循环5～30min，以排出膜堆中的气泡。然后在反应器膜堆两端施加直流电，在直流电的作用下淡化室中的钠离子通过普通阳离子交换膜从淡化室迁移至浓缩室，而氯离子和三碳酸根铀酰阴离子在单多价选择性阴离子交换膜的筛选下得以分离，氯离子迁移至浓缩室，三碳酸根铀酰阴离子则被截留在淡化室。在实验过程中，离子以水合离子形式迁移，同时受阳离子交换膜结构、电流密度等影响，水分子迁移得到不同程度的提升(从淡化室迁移至浓缩室)，提高电脱水效果，因此可在淡化室同时获得更低盐度和更高浓度的含铀溶液。实验过程中，控制淡化室pH始终在8左右，并通过蠕动泵控制阳极室、阴极室、淡化室和浓缩室溶液流动的线速度在3-10cm/s。
实施例1
向电脱水电膜反应器的淡化室通入1000mL含铀的简易模拟海水(25.6 g/L氯化钠、193mg/L碳酸氢钠和3mg/L铀标准溶液，电导率～40 mS/cm)，向浓缩室通入200mL等浓度的氯化钠溶液，阳极室和阴极室串联在一起，通入500mL 0.3mol/L Na2SO4水溶液作为强电解质溶液。实验过程中，分别选择普通阳离子交换膜为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5、山东天维膜技术有限公司生产的TWEDC和日本Astom公司生产的CM-2，选择单多价选择性阴离子交换膜为日本Astom公司生产的ASA，各溶液在膜堆中流动的线速度为3cm/s，恒电流操作，电流密度为10 mA/cm2，电流设置为1.89A，设置电压上限为30V。
实验运行至淡化室电导率降至5mS/cm时停止。电脱水电膜反应器所选择的阳离子交换膜不同，电脱水效果不同使得铀浓度提升的程度不同，不同阳离子交换膜淡化室铀富集曲线图如图2所示。由图2可知，使用CJMC- 5、TWEDC和CM-2，淡化室中测定出铀的富集倍数分别为1.24，1.14和 1.06，这表明通过电脱水电膜反应器可以使得淡化室中盐度大幅度降低的同时能够实现铀浓度的提升，实现从海水中分离和富集铀。
实施例2
向电脱水电膜反应器的淡化室通入1000mL含铀的简易模拟海水(25.6 g/L氯化钠、193mg/L碳酸氢钠和3mg/L铀标准溶液，电导率～40 mS/cm)，向浓缩室通入200mL等浓度的氯化钠溶液，阳极室和阴极室串联在一起，通入500mL 0.3mol/L Na2SO4水溶液作为强电解质溶液。实验过程中，选择普通阳离子交换膜为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的 CJMC-5，选择单多价选择性阴离子交换膜为日本Astom公司生产的ASA，各溶液在膜堆中流动的线速度为3cm/s，恒电流操作，电流密度为4，6， 8，10mA/cm2，电流设置分别为0.76A，1.13A，1.51A，1.89A，设置电压上限为30V。
实验运行至淡化室电导率降至5mS/cm时停止。电脱水电膜反应器所施加的电流密度不同，电脱水效果不同使得铀浓度提升的程度不同，不同电流密度淡化室铀富集曲线图如图3所示。由图3可知，施加的电流密度为4， 6，8和10mA/cm2，淡化室中测定出铀的富集倍数分别为1.49，1.36，1.29 和1.24，这表明通过电脱水电膜反应器可以使得淡化室中盐度大幅度降低的同时能够实现铀浓度的提升，实现从海水中分离和富集铀。
实施例3
第一步，向电脱水电膜反应膜堆的淡化室通入4000mL含铀的简易模拟海水(25.6g/L氯化钠、193mg/L碳酸氢钠和3mg/L铀标准溶液，电导率～40mS/cm)，向浓缩室通入200mL等浓度的氯化钠溶液，阳极室和阴极室串联在一起，通入500mL 0.3mol/L Na2SO4水溶液作为强电解质溶液。实验过程中，选择普通阳离子交换膜为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5，单多价选择性阴离子交换膜为日本Astom公司生产的ASA，各溶液在膜堆中流动的线速度为3cm/s，恒电流操作，电流密度为10mA/cm2，电流设置分别为1.89A，设置电压上限为30V。实验运行至淡化室电导率降至10mS/cm时停止。
第二步，通过电脱水电膜反应器得到淡化室的料液，按照一定体积比进行划分(淡化室：浓缩室＝5：1)作为淡化室和浓缩室初始料液，进入普通电膜反应器。向普通电膜反应器中的淡化室和浓缩室分别通入不同体积的料液(料液为第一步电脱水电膜反应器处理后淡化室的料液)，阳极室和阴极室串联在一起，通入500mL 0.3mol/L Na2SO4水溶液作为强电解质。实验过程中，选择普通阳离子交换膜为日本Astom公司生产的CM-2，普通阴离子交换膜为日本Astom公司生产的AMX，各溶液在膜堆中流动的线速度为3 cm/s，恒电流操作，电流密度为5mA/cm2，电流设置分别为0.95A，设置电压上限为30V。实验运行至淡化室电导率降至2mS/cm时停止。
第三步，通过普通电膜反应器得到浓缩室的料液，作为淡化室初始料液进行实验。向电脱水电膜反应器膜堆的淡化室通入料液(料液为第二步普通电膜反应处理后浓缩室的料液)，向浓缩室通入200mL与淡化室等浓度的氯化钠溶液，阳极室和阴极室串联在一起，通入500mL 0.3mol/L Na2SO4水溶液作为强电解质溶液。实验过程中，选择普通阳离子交换膜为合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5，单多价选择性阴离子交换膜为日本Astom公司生产的ASA，各溶液在膜堆中流动的线速度为3cm/s，恒电流操作，电流密度为10mA/cm2，电流设置分别为1.89A，设置电压上限为30 V。实验运行至淡化室电导率降至10mS/cm时停止。
