某鈾礦石柱浸試驗浸出劑的配方探討

葉陽　田亮　尹永朋

摘????? 要：為研究某鈾礦石樣品的浸出性能，進行了五組條件柱狀浸出試驗，柱浸試驗結果表明，2號條件試驗為最佳浸出方案，鈾礦石樣品適合用硫酸浸出，硫酸最佳質量濃度10 g·L^-1，浸出液鈾最大質量濃度250.86 mg·L^-1，平均質量濃度為52.24 mg·L^-1，鈾浸出率最大可達98.36%，達到80%浸出率的最短浸出時間為16 d，在浸出一定時間后，加入氧化劑浸出液鈾質量濃度呈現明顯上升趨勢，但上升幅度小于最大浸出質量濃度的50%。

關? 鍵? 詞：鈾礦石;柱浸;鈾浸出率

中圖分類號：TQ016.1 ?????文獻標識碼： A?????? 文章編號： 1671-0460（2020）06-1060-04

Discussion on Leaching Agent Formula for Column Leaching Test of A Uranium Ore

YE Yang， TIAN Liang， YIN Yong-peng

（Sino Shaanxi Nuclear Industry Group Geological Survey Co.， Ltd.， Xian Shaanxi 710100， China）

Abstract： In order to study the leaching performance of a uranium ore sample， five groups of conditional column leaching tests were carried out. The column leaching test results showed that condition 2 was the best leaching scheme， and the uranium ore sample was suitable for sulfuric acid leaching， the optimum concentration of sulfuric acid was 10 g/L， the maximum concentration of uranium in leaching solution was 250.86 mg/L， the average concentration was 52.24 mg/L， the maximum leaching rate of uranium was 98.36% ， and the shortest leaching time was 16 days when the leaching rate reached 80%.The concentration of uranium in the leach solution with oxidant increased obviously， but the increase was less than 50% of the maximum leach concentration.

Key words： Uranium ore; Column leaching; Uranium leaching rate

鈾礦地浸開采是集采、選、冶于一體的地下原位采礦工藝，20世紀60年代首先在美國和前蘇聯得到應用。地浸采鈾技術主要包括酸法地浸、堿法地浸及CO₂+O₂地浸等。地浸開采之前，需通過室內浸出試驗獲取浸出工藝參數。熊佳麗^[1]等研究了硝酸鈾酰干法脫硝制備氧化鈾工藝研究;邢曉東^[2]等研究了不同條件的酸法柱狀浸出試驗;劉希濤^[3]等、王清良^[4]等對鈾礦石樣品進行了酸法和堿法的攪拌浸出和柱狀浸出試驗;胡鄂明^[5]等、張勇^[6]等對低品位碳酸鹽砂巖型鈾礦石進行了攪拌浸出試驗研究;王小波^[7]等研究了不同水頭壓力條件下的柱狀浸出試驗;陳家富^[8]研究了不同粒級條件下的柱狀浸出試驗;李興華^[9]等、李江^[10]等針對難浸鈾礦石，在不同條件浸出劑中添加了微生物浸鈾，研究其浸出效果;張青林^[11]等研究了鈾礦石CO₂+O₂浸出方法;王海峰^[12]等、王剛^[13]等對鈾礦床地浸開采的可行性進行了研究分析。前人的研究方法主要集中在酸法、堿法、微生物、CO₂+O₂等方法針對不同種類鈾礦石中的浸出效果。本文針對內蒙古某砂巖型鈾礦床在進行地浸開采可行性研究中鈾浸出工藝參數的選取，采用了不同條件浸出劑的酸法、堿法浸出試驗，已研究其浸出效果，確定其浸出工藝參數。

1 ?礦石特性

1.1? 礦石樣品化學成分特性

試驗樣品為內蒙古某鈾礦床水文地質試驗鉆孔巖心，礦石樣品巖性多為細-中砂巖，碎屑物以石英、長石為主，其次是巖屑、云母類礦物。膠結物以泥質為主，見少量鐵質及硅質。礦石主要化學成分見表1。礦石中，m（U⁴⁺）/m（U⁶⁺）平均為1.61，表明礦石處于還原環境中，U⁴⁺含量相對較高，浸出時需加入較高濃度氧化劑把難溶四價鈾轉化為易溶六價鈾;m（SiO₂）/m（Al₂O₃）平均為6.94，低于巖屑砂巖（平均8.1）和長石砂巖（平均8.7）的平均值，巖石成熟度低;含礦層具有富鉀特征，含較多云母和黏土礦物;m（Fe²⁺）/m（Fe³⁺）平均為1.18，表明礦石處于還原環境中;樣品中硫化物（FeS）含量不高。

1.2 ?礦石樣品粒度組成分析

通過對樣品進行濕篩法分析，結果顯示礦石碎屑顆粒大部分屬于細粒級，巖石結構以細粒砂狀結構為主，巖性以細砂巖為主，平均占67.73%，各粒級平均含量分布見圖1。粒度分析結果顯示礦石中大部分鈾分布在細砂、粉砂及黏土粒級中，少數分布在粗粒中，各粒級中鈾的百分比分布見圖2。

