新型电化学反应器用于加速铀矿物化：实现铀废水的连续快速处理

《Desalination》：Novel electrochemical reactor for accelerated uranium mineralization: Enabling continuous and rapid uranium wastewater treatment

电化学矿物化技术可将废水中的铀离子转化为稳定合成矿物，有效降低二次氧化和迁移风险。本研究开发环形（AR）和线性（LR）两种反应器，采用铁-石墨电极对，优化电极数量、间距及水流模式，实验表明AR系统铀去除率达98.5%，能耗仅56.56 kWh/kgU，铁耗降低75%，且矿化产物稳定性显著提升。

　　在处理含铀废水的过程中，如何有效将铀酰离子转化为稳定的合成矿物，是减少其再氧化和迁移风险的重要策略。这项技术通过使用专门的电极，在常温常压条件下实现铀的晶格掺杂矿物化。然而，目前连续矿物化技术在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是在将实验室规模的摇瓶实验转化为工业应用方面，缺乏可扩展的设备。为了解决这一问题，研究团队开发了两种不同的电化学矿物化反应器配置：线性反应器（LR）和环形反应器（AR）。这两种反应器均设计用于快速批量处理，采用铁-石墨电极对，并在不同电极数量、排列方式和水流模式下系统评估其铀去除效率、能耗和产物稳定性。与线性反应器相比，环形反应器因其复合交叉电极设计，在能耗和铁使用量方面表现出更优的性能，分别降低了97%和75%。此外，环形反应器在56.56 kWh/kg U的能耗下，实现了超过98.5%的铀去除效率，其中84.5%的铀被稳定地矿化。参数优化验证了环形反应器在大规模、节能的铀固定方面的适用性，推动了可持续矿物化技术的实际应用。

铀的生命周期从开采到处置，可能会导致其进入环境，对生物体造成化学和放射性危害。铀作为核工业的重要材料，其可移动且有毒的形式——UO?2?，尤其具有危险性。近年来的研究表明，UO?2?可以转化为人工铀矿石，例如通过光还原将其转化为铀过氧化物，或者通过微生物作用转化为U-P矿物，甚至通过电化学矿物化转化为U-Fe?O?。与传统的吸附和还原技术相比，矿物化技术将铀离子转化为稳定的矿物，具有更强的适应性，能够处理不同成分的废水，同时矿物产物的长期稳定性以及避免二次污染的优势使其更具吸引力。然而，矿物化技术的实际应用仍受到高能耗、缓慢的反应速率、使用环境不友好的载体以及缺乏高效设备等限制。

目前，铀的矿物化主要分为两种方法。第一种是直接合成铀矿物。铀离子可以通过还原、共沉淀和生物矿物化等过程转化为自然矿物，如铀黑、溴氧化铀、铀磷酸盐、铀铅矿、切尔尼克夫石和贝塔菲石等。然而，这些方法通常需要严格的废水成分、温度和压力条件，限制了其应用范围。第二种方法则是通过将铀离子掺杂到特定载体的晶格中。这种方法对废水中的杂质离子具有较强的抗干扰能力，特别适用于常温常压条件下处理低浓度铀废水。选择广泛存在、稳定且环境友好的矿物作为载体至关重要。铁基矿物因其广泛可用性、非毒性以及稳定的结构，被认为是理想的载体。已有研究表明，铀可以通过水热反应和煅烧等方法有效地掺杂到磁铁矿、赤铁矿、针铁矿和纤铁矿的晶格中。然而，这些方法由于需要高温高压条件，不适用于大规模废水处理。

电化学催化过程被证明可以促进高结晶度的铁（氧氢）氧化物的形成，并在常温常压条件下实现铀的固定。已有研究显示，通过铁阳极在室温下合成磁铁矿，揭示了磁铁矿结晶和铀矿物化的过程。Lu等人进一步发展了电催化矿物化技术，成功缓解了传统晶格掺杂方法所需的严格条件，使得低浓度铀废水的可控和稳定矿物化成为可能。电化学矿物化方法只需要简单的铁电极，且固定后的铀在广泛的pH范围内表现出良好的稳定性。然而，以往的实验主要在静态系统中进行，难以满足大规模、持续生成的废水处理需求。因此，优化电催化设备以提高铀的矿物化效率成为当务之急。现有文献表明，电极数量和排列方式以及废水的流动特性对电化学过程有重要影响。Thor等人发现，双阴极电化学系统在染料降解方面优于单阴极系统。Sato等人发现，阳极和阴极的交叉排列显著提高了有机污染物的去除效率。Mohamad Ghalebizade优化了电极排列方式，以提高废水中的染料去除效率。He等人观察到，废水的循环模式不仅影响污染物的净化效率，还与相应的能耗密切相关。目前，尚缺乏专门用于放射性核素废水矿物化的反应器，也缺乏与矿物化反应器设计相关的工艺参数。

本研究探讨了电极数量和排列方式对线性反应器和环形反应器中铀矿物化的影响。研究目标是开发一种高效的电化学矿物化装置，用于处理含铀废水。本研究的主要目标包括：1）在不同电极配置和水流条件下，研究线性反应器和环形反应器中铀矿物化和磁铁矿结晶的效率；2）评估系统的能耗、电极损耗以及铀在磁铁矿基质中的稳定性。实验结果表明，在环形反应器中，采用七阳极和十三阴极（7C-13A）配置，并在循环水流模式下运行，铀的电化学矿物化效率超过了98.5%。此外，系统的能耗和铁损耗分别仅为56.56 kWh/kg U和36.70 kg Fe/kg U。稳定的铀在磁铁矿中的占比达到了84.5%。这种新型低能耗电化学矿物化装置在含铀废水处理中展现出巨大的应用潜力。