三次电渗析铀富集曲线图如图4所示。由图4可知，经过电脱水电膜反应器和普通电膜反应器耦合进行多级处理后的料液中，铀浓度大幅度提升，最终淡化室中铀浓度可达到22ppm以上，富集倍数达到7.5，产率>80％，这表明通过电脱水电膜反应器和普通电膜反应器耦合进行多级处理可以使得淡化室中盐度大幅度降低，同时大幅度提升铀浓度，实现利用电脱水电膜反应器从海水中分离和富集铀。
由上可知，本发明提供的一种利用电脱水电膜反应器从海水中分离和富集铀的方法，采用单多价选择性阴离子交换膜和结构疏松的阳离子交换膜，并辅以电脱水电膜反应器和普通电膜反应器耦合进行多级处理，成功实现铀的分离和富集(铀的富集倍数为7.5，产率>80％)。且本发明实施简单，对环境无有害危险；利用离子交换膜的特征，实现单多价离子的分离，巧妙利用离子交换膜不够致密的缺陷，化劣势为优势，降低成本；以电场力作为驱动力，保证了分离效果的同时提高了富集效率，解决了传统的物理吸附法的劣势。因此，利用电脱水电膜反应器从海水中分离和富集铀是一种绿色、环保、高效的方法，具有重要的工业应用价值。

Claims (10)

1.一种海水中分离和富集铀的方法，其特征在于，包括：
提供电脱水电驱动膜分离反应系统；所述电脱水电驱动膜分离反应系统包括依次设置的阳极室、反应器膜堆与阴极室；
所述反应器膜堆通过第一阳离子交换膜与阳极室相连通；
所述反应器膜堆通过第二阳离子交换膜与阴极室相连通；
所述反应器膜堆包括反应单元；所述反应单元沿阳极室至阴极室方向包括依次设置的淡化室与浓缩室；所述淡化室与浓缩室通过单多价选择性阴离子交换膜相连通；
向电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中通入待浓缩溶液、浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，通过电渗析得到低盐度且高浓度的铀溶液；
所述待浓缩溶液包括铀元素与氯化钠。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待浓缩溶液中氯化钠的浓度与氯化钠溶液中氯化钠的浓度相等。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述淡化室中待浓缩溶液的体积大于浓缩室中氯化钠溶液的体积。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待浓缩溶液的pH值为7.5～8.5。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电解质溶液与第二电解质溶液各自独立地为硫酸钠溶液；所述硫酸钠溶液的浓度为0.01～1mol/L。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待浓缩溶液、氯化钠溶液、第一电解质溶液与第二电解质溶液通入的线速度各自独立地为3～10cm/s。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阳离子交换膜与第二阳离子交换膜各自独立地选自合肥科佳高分子材料科技有限公司生产的CJMC-5、山东天维膜技术有限公司生产的TWEDC或日本Astom公司生产的CM-2；
所述单多价选择性阴离子交换膜选自日本Astom公司生产的致密ASA。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电渗析的电流密度为4～10mA/cm2。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反应单元的个数大于等于2；相邻反应单元通过阳离子交换膜相连通。
10.一种海水中分离和富集铀的方法，其特征在于，包括：
提供电脱水电驱动膜分离反应系统与电驱动膜分离反应系统；
所述电脱水电驱动膜分离反应系统包括依次设置的阳极室、反应器膜堆与阴极室；
所述反应器膜堆通过第一阳离子交换膜与阳极室所连通；
所述反应器膜堆通过第二阳离子交换膜与阴极室所连通；
所述反应器膜堆包括反应单元；所述反应单元沿阳极室至阴极室方向包括依次设置的淡化室与浓缩室；所述淡化室与浓缩室通过单多价选择性阴离子交换膜相连通；
所述电驱动膜分离反应系统包括依次设置的电驱动阳极室、电驱动反应器膜堆与电驱动阴极室；
所述电驱动反应器膜堆通过第三阳离子交换膜与阳极室所连通；
所述电驱动反应器膜堆通过第四阳离子交换膜与阴极室所连通；
所述电驱动反应器膜堆包括电驱动反应单元；所述电驱动反应单元沿电驱动阳极室至电驱动阴极室方向包括依次设置的电驱动淡化室与电驱动浓缩室；所述电驱动淡化室与电驱动浓缩室通过阴离子交换膜相连通；
向电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中通入待浓缩溶液、浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，进行第一次电渗析；
将第一次电渗析后淡化室的溶液通入电驱动膜分离反应系统中的电驱动淡化室与电驱动浓缩室中进行第二次电渗析；
将第二次电渗析后浓缩室的溶液通入电脱水电驱动膜分离反应系统中的淡化室中，同时浓缩室中通入氯化钠溶液、阳极室中通入第一电解质溶液、阴极室中通入第二电解质溶液，进行第三次电渗析，得到低盐度且高浓度的铀溶液；
所述待浓缩溶液包括铀元素与氯化钠。
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