1.3? 鈾的賦存形式

礦石樣品巖礦薄片鑒定見圖3、圖4，其中四價鈾約占60%，六價鈾約占40%。通過鈾的化學分析結果顯示，礦石樣品中鈾礦物主要是瀝青鈾礦，呈分散的。礦石中部分鈾已分散吸附態存在，被礦石中的黏土礦物及有機質吸附，

2? 礦石柱狀浸出試驗

2.1? 浸出原理

在酸法浸出過程鈾礦石中的Ⅳ價鈾基本不與硫酸發生反應，而Ⅵ價鈾可以被硫酸溶解而生成硫酸鈾酰，所以在酸法浸出過程中，必須加入氧化劑將Ⅳ價鈾氧化為Ⅵ價鈾參與反應^[14]。其反應原理如下：

UO₂+O₂→UO₃;

UO₃+H₂O+H₂SO₄→UO₂（H₂O）SO₄ 。

堿法浸出的原理是Ⅵ價鈾在堿性介質中可以形成比較容易溶解的絡合物，而Ⅳ價鈾在堿性介質中不易溶解，必須加入氧化劑將其氧化為Ⅵ價鈾。其反應化學方程式如下：

UO₂+O₂→UO₃;

UO₂²⁺+2HCO₃-→UO₂（CO₃）₂^2- +2H⁺;

UO₂（CO₃）₂^2-+HCO₃^-→UO₂（CO₃）₃^4-+H⁺ 。

2.2? 目的

礦石柱浸試驗可確定浸出劑適宜質量濃度、消耗量、浸出液鈾質量濃度與浸出時間、鈾浸出率與浸出時間的關系、氧化劑及液固體積質量比等參數對鈾浸出的影響。

2.3? 方法與過程

試驗裝置：主體采用PPR管，外徑5 cm，內徑3.5 cm，管壁厚0.75 cm，試驗設計管長0.70 m，進液方式采用高位槽，下進液，位差約1.5 m。

試驗參數：本次試驗采用五組不同類型和質量濃度的浸出劑，配方見表2，其中1、2號試驗為酸法浸出，3、4、5號為堿法浸出，各組試驗裝樣參數見表2。各組裝樣密度均為1.55 ?g·cm^-3，樣重1.043 kg，鈾品位0.079 3%，礦樣內徑 35 mm，礦樣長度 70 cm。

試驗方法：試驗主要分為飽水階段、滲透系數階段、浸出階段。飽水階段主要是大致估算柱內樣品的孔隙度。以出水端彎頭出現自由水面為終結點。以柱內滯留水量為飽水試驗所用水量。本次試驗測定樣品的平均有效孔隙度。

K₁=Q/V=51.83/673.14=0.077。

式中：K₁ —孔隙度;

Q —柱管內滯留水量;

V —柱管體積。

滲透系數階段主要是觀測柱管內的水動力條件，測定滲透系數。在定水頭供水的情況下，以測壓柱管內的水位波動上下不超過2 cm，同時日出水量穩定為標準視為該階段結束的標志。滲透系數計算公式為：

K = Q·L /（Δh·s）。

式中：K —滲透系數， m·d^-1;

Q —每天的滲透量， m³·d^-1;

L —實驗裝置里裝有礦石的長度， m;

Δh —測壓管水頭差， m;

S —實驗裝置里裝有礦石的橫斷面面積， m²。

根據測試結果顯示，五組條件試驗滲透系數加權平均值為0.15 m·d^-1。

浸出階段主要是觀測浸出液中鈾質量濃度、pH、Eh值等，計算鈾浸出率與浸出時間的關系，取樣間隔時間為24 h，浸出時間為30 d。由于樣品中四價鈾難以溶解浸出，其溶解需一定的pH值條件外，還需一定的氧化還原電位，使其從四價鈾轉變成六價鈾。因此五組條件試驗分別在浸出第16天加入質量分數為2% 的H₂O₂氧化劑已獲得浸出液鈾質量濃度最大值，獲得最大鈾浸出率。

試驗結果見表3。

2.4? 結果及討論

鈾礦石樣品五組條件試驗柱狀浸出結果見表3。兩組酸浸試驗渣計鈾浸出率均大于90%，三組堿法試驗渣計鈾浸出率均小于60%，酸浸效果要明顯好于堿法浸出。2號條件試驗浸出液鈾平均質量濃度為75.18 mg·L^-1，最高質量濃度達到256.90 mg·L^-1。

