新疆某砂巖鈾礦CO2+O2加壓滾瓶浸出試驗(yàn)研究

劉率帥，王清良，胡鄂明，李　乾，桂增杰，王星星，陽(yáng)奕漢，張　勇，張青林

(1.南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002；2.中核新疆天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000)

新疆某砂巖鈾礦CO2+O2加壓滾瓶浸出試驗(yàn)研究

劉率帥1，王清良1，胡鄂明1，李乾1，桂增杰1，王星星1，陽(yáng)奕漢2，張勇2，張青林2

(1.南華大學(xué)核資源工程學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002；2.中核新疆天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000)

摘要：根據(jù)CO2+O2地浸采鈾工藝技術(shù)特點(diǎn)，選取新疆某鈾礦山取得的砂巖巖芯鈾礦石，自行設(shè)計(jì)了CO2+O2加壓滾瓶浸出試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行了室內(nèi)CO2+O2加壓滾瓶浸出試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)CO2+O2總壓為2.0 MPa，液固比10∶1時(shí)，金屬鈾浸出率達(dá)到70%，采用多級(jí)浸出和后期加氧化劑強(qiáng)化浸出，鈾浸出率達(dá)90%以上。說(shuō)明該礦床鈾礦石適合CO2+O2浸出工藝，試驗(yàn)結(jié)果可為CO2+O2現(xiàn)場(chǎng)浸出試驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：CO2+O2；地浸采鈾；滾瓶試驗(yàn)；加壓浸出

砂巖鈾礦原地浸出一般采用酸或堿作為浸出劑，酸法浸出的優(yōu)點(diǎn)是浸出速度快，浸出率高；缺點(diǎn)是選擇性差，地下水治理費(fèi)用高，對(duì)含碳酸鹽高的礦床不適合。堿法浸出的優(yōu)點(diǎn)是選擇性好，對(duì)地下水污染程度低，適合于碳酸鹽含量高的鈾礦床；缺點(diǎn)是浸出率相對(duì)低，浸出時(shí)間長(zhǎng)等[1-4]。

針對(duì)酸法和堿法地浸存在的不足，國(guó)外已經(jīng)在浸出劑的選擇上進(jìn)行了新的探索。美國(guó)Highland鈾礦是西方產(chǎn)量最大的地浸采鈾礦山之一，采用CO2+O2浸出取得很好效果[5]。此方法對(duì)一些碳酸鹽含量高、滲透性差的鈾礦石以及地下水礦化度高的鈾礦床具有很強(qiáng)的實(shí)用性[6-7]。隨著我國(guó)對(duì)綠色環(huán)保和節(jié)能減排型礦山建設(shè)的日益重視，CO2+O2地浸采鈾工藝技術(shù)因具備試劑消耗少、對(duì)儀器設(shè)備及材料的腐蝕性小、浸出液鈾濃度穩(wěn)定、不破壞礦石的天然滲透性、開(kāi)采后地下水治理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，已成為砂巖鈾礦床地浸采冶技術(shù)發(fā)展的重要方向。根據(jù)地浸采鈾工藝技術(shù)特點(diǎn)，用自行設(shè)計(jì)加工的CO2+O2加壓滾瓶試驗(yàn)裝置，對(duì)新疆某地浸鈾礦山所取的巖芯砂巖鈾礦，進(jìn)行CO2+O2加壓滾瓶浸出的不同壓力、不同液固比、不同浸出時(shí)間和多級(jí)浸出等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可為CO2+O2地浸采鈾工程的礦山設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)條件試驗(yàn)提供依據(jù)與指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1礦石樣品制備

試驗(yàn)樣取自新疆某鈾礦兩個(gè)礦床鉆孔巖芯巖礦樣(礦床編號(hào)為1#，2#)。采用手選、破碎、縮分等方法對(duì)礦石樣品進(jìn)行制備。共制備了8個(gè)鈾礦石樣，進(jìn)行巖石礦物學(xué)分析、化學(xué)成分分析、粒級(jí)篩析和浸出試驗(yàn)等。

