用FeCl3作為反應劑超臨界CO2浸取砂巖型鈾礦中的鈾

王艷龍，譚凱旋，屈慧瓊，李春光，胡楊，李詠梅

（南華大學核資源工程學院，湖南 衡陽 421001）

用FeCl3作為反應劑超臨界CO2浸取砂巖型鈾礦中的鈾

王艷龍，譚凱旋，屈慧瓊，李春光，胡楊，李詠梅

（南華大學核資源工程學院，湖南 衡陽 421001）

鈾是重要的核能燃料，而超臨界CO2是一種新型高效且環(huán)境安全性的鈾提取方法。在FeCl3作為反應劑的前提下，考察了主要因素壓力和時間對浸取效果的影響。恒定時間下隨著壓力的增加浸出率是先增加后減少，恒定壓力下隨著時間的增加浸出率是先增加然后是到穩(wěn)定狀態(tài)。最佳浸出條件為壓力10MPa，浸出率可達90%。與傳統(tǒng)的酸堿浸取鈾相比，浸取效果要明顯高于常規(guī)采鈾。所以超臨界CO2流體浸取有望應用于低品位砂巖鈾礦的地浸采鈾中。

超臨界CO2流體；浸取鈾；砂巖型鈾礦；三氯化鐵；時間；壓力

Abstract：supercritical CO2fluid；leaching of uranium；sandstone-type uranium deposites；FeCl3；time；pressure

鈾是重要的核能燃料，目前全世界核電站年消耗8萬多噸天然鈾。隨著世界核能的大發(fā)展，鈾的需求量還將不斷增大。超臨界CO2浸取技術是一種新興的浸取金屬技術。由于超臨界CO2流體具有溶劑損失量小、操作手續(xù)簡便、容易回收、無毒、化學及輻射化學性質穩(wěn)定等特點，所以是一種很有應用前景的金屬提取溶劑[1-3]。Sasaki等[4]利用含有低濃度TBP的超臨界CO2流體萃取分離U(Ⅳ)、U(Ⅵ)和其他核裂變產物，該項技術還可以在核乏燃料回收的核能技術領域中應用。Iso等[5]將HNO3+LiNO3中的U(Ⅵ)萃取到含有少量TBP的超臨界CO2流體中，研究發(fā)現(xiàn)U(Ⅵ)的萃取效率隨TBP濃度的增加和溫度的降低而增加。Meguzo等[6]詳細研究了在HNO3/超臨界CO2-TBP介質中U(Ⅵ)的萃取平衡與CO2密度之間的相互關系。Wai[7]采用含有TBP或有機膦氧化物的超臨界CO2從HNO3溶液中有效地提取了鈾酰離子，所萃取的硝酸鈾酰-TBP絡合物的形式及超臨界萃取動力學與用4MN常規(guī)溶劑萃取硝酸鈾酰相似，用水溶液對超臨界CO2中的鈾進行了反萃取，并證實超臨界CO2與有機溶劑一樣有效。Carrott[8]采用超臨界CO2從HNO3介質中萃取鈾，研究發(fā)現(xiàn)在適當?shù)臏囟群蛪毫ο?，該絡合物在超臨界CO2中具有很高的溶解度，并證實超臨界CO2在核燃料加工中具有發(fā)展前途。美國Research Foundation公司從含有氟化β-雙酮和TOPO螯合混合物的超臨界CO2溶液中萃取鑭系和錒系元素，螯合劑和超臨界流體可再生，礦坑水中鈾和釷的萃取率達70%和87%[9]。Murzin等[10]用單或二官能團的中性有機磷類化合物超臨界CO2流體萃取硝酸鈾酰，萃取率達62%～72%。Vincent等[11-13]建立了超臨界CO2流體直接萃取重金屬的機制體系，分析了重金屬的化學萃取機理。Tomioka等[14-15]分析了改性劑對超臨界萃取過程中的溶解平衡關系以及對重金屬萃取率的影響。

由于我國鈾礦的品位低，通過常規(guī)的提取方法效率低。為了探求高效率浸出鈾的方法，本工作基于超臨界萃取機制的基礎上，研究超臨界CO2流體對低品位砂巖鈾礦的浸出作用機理，這為鈾浸出工藝的確定提供了理論和技術支持。

1 實 驗

1.1 裝置和材料

根據文獻中提供的裝置設計原理[12]自行研制超臨界流體浸鈾裝置（圖1）。該裝置包括CO2流體提供系統(tǒng)、攜帶劑提供系統(tǒng)、超臨界CO2流體浸取系統(tǒng)、CO2流體分離再循環(huán)系統(tǒng)和低壓碳酸根絡合浸出系統(tǒng)。該裝置可以做7.4～40MPa之間的超臨界CO2流體在靜態(tài)、動態(tài)下的萃取實驗研究，也可以做非超臨界狀態(tài)、高壓水環(huán)境中用CO32-絡合浸鈾試驗研究。用于超臨界流體浸取的鈾礦石樣品采自新疆某砂巖鈾礦，樣品的平均鈾品位為0.032%。為了模擬現(xiàn)場浸礦的效果，本試驗礦樣不進行研磨處理。

