鈾礦石物質(zhì)組成對(duì)微生物浸鈾工藝的影響

王志華

微生物浸鈾是借助某些微生物的催化作用,使鈾礦石中的金屬鈾溶解的濕法冶金過(guò)程,自1966年加拿大利用微生物浸鈾的研究及工業(yè)化應(yīng)用成功以后,現(xiàn)已被廣泛用于低品位、難采、難選冶鈾礦石的浸出,在國(guó)內(nèi)也愈來(lái)愈受到重視。和傳統(tǒng)的方法相比,微生物浸鈾具有充分利用回收礦產(chǎn)資源,對(duì)環(huán)境污染小,降低酸耗和氧化劑用量,縮短浸出周期,提高經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)勢(shì)。

影響微生物浸鈾效果的因素有很多,礦石物質(zhì)組成特性是其中的根本性因素,是設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝流程的基本依據(jù)。本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上結(jié)合本人的研究實(shí)踐,從礦石的礦物成分、化學(xué)成分、鈾的存在形式、黃鐵礦等方面探討礦石物質(zhì)組成對(duì)微生物浸鈾工藝的影響。

1微生物浸鈾機(jī)理

微生物浸鈾是利用微生物的生物化學(xué)作用,選擇性的將礦石中的鈾溶解出來(lái)的一種方法。在多數(shù)鈾礦石中,鈾以四價(jià)和六價(jià)的混合狀態(tài)存在,四價(jià)鈾的氧化物在酸性介質(zhì)中是不溶的,鈾的溶解是基于六價(jià)鈾的溶解。浸礦微生物氧化溶解礦石中的黃鐵礦,獲得生長(zhǎng)所需的能量,同時(shí)生成硫酸和三價(jià)鐵,為鈾的溶解提供浸出劑和氧化劑。

4FeS2+15O2+2H2O2

2Fe2(SO4)3+2H2SO4

2礦石物質(zhì)組成對(duì)微生物浸鈾的影響

鈾礦石是微生物浸出的對(duì)象,礦石物質(zhì)組成和工藝特性對(duì)浸出效果產(chǎn)生根本影響。礦石的礦物組成、鈾的賦存形式、化學(xué)成分、黃鐵礦的含量等都將影響微生物與礦物的作用方式和鈾浸出效果。

2.1 礦物組成

Barrett認(rèn)為,影響浸出速率的決定因素是礦物的性質(zhì)。鈾礦石中礦石礦物主要有瀝青鈾礦、晶質(zhì)鈾礦、鈾石、釷鈾礦、鈾釷石、鈦鈾礦和次生鈾礦物等；脈石礦物主要有石英、長(zhǎng)石、云母、方解石、金紅石、螢石、磷灰石和粘土礦物等；金屬礦物一般含量很少,主要為Fe、Pb、Cu的硫化物,常見(jiàn)的主要為黃鐵礦。不同的礦物在微生物浸出體系中表現(xiàn)出不同的工藝特性。

石英性質(zhì)穩(wěn)定,在浸出過(guò)程中不起化學(xué)反應(yīng),若礦石中含有大量石英,則有利于經(jīng)濟(jì)地從礦石中提取鈾；原生硅酸鹽礦物是不大參加化學(xué)反應(yīng)的,只有在高酸度條件下才會(huì)部分溶解,給工藝過(guò)程帶來(lái)困難,而次生硅酸鹽礦物,如綠泥石和粘土礦物卻能部分溶解于稀酸中,同時(shí)這類礦物形成的細(xì)泥會(huì)造成板結(jié)、堵塞等問(wèn)題,給工藝帶來(lái)比酸耗更加嚴(yán)重的問(wèn)題；碳酸鹽礦物,主要為方解石和白云石,該類礦物在浸出體系中易溶于酸,增大酸耗,提高成本,當(dāng)?shù)V石中碳酸鹽是一主要組分是,就必須改用堿法浸出,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致溶浸液中CaSO4達(dá)到飽和而沉淀在礦石表面,阻礙反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行；螢石在溶浸過(guò)程中會(huì)逐步溶解,生成氫氟酸,間接提高酸耗,同時(shí),F2-進(jìn)入溶液會(huì)對(duì)細(xì)菌的活性造成明顯的抑制作用。

2.2 鈾賦存狀態(tài)