1.2試劑

試驗(yàn)所用試劑見(jiàn)表1。

1.3儀器設(shè)備

試驗(yàn)所用儀器設(shè)備見(jiàn)表2。

1.4試驗(yàn)裝置

CO2+O2加壓滾瓶試驗(yàn)裝置，是根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求先進(jìn)行設(shè)計(jì)，再委托有高壓容器制造資質(zhì)的某核工業(yè)機(jī)械有限公司加工制造。由加壓反應(yīng)罐、振蕩器、CO2氣瓶和O2氣瓶組成。罐體直徑89mm，高160mm，罐頂蓋上有進(jìn)氣閥、排氣閥、排液閥和壓力表。裝置按圖1連接。

表1　化學(xué)試劑

表2　儀器設(shè)備

1.振蕩器；2.加壓滾瓶槽(φ89mm×160mm，3.0MPa)；3.二氧化碳?xì)馄浚?.氧氣氣瓶；5、6.GVI表閥；7.壓力表4MPa；8.φ6mm高壓金屬軟管；9.二氧化碳?xì)怏w減壓閥；10.氧氣氣體減壓閥；11.SS-BVI15球閥圖1　加壓滾瓶浸出試驗(yàn)裝置示意圖

1.5試驗(yàn)方法與步驟

本次浸出試驗(yàn)主要內(nèi)容包括：CO2+O2不同壓力浸出試驗(yàn)、不同液固比浸出試驗(yàn)、不同浸出時(shí)間浸出試驗(yàn)和多級(jí)浸出試驗(yàn)[8]。自行研制的加壓滾瓶浸出設(shè)備，使用前先空載試壓試漏，然后組裝鏈接帶水試壓；調(diào)試達(dá)到要求后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟如下所述。

1)打開(kāi)反應(yīng)罐頂蓋，將準(zhǔn)確稱量的礦石樣加入反應(yīng)罐內(nèi)，按設(shè)計(jì)的液固比加入自來(lái)水，用玻璃棒攪拌均勻，然后蓋上反應(yīng)罐頂蓋，擰緊螺栓，確保密封不漏。

2)把反應(yīng)罐固定在振蕩器上，按圖1所示將設(shè)備連接。

3)向反應(yīng)罐緩慢加入O2，待其壓力達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)總壓的二分之一(試驗(yàn)總壓為2.0MPa，先緩慢加入O21.0MPa)，同時(shí)啟動(dòng)振蕩器，待壓力穩(wěn)定后停止加入O2，關(guān)閉O2閥門(mén)。

4)向反應(yīng)罐緩慢加入CO2氣體，操作方法同O2，總壓達(dá)到2.0MPa，達(dá)到穩(wěn)定后，停止加入，關(guān)閉CO2閥門(mén)。

5)開(kāi)始振蕩，定期觀察反應(yīng)罐內(nèi)壓力，達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，停止震蕩，打開(kāi)排氣閥，取出反應(yīng)罐，倒出漿體，過(guò)濾、洗滌。

2結(jié)果及討論

2.1巖石礦物鑒定

對(duì)1#，2#礦床的兩個(gè)鈾礦樣進(jìn)行了巖石礦物鑒定，制作礦樣砂薄片，進(jìn)行正交叉鏡照片和鏡下觀察，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2　1#礦樣砂薄片正交叉鏡照片

圖3　2#礦樣砂薄片正交叉鏡照片

鑒定結(jié)果如下所述。①巖芯礦樣巖石為鐵質(zhì)-鈣質(zhì)-黏土質(zhì)-石英屑和不等粒復(fù)成分砂屑-巖屑。礦樣屑砂巖型，主要由石英巖、硅質(zhì)巖、石英砂巖和鈣質(zhì)砂巖屑等組成。其中，礦石中礦物主要為石英(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為62%～72%，平均為67%)、玻屑凝灰?guī)r巖屑(8%～18%，平均為13%)、方解石(3%～4%，平均為3.5%)、不透明鈦鐵氧化物(12%～21%，平均為16.5%)。②該礦床礦石中鈾的存在形式有鈾礦物、吸附鈾及含鈾礦物，獨(dú)立鈾礦物難以發(fā)現(xiàn)，主要存在形式為吸附鈾，存在于含鈾礦物中的鈾很少。

