地浸采鈾用流體控制劑的合成及影響因素

曹 霖，李建華，廖文勝，夏良樹

（1．南華大學 核資源工程學院，湖南 衡陽 421001；2．核工業北京化工冶金研究院，北京 101149；3．南華大學 核科學技術學院，湖南 衡陽 421001）

我國砂巖型鈾礦床的地質條件與水文地質條件類型復雜［1］。在地浸開采后期，由于地層的非均質性及液體的流動性差異，尤其是溶浸劑溶蝕作用的不同，使其在大孔道的滲流能力顯著增大，從而導致溶浸劑沿高滲層突進，造成大孔道浸出率高，稀釋能力強，浸出液鈾濃度降低，而小孔道滲流能力差，浸出率低，金屬回收率降低。

為擴大溶浸劑的溶浸范圍，改善溶浸效果，借鑒油田化學堵水調剖［2-3］經驗，結合地浸礦層的特點，研究了適用于地浸采鈾的流體控制劑——由檸檬酸鋁交聯劑［4］和部分水解聚丙烯酰胺［5-6］配制而成。

1 試驗部分

1．1 試驗儀器

NDJ-8S型數字顯示黏度計，Sartorius BS2202S型電子天平（0．01～2 200g），雷磁PHS-3B型pH計，90-2型定時恒溫磁力攪拌器，D7401-4型電動攪拌器，GSY-II型恒溫電熱水浴鍋，燒杯及量筒等。

1．2 試驗原料

聚丙烯酰胺（工業級，相對分子質量4×106、1×107、1．6×107，水解度25%），檸檬酸鋁（實驗室自制），三氯化鋁晶體（分析純，天津光復精細化工研究所），檸檬酸（分析純，北京益利精細化學品有限公司），氯化鈉（分析純，北京化工廠），氨水（28%，分析純，天津光復精細化工研究所）。

1．3 試驗方法

交聯劑檸檬酸鋁的配制［7］：分別配制50%的檸檬酸水溶液和34%的三氯化鋁水溶液，將配好的檸檬酸水溶液加入到三氯化鋁溶液中，邊加入邊攪拌，然后在85℃下反應一定時間，待溫度降至50℃時，加氨水調節溶液pH在6．5～7．0范圍內，最終成品為無色透明溶液。

流體控制劑的配制［8］：將聚丙烯酰胺均勻地加入到盛有自來水的燒杯中，用磁力攪拌器攪拌至少6h后待用。試驗時取一定量聚合物溶液加入交聯劑后攪拌，產物即為流體控制劑。

1．4 流體控制劑的作用原理

通過注液井向礦層中注入流體控制劑，由于高滲透礦層滲透性好，可使大部分流體控制劑流入其中，并在地層條件下形成弱凝膠；然后注入溶浸劑，由于弱凝膠的封堵作用降低了高滲透礦層的滲透率，迫使溶浸劑進入低滲透礦層，加大其對低滲透礦層的浸出作用，從而提高鈾浸出率。其中，調整溶浸劑溶浸范圍稱為流體控制。

2 試驗結果與討論

2．1 聚合物相對分子質量和濃度對流體控制劑成膠性能的影響

2．1．1 聚合物相對分子質量的影響

分別取相對分子質量為4×106、1×107、1．6×107的部分水解聚丙烯酰胺，依次配制成質量濃度為1g／L的聚合物溶液，交聯劑檸檬酸鋁添加量為0．8%（體積分數），按要求配制成流體控制劑，在室溫下進行試驗，7d后測定流體控制劑的黏度，結果見表1。

表1 聚合物相對分子質量對流體控制劑黏度的影響

由表1看出，聚合物相對分子質量越大，弱凝膠體系的黏度越大，越有利于形成弱凝膠［9］。由于弱凝膠體系中聚合物的濃度較低，它只能通過幾個或十幾個聚合物分子間的交聯形成。聚合物的相對分子質量越大，分子線團體積越大，聚合物分子相互碰撞的機會越多，形成的幾個或幾十個分子間交聯結構的弱凝膠的黏度越大。當聚合物相對分子質量過低時，分子鏈卷曲后有效流體體積變小，無法形成增黏能力較強的弱凝膠。這與J．E．Smith［10］的研究結果相一致。所以，合成流體控制劑應選擇相對分子質量較高的部分水解聚丙烯酰胺。