为了实现这一目标，研究团队首先制备了含铀的原始溶液。将1.1792克纯度为99.99%的U?O?溶解于68%的HNO?、38%的HCl和3%的H?O?中，得到了浓度为1 g/L的铀储备溶液。随后，该溶液被稀释至10 mg/L，以进行电化学矿物化实验。为了模拟实际废水环境，向铀溶液中添加了10 mg/L的NaCl，并将初始pH值调整至2.8到3.0之间。所有实验所用的化学试剂均符合实验要求，确保了实验的准确性。

在实验过程中，研究团队重点关注了电极间距和配置对铀矿物化的影响。在LR系统中，分别测试了电极间距为25至100厘米，以及双电极、三电极和四电极系统的性能。通过测量阴极附近（样品1，记为S_cath）和出口（样品2，记为S_out）处的铀和铁浓度，评估了铀的固定效率和铁电极的腐蚀程度。实验结果表明，随着电极间距的增加，铀的固定效率逐渐降低，而铁电极的腐蚀也相应加剧。这表明，在LR系统中，电极间距的优化对于提高铀的矿物化效率至关重要。同时，不同的电极配置对铀的去除效率也产生了显著影响。在双电极系统中，铀的去除效率相对较高，但在三电极和四电极系统中，去除效率进一步提升。这表明，增加电极数量可以提高铀的矿物化效率，同时减少电极之间的间距有助于提高反应效率。然而，电极数量的增加也带来了更高的能耗和铁电极损耗。因此，在LR系统中，如何在提高铀去除效率的同时，降低能耗和铁电极损耗，是需要进一步研究的问题。

在LR系统中，实验结果还表明，随着电极数量的增加，铀的固定效率显著提高。然而，电极数量的增加也伴随着更高的能耗和铁电极的损耗。这说明，在LR系统中，虽然增加电极数量可以提高铀的去除效率，但同时也增加了系统的运行成本。因此，需要在电极数量和能耗之间找到一个平衡点，以实现经济高效的铀去除。此外，实验还发现，不同的电极排列方式对铀的去除效率也有一定影响。例如，将阳极和阴极交错排列可以提高铀的去除效率，同时减少电极之间的腐蚀。这表明，在LR系统中，电极的排列方式对于提高铀的去除效率和减少电极损耗具有重要意义。

为了进一步验证这些发现，研究团队还对AR系统进行了详细测试。AR系统采用了七阳极和十三阴极（7C-13A）配置，并在循环水流模式下运行。实验结果表明，AR系统在铀的去除效率方面显著优于LR系统。在相同的实验条件下，AR系统实现了超过98.5%的铀去除效率，其中84.5%的铀被稳定地矿化。这表明，AR系统在提高铀去除效率的同时，也显著降低了能耗和铁电极的损耗。此外，AR系统在循环水流模式下运行，能够更好地适应实际废水处理的需要，从而提高系统的运行效率。

在实验过程中，研究团队还关注了电极损耗对系统性能的影响。通过测量阴极附近和出口处的铁浓度，评估了铁电极的腐蚀程度。实验结果表明，随着电极数量的增加，铁电极的损耗也相应增加。这说明，在AR系统中，虽然增加电极数量可以提高铀的去除效率，但同时也增加了铁电极的损耗。因此，在AR系统中，如何在提高铀去除效率的同时，减少铁电极的损耗，是需要进一步研究的问题。此外，实验还发现，不同的电极排列方式对铁电极的损耗也有一定影响。例如，将阳极和阴极交错排列可以减少铁电极的损耗，同时提高铀的去除效率。这表明，在AR系统中，电极的排列方式对于减少铁电极的损耗和提高铀的去除效率具有重要意义。

在评估系统的能耗时，研究团队发现，AR系统在循环水流模式下运行，能够显著降低能耗。在相同的实验条件下，AR系统的能耗仅为56.56 kWh/kg U，而LR系统的能耗则相对较高。这表明，AR系统在降低能耗方面具有明显优势，能够更有效地应用于大规模废水处理。此外，实验还发现，不同的电极排列方式对能耗也有一定影响。例如，将阳极和阴极交错排列可以降低能耗，同时提高铀的去除效率。这表明，在AR系统中，电极的排列方式对于降低能耗和提高铀的去除效率具有重要意义。

在实验过程中，研究团队还关注了系统对环境的影响。通过使用铁基矿物作为载体，能够有效减少二次污染的风险。此外，铁基矿物的广泛存在性和稳定性，使其成为理想的载体。实验结果表明，使用铁基矿物作为载体能够有效提高铀的去除效率，同时减少系统的运行成本。这说明，在AR系统中，选择合适的载体对于提高系统的运行效率和减少环境影响具有重要意义。

在实验过程中，研究团队还关注了系统的运行稳定性。通过测量铀在磁铁矿中的稳定性，评估了系统的长期运行能力。实验结果表明，使用铁基矿物作为载体能够有效提高铀的稳定性，使其在广泛的pH范围内保持稳定。这说明，在AR系统中，选择合适的载体对于提高系统的运行稳定性具有重要意义。

综上所述，本研究通过开发两种不同的电化学矿物化反应器配置，即线性反应器（LR）和环形反应器（AR），探讨了电极数量和排列方式对铀矿物化的影响。实验结果表明，AR系统在提高铀去除效率、降低能耗和减少铁电极损耗方面具有明显优势。此外，AR系统在循环水流模式下运行，能够更好地适应实际废水处理的需要，从而提高系统的运行效率。这些研究成果为含铀废水的处理提供了新的思路和技术支持，具有重要的应用价值。