伊犁盆地某砂巖鈾礦的浸出動(dòng)力學(xué)特征*

陳 亮 譚凱旋 劉 江 謝焱石 黃 偉 馬 強(qiáng)

(1.南華大學(xué)礦業(yè)工程博士后流動(dòng)站;2.南華大學(xué)核資源與核燃料工程學(xué)院;3.鈾礦冶生物技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室)

在眾多鈾礦床類型中，砂巖鈾礦床是指工業(yè)鈾礦化主要產(chǎn)于砂巖中的鈾礦床。據(jù)新近國際原子能機(jī)構(gòu)網(wǎng)站數(shù)據(jù)(IAEA－TECDOC－1629報(bào)告)，全球1 352個(gè)已知鈾礦床中，有530個(gè)為砂巖鈾礦，占全球已探明總儲(chǔ)量的27.9%，數(shù)量和儲(chǔ)量均位居第一。我國近年在北方中新生代沉積盆地發(fā)現(xiàn)和探明了6種新的大型、特大型砂巖型鈾礦［1］，大大提高了砂巖鈾礦在鈾資源中的地位，已成為我國4大鈾礦主要工業(yè)類型之一。目前國內(nèi)外的砂巖鈾礦已廣泛采用地浸技術(shù)開采［2-3］。

對(duì)于地浸采鈾來說，在浸出過程中的溫度偏低，化學(xué)反應(yīng)速度與擴(kuò)散速度均比較慢，因而很難達(dá)到平衡狀態(tài)。實(shí)際生產(chǎn)過程的最后結(jié)果常常不是決定于熱力學(xué)條件，而是決定于反應(yīng)速度，也就是動(dòng)力學(xué)條件。研究浸出過程動(dòng)力學(xué)的主要目的為揭示浸出過程的控制步驟，從而有針對(duì)性地采取措施進(jìn)行強(qiáng)化。目前浸出動(dòng)力學(xué)的研究已成為溶浸采礦技術(shù)研究的重要課題之一，許多學(xué)者做了大量的研究，取得了豐富的成果［4-9］。然而對(duì)砂巖鈾礦浸出動(dòng)力學(xué)特征的研究還不多見。為此，本研究以伊犁盆地某砂巖鈾礦為研究對(duì)象，分析其浸出動(dòng)力學(xué)特征，探索鈾浸出的反應(yīng)機(jī)理與控制反應(yīng)進(jìn)行的條件。

1 材料與方法

伊犁盆地某砂巖鈾礦位于該盆地南緣西部，含礦地層為中下侏羅統(tǒng)水西溝群，為產(chǎn)于層間氧化帶的砂巖型卷狀鈾礦床。中下侏羅統(tǒng)水西溝群為一套陸相含煤碎屑巖建造，由下而上劃分為3個(gè)巖組(即八道灣組、三工河組、西山窯組)、8個(gè)沉積旋回。每個(gè)旋回中都發(fā)育層間氧化帶，鈾礦化與氧化帶密切相關(guān)，所有氧化帶都有鈾礦化，其中三工河組Ⅴ旋回發(fā)育區(qū)域性層間氧化帶，為主要含礦層。含礦層為中粗粒砂巖，頂、底板為泥巖或泥巖與粉砂巖互層構(gòu)成。礦體位于氧化帶與還原帶過渡位置。共采集3個(gè)礦樣用于鈾浸出動(dòng)力學(xué)研究(表1)，它們的品位分別為0.011 7%(A樣)、0.179 9%(B樣)與0.019 7%(C樣)。

鈾浸出實(shí)驗(yàn)的具體步驟如下:將40 g樣品置于500 mL的錐形瓶中，然后加入400 mL濃度為10 g/L的稀硫酸溶液(液固比為10∶1)，采用空氣作氧化劑，塞緊瓶塞，按一定的時(shí)間間隔取樣。每次取樣后，搖動(dòng)錐形瓶，靜置，直至下一次取樣。鈾濃度與鈾品位均采用TiCl3還原—NH4VO3氧化滴定法測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1與圖1。樣品的鈾浸出率分別為65.81%(A樣)、97.89%(B樣)與85.79%(C樣)，最終浸出液鈾濃度相應(yīng)為7.62 mg/L、176.30 mg/L與17.34 mg/L。

