含鈾難浸堿渣加溫加壓強化浸出試驗研究①

周 龍， 王清良， 劉進平， 張 聰， 雷治武， 王紅強， 胡鄂明

（1.南華大學 資源環境與安全工程學院，湖南 衡陽 421001； 2.新疆中核天山鈾業有限公司，新疆 伊犁 835000）

目前，含鈾堿渣浸出工藝主要有酸法浸出和堿法浸出［1-2］。 資料表明，對于難浸礦石常用方法是濃酸熟化［3-4］和高溫焙燒［5］以及加溫加壓浸出［6］。 加溫加壓浸出工藝在難選金礦［7-9］、高含泥氧化銅礦［10-12］以及紅土鎳礦［13-15］上均有應用。 本文以某核燃料元件公司的難浸渣為研究對象，采用加溫加壓強化浸出工藝回收難浸堿渣中殘存的鈾，不僅對鈾資源的提取和利用具有現實意義，還可為處理難浸堿渣提供新的思路。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

難浸堿渣來源于某核燃料元件公司廢水中和沉淀的堿渣經過煅燒處理和溶浸處理后形成的物料，難浸堿渣主要化學成分如表1 所示。 試驗用硝酸（含量65%～68%）為分析純。

表1 拌酸熟化前難浸渣主要化學成分（質量分數）／%

1.2 試驗設備

試驗用儀器設備如表2 所示。

表2 加溫加壓強化浸出試驗主要儀器設備

1.3 試驗方法

加溫加壓浸出是以濃硝酸作為浸出劑的強化浸出，主要包含3 個操作步驟：

1） 加溫加壓浸出。 取100 g 難浸渣于2 000 mL燒杯中，加入一定體積的濃硝酸和一定體積的水攪拌均勻，轉移至GSH-5 型反應釜中，設定油循環溫度為130 ℃，預熱完畢后打開進料閥與排空閥并把礦漿轉入反應釜，關閉加料閥與排空閥，打開油循環閥與水循環閥進行主釜加熱，設置反應釜內壓力為0.3～0.35 MPa，打開攪拌電機，轉速300 r／min，反應2 h。 反應結束后關閉加熱，開啟冷卻水進行主釜降溫，待溫度降至70 ℃以下，打開排空閥泄壓至壓力表示數為0，打開排料閥排出礦漿，于2 000 mL 燒杯中冷卻1～2 min。

2） 過濾與洗滌。 礦漿用MiNi-200 型離心機離心過濾，濾袋3 000 目（5 μm），離心過濾5 ～8 min，再將離心過濾后的液體繼續用TD5M 型離心機離心過濾5 min，取出清液倒入2000 mL 量筒中；再量取500 mL去離子水清洗并離心濾渣3 次，離心過濾后的液體繼續用TD5M 型離心機離心過濾5 min，取出的清液倒于1 000 mL 量筒中；取樣分析鈾濃度。

3） 渣樣分析。 將濾渣置于鋼盤，放入恒溫干燥箱內烘5 h。 干渣用GM／F2000-A 粉碎機粉碎至-74 μm后混勻，稱取10 g 分析樣，分析干渣中的鈾含量。

2 試驗結果與討論

2.1 用水量對鈾浸出率的影響

取-0.5 mm 難浸堿渣樣品100 g，依次加入濃硝酸500 mL 和一定體積的水拌勻，浸出溫度130 ℃，浸出時間2 h，進行加溫加壓浸出試驗，用水量對鈾浸出率的影響如圖1 所示。 由圖1 可知，用水量從600 mL 增至900 mL，液計浸出率從75.47%下降到70.34%，渣計浸出率從75.71%下降到73.96，說明隨著用水量增大，鈾浸出效果下降；用水量600 mL 時，即堿渣質量（g） ∶濃硝酸體積（mL）∶用水量（mL）為1 ∶5 ∶6時，液計浸出率與渣計浸出率較其他用水量條件下更高，分別為75.47%、75.71%，渣中U 品位與渣剩余量均為最低，分別為0.550%與55.2%。 綜合考慮，適宜的用水量為600 mL，即堿渣質量∶濃硝酸體積∶用水量為1 ∶5 ∶6。

圖1 用水量對鈾浸出率影響

2.2 浸出溫度對鈾浸出率的影響

取-0.5 mm 難浸堿渣樣品100 g，依次加入濃硝酸500 mL 和水600 mL 拌勻，浸出2 h，浸出溫度對鈾浸出率的影響如圖2 所示。 由圖2 可知，隨浸出溫度升高，難浸堿渣的液計浸出率與渣計浸出率都呈上升趨勢，溫度超過150 ℃后，浸出效果無明顯變化。 浸出溫度150 ℃時，液計浸出率與渣計浸出率較其他溫度條件下更高，分別為80.42%和79.44%，渣U 品位0.510%，渣剩余量50.0%，浸出效果較好。 綜合考慮，浸出溫度150 ℃較適宜。