2．1．2 聚合物質量濃度的影響

分別取聚合物聚丙烯酰胺的質量濃度為0．5、0．8、1．0、1．5、2．0g／L，未加交聯劑時，各質量濃度聚合物的黏度見表2。交聯劑體積分數為0．8%時，室溫下的試驗結果如圖1所示。

表2 不同質量濃度聚合物的黏度

圖1 聚合物濃度試驗結果

由圖1看出：體系中聚合物質量濃度為0．5 g／L時，交聯體系黏度增大緩慢，這是因為聚合物交聯時存在一個臨界濃度［11-12］，聚合物濃度低于該值時，流體控制劑黏度增加很小或基本不增加，可以認為基本不成膠；聚合物質量濃度增加到0．8 g／L時，溶液中的聚合物分子開始相互靠近，使整個溶液中的分子鏈段趨于均勻，小分子檸檬酸鋁交聯劑加入后，便可與任意鄰近高分子鏈上的羧基發生交聯反應，溶液中可發生局部網狀交聯，這時分子內交聯和分子間交聯可同時發生；交聯反應初期體系黏度增大緩慢，因為聚丙烯酰胺與檸檬酸鋁發生分子內交聯的反應占優勢；而隨著反應的進行，生成的聚合物線團的數量進一步增加，聚合物線團間碰撞幾率增大，因而隨反應進行，聚丙烯酰胺和檸檬酸鋁發生分子間交聯反應開始占主導地位，交聯體系的黏度開始明顯增大。體系黏度的變化是兩種交聯反應共同作用的結果。交聯體系的臨界交聯濃度是體系從流體控制劑溶液轉變成弱凝膠的聚合物濃度，即聚合物線團剛好緊密堆積時的聚合物濃度［13］，因此旋轉黏度計測得聚丙烯酰胺和檸檬酸鋁交聯反應時聚合物的臨界交聯濃度范圍為大于或等于0．8g／L。

同時，由表2看出，隨聚合物質量濃度增大，其黏度也增大。這是因為，在一定條件下，部分水解聚丙烯酰胺的分子直徑是一定的，隨部分水解聚丙烯酰胺濃度增大，分子間碰撞、纏繞的幾率增大，與交聯劑反應的聚丙烯酰胺分子數增多，分子間的作用力加大，逐漸形成3維網狀結構，使體系黏度升高。

2．2 交聯劑配比對流體控制劑成膠性能的影響

2．2．1 不同配比下檸檬酸鋁的結構分析

當檸檬酸鋁中鋁離子與檸檬酸分子的物質的量之比為1∶1時［14］，形成的3種檸檬酸鹽體系中含有五元和六元雙環結構：

當檸檬酸鋁中鋁離子與檸檬酸分子的物質的量之比為2∶1時，鋁離子之間可以形成羥橋，同時鋁離子與檸檬酸鹽螯合形成五元和六元雙環結構：

2．2．2 試驗分析

配制3種檸檬酸鋁交聯劑，取氯化鋁與檸檬酸的物質的量之比分別為0．5∶1、1∶1和2∶1，與質量濃度為1g／L的部分水解聚丙烯酰胺溶液合成流體控制劑，并在室溫下進行試驗。考察流體控制劑的成膠黏度與交聯劑配比之間的關系，結果如圖2所示。