表1 鈾品位與浸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 鈾濃度及其浸出率隨時(shí)間的變化

2 結(jié)果與討論

2.1 鈾浸出動(dòng)力學(xué)特征

根據(jù)礦石浸出的核縮減模型Levenspiel［10］，其浸出過程或者受反應(yīng)物通過溶液邊界層或固體產(chǎn)物層的擴(kuò)散控制，或者受表面化學(xué)反應(yīng)控制。對(duì)于反應(yīng)

如果反應(yīng)是受擴(kuò)散控制，其簡(jiǎn)化的速率方程可以表示為

如果浸出受表面化學(xué)反應(yīng)控制，則速率方程可表示為

式中，x為已反應(yīng)分?jǐn)?shù);kc為動(dòng)力學(xué)常數(shù);MB為固體的摩爾質(zhì)量;CA為溶解的溶浸劑A的濃度;ρB為礦石的平均摩爾密度;a為浸出反應(yīng)中反應(yīng)物的化學(xué)計(jì)量系數(shù);r0為固體顆粒的初始半徑;k為速率常數(shù); t為反應(yīng)時(shí)間。

上述2個(gè)方程表明，如果是擴(kuò)散控制浸出速率，則方程(1)的左邊與時(shí)間之間必定呈線性關(guān)系;如果是表面化學(xué)反應(yīng)控制浸出速率，則方程(2)的左邊與時(shí)間之間也必定呈線性關(guān)系。利用這2個(gè)方程對(duì)浸出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的結(jié)果見圖2。動(dòng)力學(xué)方程(1)的線性擬合程度均明顯高于動(dòng)力學(xué)方程(2)的線性擬合程度，其中前者3個(gè)樣品的相關(guān)系數(shù)平方分別為0.978 9、0.989 2與0.980 5，后者的相關(guān)系數(shù)平方相應(yīng)為0.899 3、0.971 7與0.938 5。這表明浸出反應(yīng)主要受擴(kuò)散控制，表面化學(xué)反應(yīng)的影響相對(duì)較小。

圖2 鈾浸出動(dòng)力學(xué)圖解

2.2 鈾浸出動(dòng)力學(xué)特征的地浸意義

擴(kuò)散控制浸出反應(yīng)的主要特征［11］:

(1)原礦粒度對(duì)浸出率有明顯影響;

(2)攪拌強(qiáng)度對(duì)浸出率幾乎沒有影響。

表面化學(xué)反應(yīng)控制浸出反應(yīng)的主要特征［11］:

(1)浸出過程或浸出率隨溫度的升高而迅速增加;

(2)反應(yīng)速度與溶浸劑濃度的n次方成比例;

(3)攪拌過程對(duì)浸出速度無明顯影響。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，結(jié)合地浸采鈾實(shí)際，認(rèn)為對(duì)該砂巖鈾礦含礦層粒度分布特征進(jìn)行系統(tǒng)研究顯得十分必要，它可為鈾礦山合理采用地浸技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)提供重要參考。同時(shí)，增加溶浸劑濃度可在一定程度上提高鈾浸出率與資源回收率。

3 結(jié)論

A樣、B樣與 C樣的品位分別為0.011 7%、0.179 9%與0.019 7%，鈾浸出率分別為65.81%、97.89%與 85.79%，最終浸出液鈾濃度分別為7.62、176.30與17.34 mg/L。動(dòng)力學(xué)方程(1)的線性擬合程度均明顯高于動(dòng)力學(xué)方程(2)的線性擬合程度，表明鈾浸出反應(yīng)速率主要受擴(kuò)散控制，表面化學(xué)反應(yīng)的影響相對(duì)較小。對(duì)該砂巖鈾礦含礦層粒度分布特征進(jìn)行系統(tǒng)研究顯得十分必要，它可為鈾礦山合理采用地浸技術(shù)及其經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)提供重要參考。增加溶浸劑濃度也可在一定程度上提高鈾浸出率與資源回收率。

［1］ 張金帶，徐高中，林錦榮，等.中國北方6種新的砂巖型鈾礦對(duì)鈾資源潛力的提示［J］.中國地質(zhì)，2010，37(5):1434-1449.

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