赤泥中放射性元素U、Th的赋存状态及富集机理研究

Red mud, also called bauxite residue, remains a kind of waste residues generated in production of alumina from bauxite using Bayer process or sintering alumina process. The specific chemical and mineral composition of different red mud is highly dependent on the nature of the parent bauxite ore and the processing parameters. The disposal of red mud poses an issue of great importance with significant environmental concerns because of its radioactivity. As major natural radioactive elements, uranium and thorium restrict the use of red mud as building materials or additives, and threat the environment because of their radiotoxicity and chemical toxicity. U and Th from bauxite ore transfer to red mud during the alumina processing. In view of the toxic nature of uranium and thorium, this study aims at revealing the occurrence of U and Th in bauxite and the enrichment mechanism from bauxite to red mud residue. The distribution of U and Th in red mud parts with different particle size after size classification will be intensive study, because most new-forming phases in red mud are extremely small. Tessier’s chemical sequential extraction experiment, which is used as a common method in environment, and analyzing measures of trace elements in single minerals from bauxite ore, will be used to confirm the occurrence of U and Th in bauxite. Besides, perovskite will be synthesized by TiO2 and CaO in the presence of Th4+ to investigate the enrichment mechanism of Th in the alumina processing. Accordingly, the enrichment mechanism of U and Th during the alumina processing will be studied. Based on this, this research will be helpful in predicting and evaluating the feasibility of separating radioactive part of red mud before or after the alumina processing.

赤泥是铝土矿生产氧化铝过程中产生的一种工业固体废弃物，具有物质组成复杂、颗粒的粒径尺寸小、排放量与堆存量大、高碱性与放射性等特征。赤泥中含有的天然放射性元素U、Th制约其在建材等领域的综合利用，赤泥中的U、Th来源于铝土矿，且具有普遍性。开展U、Th在赤泥中的赋存状态研究可为分选降低其放射性提供理论依据。本项目在前期工作基础上继续深入开展赤泥中U、Th元素在不同粒径组分中的分布规律；并利用化学逐级提取法、单矿物微量元素法研究原料铝土矿中U、Th的结合形态与赋存状态；以及模拟氧化铝工艺过程，在实验室碱性水热体系合成钙钛矿，考察新生成的钙钛矿与Th离子之间的关系，以期揭示U、Th从铝土矿到赤泥富集机理。在此基础上，分别从铝土矿选矿和赤泥分选两个方面评价降低赤泥放射性的可行性。研究成果可为解决赤泥在建材领域综合利用时放射性超标的技术难题，提供重要的应用理论基础。

本项目主要开展了以下工作：①针对赤泥中碱高的特点，用Ca置换法去除Na，选用磷化工废弃物CaCl2废液，中和置换赤泥中的碱，进行了条件实验，采用淋滤实验对赤泥中Na、K、U、Th等分布情况进行研究。②采用SEM、LA-ICP-MS等手段，针对赤泥中放射性元素，分析不同赤泥组份，包括不同密度赤泥组份、不同粒径组份、不同电磁性组份中U、Th的分布情况。③铝土矿和赤泥对比做逐级提取实验，还研究了广西、山东、河南等地赤泥中U、Th及其它微量元素溶出情况。④以TiO2和CaO为原料，在碱性水热体系下进行了钙钛矿的模拟合成实验，尝试了不同原料比、不同反应温度的条件实验。⑤其它工作，包括不同赤泥赤泥的催化性能研究，从赤泥中提取草酸亚铁并制备高铁酸盐。利用不同赤泥开展了改性前后赤泥吸附磷酸盐实验。.结果表明：①酸性CaCl2废液可有效降低赤泥的pH。水、磷石膏、CaCl2、CaCl2废液的脱碱效果分别为38.79%，48.70%，64.66%，69.40%。在最佳条件下CaCl2废液脱碱率可达75%，脱碱后赤泥中Na含量低于0.8%。②微观上，赤泥中U、Th与主量元素(Al、Si、Fe、Ti)相关性不明显，拜耳法赤泥中Y、Nb，烧结法赤泥中的Y、Sc，和Th呈正相关。宏观上，赤泥轻组份(80wt%)中U、Th 含量略高于原样。U在不同粒径组份分布无明显规律，Th在细粒径组份(＜20μm)中轻微富集。钙钛矿是赤泥中Th的赋存矿物之一。③铝土矿中元素溶出较低，主要集中在残渣态中。赤泥中U、Th的溶出与前期结论类似，但是广西赤泥中Y溶出率达60%，河南赤泥中Li溶出率达65%，可为今后资源回收提供数据支撑。④发现锐钛矿型TiO2和CaO在碱性水热体系容易生成CaTiO3相。钙钛矿晶形较好，形貌为柱状。有Th4+参加体系中，受温压条件限制未能做到让Th4+进入钙钛矿晶格。⑤赤泥可有效使甲醇裂解，制备赤泥碳基复合材料。从赤泥中提取的草酸亚铁，可以作为制备高铁酸盐的前驱体。.第一标注的相关成果，包括SCI论文2篇，ESCI论文2篇，中文核心1篇，会议论文3篇（国际1篇国内2篇）。此外，获得授权发明专利1项，新申请发明专利1项。