2.4.1? 浸出液鈾質量濃度隨浸出時間變化特征

五組條件試驗中浸出液鈾質量濃度隨著浸出時間的變化關系見圖5。由圖5可知，1號試驗在浸出第6 d，浸出液中鈾質量濃度已達峰值，189.22 mg·L^-1;2號試驗在浸出第9 d，浸出液鈾質量濃度達到峰值，250.86 mg·L^-1;3、4、5號試驗分別在浸出第7、第11、第8 d，浸出液鈾質量濃度達到峰值。在浸出第16 d分別使用氧化劑后，各組試驗浸出液鈾質量濃度均有明顯上升，但上升幅度均小于其鈾質量濃度峰值的一半，鈾質量濃度下降速率也較快，說明氧化劑的使用有一定效果，使礦樣中一部分四價鈾氧化成六價鈾，從而容易的被浸出，但是效果不顯著，對于礦層條件來講，氧化劑的最佳質量濃度可在下一步現場試驗中準確的定下來。

2.4.2? 鈾浸出率隨浸出時間變化特征

五組條件試驗鈾浸出率隨浸出時間的變化關系見圖6。

由圖6可知，1號試驗在浸出第15 d，鈾浸出率加速上升，在第23 d穩定在80%以上;2號試驗在浸出第9 d，鈾浸出率即加速上升，在第16 d即穩定在80%以上，對比這兩組酸浸試驗，由于浸出劑質量濃度的差異，2號試驗在最短浸出時間、鈾浸出率均優于1號試驗;3、4、5號堿法試驗在浸出第25 d后，鈾浸出率趨于穩定，小于65%。

2.4.3? 浸出劑的類型及最佳質量濃度選擇

根據試驗結果，綜合對比鈾浸出率、浸出液鈾平均質量濃度、浸出液最高質量濃度、浸出時間最短等因素，本次試驗礦石樣品適合酸法浸出，浸出劑類型為H₂SO₄，本次條件試驗2號試驗的鈾浸出率、最短浸出時間、浸出液鈾平均質量濃度均為五組試驗的最佳選擇，浸出劑的最佳質量濃度應為? 10 g·L^-1。

3? 結論與建議

1）該地區鈾礦石樣品適合酸法浸出，酸法浸出的效果明顯好于堿法浸出，可用硫酸作浸出劑，適宜質量濃度為10 g·L^-1，達到80%浸出率需要16 d;

2）浸出一定時間后，加入2%氧化劑可使鈾浸出率提升，浸出液中鈾質量濃度亦大幅提高，但提高幅度不超過最高鈾浸出質量濃度的一半，說明樣品有不同程度的氧化的現象;

3）浸出劑消耗量與液固比的細化研究有待下一步現場試驗完善。

參考文獻：

[1]熊佳麗，紀雷明，劉澤康，等.硝酸鈾酰干法脫硝制備氧化鈾工藝研究[J].當代化工，2019，48（5）：1036-1038.

[2]邢曉東，邢擁國，劉金輝，等.某砂巖型鈾礦床礦石酸法柱浸試驗研究[J].東華理工大學學報（自然科學版），2016，39（1）：23-28.

[3]劉希濤，孫靜，史文革，等.西北某鈾礦山鈾礦石浸出性能室內試驗研究[J].南華大學學報（自然科學版），2011，25（1）：14-17（1）.

[4]王清良，劉玉龍，胡鄂明，等.江西某鈾礦山礦石浸出性能試驗研究[J].中國礦業，2010，19（5）：68-71.

[5]胡鄂明，譚凱旋，王清良，等.低品位低碳酸鹽砂巖型鈾礦石低酸浸出工藝[J].金屬礦山，2007，372（6）：39-46.

[6]張勇，周義朋，張青林，等.蒙其古爾礦床微酸地浸采鈾碳酸鈣飽和狀態研究[J].有色金屬（冶煉部分），2014（12）：24-27.

[7]王小波，李廣悅，鐘永明，等.某鈾礦床礦石高柱浸出性能研究[J].中國礦業，2009，18 （12）：72-75.

[8] 陳家富.不同粒度柱浸浸鈾試驗研究[J].有色金屬（冶煉部分）， 2010，1： 40-42.

[9] 李興華，陳功新，孫占學，等.難浸鈾礦石微生物浸鈾試驗[J].有色金屬（冶煉部分），2016（10）：29-32.

[10]李江，劉亞潔，周谷春，等.低品位鈾礦石微生物柱浸試驗[J].有色金屬（冶煉部分），2016（6）：36-38.

[11]張青林，丁德馨.某砂巖鈾礦石CO₂+O₂柱浸試驗[J].有色金屬（冶煉部分），2017（8）：35-39.

[12]王海峰，武偉，湯慶四，等.新疆某鈾礦床地浸開采水文地質試驗[J].鈾礦冶，2005，24（2）：66-70.

[13]王剛，張發，何大鵬，等.新疆吐魯番十紅灘鈾礦床北礦帶地浸開采可行性分析研究[J].東華理工大學學報（自然科學版），2015，38（1）：58-63.

[14]鄒延.CO₂+O₂原地浸出采鈾試驗及動力學研究[D].衡陽：南華大學，2017：3-4.