一种流动电极及其应用和再生方法、利用流动电极电容去离子装置富集含铀水体中铀的方法

本发明涉及含铀水体资源化利用，具体涉及一种流动电极及其应用和再生方法、利用流动电极电容去离子装置富集含铀水体中铀的方法。

背景技术：

1、铀是一种重要的战略资源。铀矿采冶是核燃料铀保障供应和核能可持续发展的基础。然而，在铀矿的开采、加工和水冶过程中产生大量的含铀水体(如矿坑水、工艺废水、尾矿坝渗滤水、地浸采区污染地下水)。这些含铀水体通常呈酸性，且包含重金属和硫酸根等污染物，是潜在的环境污染源。若对含铀水体中的铀进行富集，不仅能减少其对土壤或地表/地下水的污染，还能利用含铀水体中的铀资源。

2、目前，含铀水体中铀的富集方法主要有化学沉淀法、离子交换法、萃取法、吸附法和膜分离法。然而，化学沉淀法、离子交换法、萃取法和吸附法均难以实现富集铀的同时净化含铀水体。纳滤、反渗透和电渗析等膜分离方法能耗很大，成本非常高。因此，当务之急是研发绿色高效、成本更低的水体铀富集分离新方法。

3、流动电极电容去离子(flow electrode capacitive deionization，fcdi)技术是一种新兴的电吸附技术，具有无限吸附容量和较高的离子脱除效率，被认为是进行高效海水脱盐和资源富集浓缩的强有力技术。例如，现有技术(周剑.电容去离子电极材料的构筑及其富集铀酰性能研究[d].中国科学技术大学,2021)公开了一种fcdi富集处理硝酸铀酰溶液中铀的方法，以去离子水和活性炭为流动电极，采用短路循环操作(scc)模式，对低浓度含铀进水(60mg/l)能够有效浓缩47倍，含铀水量从2400ml减少到40ml，大大降低了后续处理的能耗，流动电极过滤后，分离的活性炭可以固化安全处理或洗脱后重复使用。然而，实际的酸性矿山含铀水体中铀浓度较低，但杂质离子(如h+、so42-)的浓度较高，且ph值通常在4以下，采用该现有技术对模拟矿山含铀水体中铀的去除不够彻底。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种流动电极及其应用和再生方法、利用流动电极电容去离子装置富集含铀水体中铀的方法，采用本发明提供的流动电极利用流动电极电容去离子装置对铀的深度富集去除。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种流动电极，包括电解质溶液和悬浮在所述电解质溶液中的固体材料；所述固体材料包括铀吸附材料和导电增强材料；所述铀吸附材料包括活性炭，磷酸基改性活性炭、偕胺肟基改性活性炭、氨基改性活性炭、羧基改性活性炭和离子交换树脂中的一种或几种。