鈾礦石中鈾以獨(dú)立鈾礦物、類質(zhì)同象和吸附狀態(tài)存在。獨(dú)立鈾礦物主要有瀝青鈾礦、晶質(zhì)鈾礦、鈾石和次生鈾礦物等,主要呈細(xì)、網(wǎng)脈狀、粒狀、團(tuán)塊狀、星點(diǎn)狀分布于裂隙、礦物晶體間隙或礦物內(nèi)部的空隙中,這一部分鈾是比較容易浸出的,浸出試驗(yàn)的結(jié)果也表明這一點(diǎn),在浸出渣樣中很少能見(jiàn)到獨(dú)立鈾礦物,只有少量細(xì)小鈾礦物由于被石英或其他礦物緊密包裹難以浸出,此外,次生鈾礦物(如鈣鈾云母、硅鈣鈾礦等)中的鈾以六價(jià)態(tài)存在,容易溶解浸出,而鈦像鈾礦等復(fù)雜氧化物是難浸礦物,需要在很苛刻的條件下才能溶解；釷鈾礦、鈾釷石、鋯石等礦物中的鈾呈類質(zhì)同象形式存在,一般較難浸出；粘土礦物、綠泥石等礦物表面存在有成吸附狀態(tài)的鈾,這種鈾也易于浸出。

2.3 化學(xué)組成

礦石的化組成也就是礦石中存在何種化學(xué)元素及其含量。對(duì)微生物浸鈾過(guò)程用影響的元素主要有:U、Fe、S、P、F、Cl、Ca、Mg、CO2等。

礦石中的鈾主要以四價(jià)和六價(jià)鈾存在。在酸性介質(zhì)中四價(jià)鈾的氧化物是不溶的,四價(jià)鈾要在氧化劑的作用下氧化成六價(jià)鈾才能被溶浸液浸出。鈾的浸出時(shí)基于六價(jià)鈾的溶解,因此四價(jià)和六價(jià)鈾的比例對(duì)鈾的浸出有重要影響。

為微生物代謝活動(dòng)提供能源的元素S和Fe,主要由礦石中的黃鐵礦提供。磷和氮是微生物生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),浸出環(huán)境中氮、磷量應(yīng)當(dāng)充足,實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)礦石的組成情況,通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定加入氮、磷的量。但由于多數(shù)礦石中都含有磷酸鹽,所以浸出時(shí)可以不加或少加磷酸鹽。

對(duì)微生物生長(zhǎng)、繁殖有抑制和毒害的元素,主要有氟、汞、砷、鉛等元素。以氟為例,在鈾礦石微生物浸出體系中,環(huán)境PH值一般小于2,礦石中螢石會(huì)部分溶解,氟以離子形式進(jìn)入溶液,氟可破壞細(xì)胞膜,對(duì)原生質(zhì)體具有毒性作用,而且過(guò)量氟對(duì)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)DNA的合成具有抑制作用,在實(shí)踐中針對(duì)高氟礦石就需要對(duì)微生物進(jìn)行耐F馴化,來(lái)使得微生物在高氟的環(huán)境下依舊保持活性。

Ca、Mg、CO2是礦石中的主要耗酸成分,耗酸成分過(guò)高會(huì)增加酸耗,提高成本。

2.4 黃鐵礦

微生物浸鈾過(guò)程中,礦石中的黃鐵礦起著關(guān)鍵的作用,黃鐵礦即為微生物提供能源,同時(shí)又為浸出體系提供Fe3+。微生物浸出法是基于微生物對(duì)黃鐵礦等硫化物的氧化作用產(chǎn)生硫酸和高價(jià)鐵,為鈾的浸出提供浸出劑和氧化劑。因此,生物浸出法只限用于硫化物含量較高的礦石,對(duì)于黃鐵礦含量很低的礦石,有研究表明在這類礦石中通過(guò)人工添加適量的黃鐵礦會(huì)產(chǎn)生有益作用,有報(bào)道顯示在葡萄牙和印度的礦石中通常加入5kg/t的黃鐵礦,在西班牙礦石中加3kg/t的黃鐵礦都產(chǎn)生了良好的效果。

同時(shí)不同類型的黃鐵礦在浸出過(guò)程中也表現(xiàn)出不同的性質(zhì),顆粒細(xì)小、結(jié)晶差、表面積較大的比較容易被微生物利用,相反晶形完整、粒度粗大的則很難被微生物有效徹底利用。浸出試驗(yàn)也表明這一點(diǎn),在浸出渣中發(fā)現(xiàn)有大量的晶形完好粗大的黃鐵礦,而在原礦石中較常見(jiàn)的膠體狀、草莓狀黃鐵礦卻很少見(jiàn)到。

3結(jié)語(yǔ)

鈾礦石是微生物浸鈾的對(duì)象,礦石的物質(zhì)組成和工藝特性是設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝流程的基本依據(jù)。微生物浸鈾是一個(gè)比一般的化學(xué)浸出更加復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程,根據(jù)微生物浸鈾的基本原理和特點(diǎn),如果礦石中含有適量的黃鐵礦、鈾以對(duì)菌液敏感且易溶解的形式存在、含有微生物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、不含大量的耗酸礦物、不含對(duì)微生物有毒害作用的化學(xué)組分,那么微生物浸鈾的效果是明顯的,可達(dá)到降低酸耗、提高浸出率、縮短浸出周期、降低環(huán)境污染等目的。

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