1.2 實驗方法

圖1 超臨界CO2流體浸鈾裝置

圖2 超臨界浸取裝置工藝流程

本實驗只討論靜態(tài)的實驗結果。超臨界CO2中浸取裝置工藝流程如圖2所示，將20g礦石樣品放入浸取釜8中，加入90mL蒸餾水，10mL 1mol/L 的FeCl3溶液，從鋼瓶1流出的CO2氣體經過凈化器2凈化、制冷裝置3冷凝，液態(tài)CO2由加壓注射泵4加壓為超臨界狀態(tài)后進入混合器5，預熱裝置10加熱到設定溫度45℃，CO2進入浸取釜8，通過改變浸取釜的壓力和浸取時間得出其中的影響。實驗完后，用快速濾紙過濾，分離出浸出液，過濾后的礦渣用pH值為5的HCl洗滌3遍并收集洗出液，然后將礦渣烘干，分別測定浸出液、洗出液和礦渣的鈾含量，計算出鈾的浸出率。

2 結果與討論

在超臨界CO2浸取鈾礦的反應中，反應溫度、壓力、時間和FeCl3用量是反應的主要影響因素。砂巖鈾礦石中鈾主要以四價的瀝青鈾礦（UO2）存在，在浸出過程中必須先將四價鈾氧化成六價鈾。因此在超臨界CO2中加入適當?shù)难趸瘎┎拍苋〉浇欁饔?。三價鐵離子作氧化劑時，其與四價鈾直接在溶劑中發(fā)生，省去中間態(tài)的轉化，且直接參與鈾的氧化，所以其氧化速率較快。超臨界CO2通入水溶液產生碳酸根離子，氧化的六價鈾與碳酸根形成高溶解性的絡合物陰離子即[UO2(CO3)3]4-或[UO2(CO3)2]2-，反應式如式（1）～式（4）。

本實驗是在FeCl3過量的條件下進行的，而前期的實驗也證明溫度的影響不大，而考慮到溫度的損耗不利于超臨界狀態(tài)，固設定比臨界溫度高，本實驗一律設定為45℃。因而，主要考慮壓力和時間對超臨界浸取的影響。

2.1 反應壓力的影響

圖3是在反應時間為1h下反應壓力對超臨界CO2浸取鈾礦反應影響的實驗結果。

由圖3可見，在壓力階段為5～12MPa之間，隨著壓力的增加，鈾的浸出率也有相應增加的趨勢，并且在12MPa時達到了最高值58.06%。然而在超過12MPa以后，隨著壓力的不斷增加，鈾的浸出率卻呈現(xiàn)出下降的趨勢，而且壓力越大，浸出率下降的就越明顯。

二氧化碳在水中的溶解度隨著壓力的增加而增大。壓力越大，溶解速度也越快。礦石中的鈾的溶解平衡如式（5）～式（8）。

圖3 壓力對鈾浸出率的影響

在碳酸根與鈾酰離子結合的反應式如式（9）～式（10）。

隨著碳酸根離子的濃度增加，與溶液中的鈾酰離子迅速形成[UO2(CO3)2]2-和[UO2(CO3)3]4-絡合離子，而整個反應方程式的平衡也被打破，使之往傾向于正方向，也就是右邊生成[UO2(CO3)2]2-和[UO2(CO3)3]4-絡合離子的方向，直到形成新的平衡。溶液中的鈾剛開始階段隨著溶解時間的增加，濃度也不斷增加，因為超臨界流體的傳質性質，增強因子值隨壓力的增加而增加，更小的黏度、更大的擴散系數(shù)將會大幅度縮短相平衡所需的時間，所以溶液中的鈾離子和碳酸根離子會迅速形成新的平衡。

水溶液中鈾的存在會朝向兩個方向進行，并且速度也不一致。一個是從礦石中溶解的速度v溶解，另一個是與碳酸根離子絡合的消耗速度v消耗。反應剛開始時，由于溶液中的鈾會快速溶解在水溶液中，四價的鈾離子需要先經過和氧化劑反應生成六價的鈾酰離子，而溶液的碳酸根離子的濃度不高，絡合反應的所消耗的鈾也不會太快，所以會有v溶解>

v消耗，這是溶液中鈾的濃度會不斷增大；當溶液中的鈾的濃度達到最大時，與離子會形成一個短暫的平衡，此時v溶解=v消耗；繼續(xù)進行浸出反應，這時由于礦樣中鈾的減少，溶解到溶液中的鈾的速度會小于絡合反應消耗鈾的速度，也就是v溶解

圖4 時間對鈾浸出率的影響

2.2 反應時間的影響

圖4是一定反應壓力下反應時間對超臨界CO2浸取鈾礦反應影響的實驗結果。為了貼合現(xiàn)場浸取，壓力選為10MPa，既節(jié)約成本又能達到相同的實驗效果。