圖2 交聯劑配比對流體控制劑成膠黏度的影響

由圖2看出：氯化鋁與檸檬酸的物質的量之比為0．5∶1時，體系黏度先增大后減小，且不成膠；隨鋁離子和檸檬酸分子的物質的量之比增大，體系成膠時間縮短，黏度增大。

鋁離子與檸檬酸分子的物質的量之比越小，形成的檸檬酸鋁絡合物越穩定，釋放鋁離子的速度越慢；相反，隨鋁離子增加，形成的絡合物釋放鋁離子的速度越快。相同條件下，釋放鋁離子的速度越快，同一時刻鋁離子的濃度越大，與聚合物分子間和分子內發生交聯反應的機會越大，成膠速度越快，進而體系成膠時間縮短、黏度增大。

2．3 交聯劑體積分數對流體控制劑成膠性能的影響

部分水解聚丙烯酰胺溶液的質量濃度為1 g／L，黏度為75mPa·s。交聯劑為鋁離子與檸檬酸分子的物質的量之比為2∶1的檸檬酸鋁。取不同體積分數交聯劑與部分水解聚丙烯酰胺溶液混合均勻，室溫下進行交聯。交聯劑用量與流體控制劑成膠黏度及時間的關系如圖3所示。繼續增大交聯劑濃度，7d后測其黏度，結果見表3。

圖3 交聯劑用量與流體控制劑成膠黏度及時間的關系

表3 7d后體系成膠黏度

由圖3看出：部分水解聚丙烯酰胺質量濃度一定時，隨檸檬酸鋁濃度增大，體系成膠速度加快，形成的弱凝膠強度增大；交聯劑加入量為0．1%時，7d后體系黏度為452mPa·s，可以認為未交聯；交聯劑加入量為0．3%時，體系開始交聯；交聯劑濃度增大到一定程度時，成膠速度過快，凝膠體系的穩定性變差；交聯劑加入量在1．5%以上時，弱凝膠體系出現脫水現象。

從成膠時間上看，交聯劑加入量為1．2%時，2d后流體控制劑形成的弱凝膠黏度已超過1 000 mPa·s。黏度增大過快，將使流體控制劑在成膠時間內難以達到理想注入量，影響其在礦層中的流動。因此，交聯劑添加量應控制在0．3%～1．2%范圍內。

2．4 礦化度對流體控制劑性能的影響

礦化度是指地下水中各種元素的離子、分子和化合物的總含量［15］。為便于試驗，以氯化鈉的質量濃度模擬含礦含水層中地下水的礦化度。地浸礦層中地下水礦化度一般不超過10g／L，因此，氯化鈉質量濃度分別取1、3、5、7、10g／L。另外以自來水配制的試樣作對照。試驗中，部分水解聚丙烯酰胺質量濃度為1g／L，檸檬酸鋁體積分數為1．2%，室溫條件下，考察礦化度對流體控制劑性能的影響，試驗結果如圖4所示。

圖4 礦化度與體系黏度之間的關系曲線

由圖4看出：以自來水配制的流體控制劑成膠后黏度最低；隨礦化度升高，體系黏度增大，礦化度為3g／L時，體系黏度達到最大。礦化度為10g／L時，部分水解聚合物交聯體系出現脫水現象，穩定性變差，因為在淡水中，部分水解聚丙烯酰胺分子鏈幾乎以伸展狀態存在，因而暴露出更多的交聯點，鏈上的羧酸基互相排斥，因而與交聯劑發生交聯反應的速度降低，成膠時間延長，交聯形成的弱凝膠強度不高。氯化鈉的加入抑制了羧鈉基的離解，減弱了雙電層的電勢，使聚合物分子能更緊密地相互靠近而發生交聯反應，且容易發生分子間交聯［15］。隨氯化鈉含量增加，體系成膠速度加快，強度增加。

3 結論

以部分水解聚丙烯酰胺和檸檬酸鋁（實驗室自制）為原料，可以成功合成流體控制劑。聚合物濃度、交聯劑濃度及配比和含礦含水層礦化度對流體控制劑的成膠效果影響較大。通過大量試驗，確定了“中性浸出”或“堿法浸出”地浸礦山所適用的流體控制劑的最優配方。

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