圖2 不同浸出溫度對鈾浸出率的影響

2.3 浸出時間對鈾浸出率的影響

取-0.5 mm 難浸堿渣樣品100 g，依次加入濃硝酸500 mL 和水600 mL 拌勻，浸出溫度150 ℃，浸出時間對鈾浸出率的影響如圖3 所示。 由圖3 可知，隨著浸出時間延長，難浸堿渣的液計浸出率與渣計浸出率曲線都呈上升趨勢。 浸出時間2 h 時，液計浸出率與渣計浸出率較高，分別為75.47%和74.27%，渣U 品位與渣剩余量均較低，分別為0.582%與55.26%。 綜合考慮，浸出時間2 h 較適宜。

圖3 不同浸出時間對鈾浸出率的影響

2.4 難浸渣粒度對鈾浸出率的影響

取不同粒度的難浸堿渣樣品各100 g，依次加入600 mL 水和500 mL 濃硝酸攪拌均勻，浸出溫度150 ℃，浸出時間2 h，難浸渣粒度對鈾浸出率的影響見表3。由表3 可知，粒度從-0.074 mm 增大至-1 mm，液計浸出率從75.45%下降到57.08%，渣計浸出率從81.57%下降到57.17%，說明隨著粒度增大，鈾浸出效果下降。 堿渣粒度-0.074 mm 時，液計浸出率與渣計浸出率相較其他粒度條件下的試驗結果更好，且渣殘余率與渣中U 品位均較低。 綜合考慮，較適宜的原樣粒度為-0.074 mm。

表3 難浸渣粒度對鈾浸出率的影響

2.5 加溫加壓強化浸出驗證試驗

根據單因素試驗，確定優化后的加溫加壓浸出參數為：難浸渣100 g，粒度-0.074 mm，濃硝酸用量500 mL，用水量600 mL，浸出溫度150 ℃，浸出時間2 h。 優化條件下驗證試驗結果見表4。 由表4 可知，2 組驗證試驗的液計浸出率及渣計浸出率相差不大，都在80%以上，說明所選擇的加溫加壓浸出工藝參數是適宜的。在此工藝參數下，難浸渣中鈾含量降到0.52%以下，渣計浸出率可達到85%以上，鈾浸出效果良好。

表4 加溫加壓浸出驗證試驗結果

2.6 掃描電鏡分析

對難浸堿渣原樣以及優化條件下所得浸出渣進行了掃描電鏡（SEM）分析，結果見圖4。 從圖4 可知，原樣形貌疏松排列且空隙較大，浸出渣形貌則是緊密排列且空隙較小，可能是濃酸在渣樣表面形成了一層薄膜液。

圖4 難浸渣原樣與浸出渣SEM 圖

2.7 浸出動力學分析

未反應收縮核模型是描述礦石浸出等液-固相非均質反應常用的數學模型。 根據未反應收縮核模型的相關理論可知，堿渣中鈾的浸出過程由液膜擴散、固體／產物層擴散和反應物之間的表面化學反應等3 個步驟組成，這3 個步驟是連續進行的，浸出過程的總反應速率取決于最慢的環節，即控制步驟。 在浸出過程中，有效攪拌消除或減小了液膜擴散阻力，只剩下表面化學反應和固體／產物層擴散2 個控制步驟。 經驗方程式為：

表面化學反應控制：

通過灰分／產物層的擴散控制：

式中X為鈾渣計浸出率，%；t為浸出時間，h；k1，k2分別為浸出過程中不同控制步驟的反應速率常數。

將圖3 中鈾浸出數據分別代入式（1）和式（2）中進行線性相關擬合，確定動力學常數k。 線性擬合結果見圖5，其中動力學常數k值為擬合后直線的斜率。從圖5 可知，鈾在150 ℃下的浸出數據與式（2）擬合較好，由此可知，鈾的浸出過程受固體／產物層擴散控制。

圖5 鈾的浸出時間與控制模型關系圖

3 結 論

1） 難浸堿渣加溫加壓浸出試驗適宜浸出參數條件為：浸出原樣粒度-0.074 mm、堿渣質量∶濃硝酸體積∶用水量=1 ∶5 ∶6、浸出溫度150 ℃、浸出時間2 h。

2） 適宜條件下的驗證試驗結果表明，難浸堿渣浸出后，渣中鈾含量降到0.52%以下，鈾渣計浸出率可達85%以上。

3） 浸出動力學分析結果表明，鈾的浸出過程受固體／產物層擴散控制。