4、优选的，所述铀吸附材料和导电增强材料的质量比为4～19：1；

5、所述流动电极中铀吸附材料的质量含量为4～19％；

6、所述导电增强材料包括炭黑、碳纳米管、石墨烯和碳纤维中的一种或几种。

7、优选的，所述固体材料与电解质溶液的质量比为1：4～19；

8、所述电解质溶液中的电解质为无机盐，所述无机盐包括钠盐或钾盐等强电解质中的一种或几种，所述钠盐为氯化钠、硫酸钠或硝酸钠，所述钾盐为硫酸钾、氯化钾、硝酸钾。

9、本发明提供了上述技术方案所述的流动电极在污水处理中的应用。

10、本发明提供了一种利用流动电极电容去离子装置富集含铀水体中铀的方法，采用上述技术方案所述的流动电极，利用流动电极电容去离子装置对含铀水体中的铀进行富集。

11、优选的，所述流动电极在流动电极电容去离子装置中的循环模式为短路闭式循环模式或分离式闭路循环模式。

12、优选的，所述流动电极电容去离子装置包括阳极室、阴极室、脱盐室、电极液储存装置和含铀水体储存装置；

13、所述阳极室为由阴离子交换膜与阳极集流体构成的空间，所述阳极集流体的表面设置有阳极流动通道；

14、所述阴极室为由阳离子交换膜与阴极集流体构成的空间，所述阴极集流体的表面设置有阴极流动通道；所述阳极集流体与所述阴极集流体分别与电源连通；

15、所述脱盐室为由所述阴离子交换膜与所述阳离子交换膜构成的空间，所述阴离子交换膜与所述阳离子交换膜之间还设置有垫片；

16、所述电极液储存装置分别与所述阳极室和所述阴极室形成回路；所述电极液储存装置内盛有上述技术方案所述的流动电极；

17、所述含铀水体储存装置与所述脱盐室形成回路，或所述含铀水体储存装置的出口与所述脱盐室的进口单程连通；所述含铀水体储存装置内盛有含铀水体。

18、优选的，将所述阳极室替换为阴离子交换膜、碳纤维热压形成的复合膜与刻有流动通道的亚克力板；将所述阴极室替换为阳离子交换膜、碳纤维热压形成的复合膜与刻有流动通道的亚克力板；阴离子交换膜、碳纤维热压形成的复合膜与阳离子交换膜、碳纤维热压形成的复合膜以及两块膜中间放置的硅胶垫片构成脱盐室。

19、优选的，所述方法包括以下步骤：

20、将含铀水体在含铀水体储存装置与脱盐室之间循环运行，或采用单程式的方式将含铀水体通入到脱盐室中；

21、将流动电极分别通入阳极室和阴极室并均回流至电极液储存装置形成回路；

22、接通电源，在电场驱动下，含铀阴离子通过阴离子交换膜进入阳极室，含铀阳离子通过阳离子交换膜进入阴极室，位于阳极室和阴极室中的流动电极中的铀吸附材料对铀进行富集；

23、所述含铀水体中铀的初始浓度为0.5～20mg/l；

24、所述流动电极与含铀水体的流速比为1：0.03～2；

25、所述富集在恒电流或恒电压条件下进行，所述恒电流为10～100ma，所述恒电压为0.4～2v。

26、本发明提供了一种流动电极的再生方法，包括方法1或方法2；

27、所述方法1包括以下步骤：采用上述技术方案所述的方法对含铀水体中铀进行富集后，通过对所述流动电极电容去离子装置反接电压后运行实现对流动电极的再生；

28、所述方法2包括以下步骤：在上述技术方案所述的方法使用的流动电极电容去离子装置后连接由阳极室、脱盐室和阴极室组成的流动电极再生装置，通过阴极室和阳极室的流动电极进行放电实现对流动电极的再生；所述阳极室、脱盐室和阴极室与流动电极电容去离子装置中的阳极室、脱盐室和阴极室相同。

29、本发明提供了一种流动电极，包括电解质溶液和悬浮在所述电解质溶液中的固体材料；所述固体材料包括铀吸附材料和导电增强材料，所述导电增强材料主要用于增强电极液的导电能力，减小装置的电阻；所述铀吸附材料包括活性炭，磷酸基改性活性炭、偕胺肟基改性活性炭、氨基改性活性炭、羧基改性活性炭和离子交换树脂中的一种或几种。采用本发明提供的流动电极，利用流动电极电容去离子(fcdi)装置富集含铀水体中铀时，含铀阴离子(含u(vi)的络合阴离子)和含铀阳离子(uo22+)分别快速向阳极室和阴极室同时迁移，铀吸附材料能富集铀，通过法拉第反应将部分u(vi)还原为二氧化铀，增强了后续对u(vi)的吸附效率，对含铀水体中铀的富集率高且富集速度快，能够实现对低铀浓度水体中铀的高效深度富集，处理后的水体中铀含量低于世界卫生组织规定的水体铀浓度限值50μg/l，同时还能够去除含铀水体中的h+、so42-、cl-、f-、no3-、fe3+、ca2+、mg2+、al3+等其他污染物，实现对含铀水体的高效深度净化。如实施例测试结果所示，采用本发明提供的流动电极，采用fcdi装置对水体中低浓度的硫酸铀酰(8mg/l)的富集率高达95％。采用磷酸基改性活性炭作为铀吸附材料、炭黑作为导电增强材料，与去离子水配制成的流动电极液，在相同处理模式下对模拟酸性矿山含铀水体中铀的富集效率达到99％以上，处理后的含铀水体中铀浓度低于世界卫生组织规定的水体铀浓度限值50μg/l。

30、本发明提供的利用fcdi装置富集含铀水体中铀的方法，具有操作简单、铀富集效率高、运行成本低、适应范围广、运行稳定、能耗低、电荷效率高、无二次污染和成本低的特点，可应用于含铀水体中铀的富集，实现污水资源化利用。