由圖4可見，在15～135min之間，隨著浸出時間的增加，礦樣中鈾的浸出率也相應地增加，說明在105min以內的浸出時間內，溶液中鈾的濃度是持續(xù)增加的；而后，隨著浸出時間的增加，鈾的浸出率不再增加。最大的浸出率達到90%左右。

產生這種結果的原因是溶液中的反應達到了動態(tài)的化學平衡，之后，鈾的浸出率不會隨著時間的增加而升高。

3 對比試驗

為了對比，還進行了常規(guī)的酸法和堿法浸出實驗。兩個酸法浸出實驗的反應劑分別為6.3g/L H2SO4+4.65g/L Fe2(SO4)3和7.17g/L H2SO4+9g/L H2O2，堿法浸出實驗的反應劑為8.5g/L Na2CO3+ 3g/L NaHCO3+8.8g/L H2O2。浸出在室溫（25℃）、常壓下進行，反應時間2h，液固比3∶1。實驗完成后用快速濾紙過濾，分離出浸出液，過濾后的礦渣用pH值為5的HCl洗滌3遍并收集洗出液，然后將礦渣烘干，分別測定浸出液、洗出液和礦渣的鈾含量，計算出鈾的浸出率。

鈾的分析采用釩酸銨標準溶液滴定法。

常規(guī)的酸法和堿法浸出中（表1），鈾的浸出率為70.0%～79.61%，其中在酸法浸出中，F(xiàn)e3+作氧化劑的浸出效果好于H2O2。

單純超臨界CO2流體很難浸出砂巖鈾礦石中的鈾，其浸出率僅6%左右；在有水介質的條件下，超臨界CO2流體對鈾的浸出率提高到24.23%，說明水介質對超臨界CO2浸取礦石中的鈾有重要作用。

表1 超臨界CO2浸鈾實驗結果

在超臨界CO2中加入H2O2作氧化劑，其浸鈾效果不明顯，鈾的浸出率只有36.35%。但是，以FeCl3作氧化劑可以顯著提高超臨界CO2的浸鈾效果，鈾浸出率達到90.44%，明顯高于常規(guī)的酸法和堿法浸出率。

綜上對比實驗可以得出：利用超臨界CO2在水介質和氧化劑FeCl3狀態(tài)下浸取低品位，低滲透性的砂巖型鈾礦要比傳統(tǒng)酸堿方法的效果好得多。

4 結 論

（1）超臨界CO2是一種新型高效的低品位砂巖型鈾礦的浸取技術，在FeCl3過量的情況下，反應壓力和時間是影響浸取效果的主要因素。

（2）在FeCl3作為反應劑條件下，超臨界CO2浸取低品位砂巖鈾礦中鈾的最佳工藝條件是反應壓力為10MPa。在此工藝條件下，浸取率可達90%。

（3）本實驗證明在恒定時間下隨著壓力的增加浸出率是先增加后減少，在恒定壓力下隨著時間的增加，浸出率呈先增加然后到穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）與傳統(tǒng)的酸堿浸取鈾相比，具有更加理想的效果，且其是環(huán)境友好型的浸取鈾的方法。因此，超臨界浸取鈾是一種高效的浸取低滲透低品位砂巖型鈾礦的方法。

與其他文獻記錄[4-14]的浸取大不相同的是本實驗旨在研究在模擬現(xiàn)場條件下利用超臨界CO2采鈾，因此本實驗沒有像其他實驗那樣進行微量微細的礦樣研究，而是直接用原始礦樣進行實驗，以達到近似現(xiàn)場作業(yè)的條件，為進一步實驗現(xiàn)場作業(yè)提供理論支持和操作的指導。

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Supercritical CO2fluid leaching of uranium from sandstone type ores using FeCl3as reactant

WANG Yanlong，TAN Kaixuan，QU Huiqiong，LI Chunguang，HU Yang，LI Yongmei
（School of Nuclear Resource Engineering，University of South China，Hengyang 421001，Hunan，China）

：Uranium is an important nuclear fuel，and supercritical CO2fluid leaching is a new，efficient and environmentally safe uranium extraction method. The aim of this experiment was to investigate the impact of pressure and time on uranium leaching efficiency with FeCl3as reactant. Leaching efficiency first increased and then decreased with the increase of pressure. Under a constant specific pressure leaching efficiency first increased with increasiing time and then stabilized at a fixed value. The optimum leaching pressure was 10MPa，and leaching efficiency could reach 90%. Compared with the traditional acid-alkali leaching of uranium，leaching effect was significantly higher. Supercritical CO2fluid leaching could be used forin-situuranium leaching of low grade sandstone-type uranium deposits.

TL 212.1

A

1000-6613（2014）11-2936-05

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.11.019

2014-01-14；修改稿日期：2014-02-28。

國家自然科學基金（91026015）及湖南省科技計劃（2013GK3159）項目。

王艷龍（1987—），男，碩士研究生聯(lián)系人：譚凱旋，教授，博士生導師。E-mail nhtkx@126.com。