2.2礦樣化學(xué)成分分析

取1#，2#化學(xué)分析樣，對(duì)主要元素進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可知：①礦樣U品位較低，約0.035%，1#中U4+占鈾總量的46%，2#中U4+占鈾總量的35%，說(shuō)明該礦石浸出過(guò)程中需要加入氧化劑；②兩個(gè)礦樣的化學(xué)成分及含量均相近，礦樣中Ca、Al、CO2含量較高，CaO含量為0.8%～2.0%，Al2O3含量為7.7%～9.0%，CO2含量為1.5%～3.2%，SiO2含量則大于80%，說(shuō)明該礦石耗酸大，不適合采用酸法浸出。

2.3粒級(jí)篩析試驗(yàn)

取1#和2#試驗(yàn)礦石樣進(jìn)行粒級(jí)篩析，結(jié)果見(jiàn)表4。

粒級(jí)篩析和U分析結(jié)果可知：兩個(gè)礦樣粒級(jí)組成相近，以0.45mm粒度為界，上下粒級(jí)礦石質(zhì)量各占50%左右；不同粒級(jí)礦石U品位分布規(guī)律不明顯。

表3　礦樣成分分析結(jié)果/%

表4　T3和T7試驗(yàn)礦石樣粒級(jí)篩析結(jié)果

2.4CO2+O2滾瓶浸出試驗(yàn)

稱取1#礦石樣100g，鈾品位0.034%，化學(xué)成分見(jiàn)表3，采用CO2+O2浸出，液固比為10∶1，浸出時(shí)間24h。試驗(yàn)時(shí)先通入O2，再通入CO2。為了比較，還進(jìn)行了NH4HCO3+H2O2對(duì)比浸出試驗(yàn)[9]。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

2.5不同液固比浸出試驗(yàn)

稱取1#礦石樣50g，CO2壓力1.0MPa，O2壓力1.0MPa，總壓2.0MPa，液固比為3∶1和10∶1，浸出時(shí)間為1d、2d、3d、4d、5d和6d，浸出結(jié)果見(jiàn)圖4。

表5　CO2+O2滾瓶浸出試驗(yàn)結(jié)果

圖4　不同液固比與鈾浸出率之間的關(guān)系

由圖4可知，浸出從第一天到第四天，浸出率逐步升高，但隨后浸出率不再有明顯變化；增大液固比，在一定程度上能夠提高鈾的浸出率。

2.6CO2+O2加壓多次浸出試驗(yàn)

稱取1#和2#兩種礦石樣各50g，液固比3∶1，CO2壓力1.0MPa，O2壓力1.0MPa；每級(jí)浸出時(shí)間為24h；第五次和第六次各加入5mL雙氧水，浸出結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5　多級(jí)浸出與鈾浸出率之間的關(guān)系

從圖5可以看出，加壓多級(jí)浸出，從第一級(jí)到第四級(jí)，單級(jí)浸出率逐級(jí)遞減，但第五級(jí)加入雙氧水后，鈾浸出率出現(xiàn)較大幅度增加，鈾總浸出率達(dá)到90%左右。結(jié)果表明，采用多級(jí)攪拌浸出且后期加入氧化劑強(qiáng)化浸出的方式，可以獲得較好的浸出效果。加入氧化劑使得礦石中U(Ⅳ)被氧化為U(Ⅵ)后浸出，這與化學(xué)分析結(jié)果U(Ⅳ)占鈾總量的30%～40%相吻合。

3結(jié)論

1)兩個(gè)鈾礦床的礦石樣礦物組成和化學(xué)成分相差不大，采用CO2+O2浸出，鈾浸出速率較慢，短時(shí)間內(nèi)鈾浸出率不高。

2)兩礦樣中U(Ⅳ)含量分別為46%和35%，加入雙氧水可以氧化U(Ⅳ)為U(Ⅵ)，提高鈾的浸出率；采用CO2+O2加壓多級(jí)浸出且后期加氧化劑強(qiáng)化浸出，鈾浸出率可達(dá)到90%。

3)CO2+O2加壓滾瓶浸出試驗(yàn)裝置自行研制，方便實(shí)用、穩(wěn)定可靠，可以滿足砂巖鈾礦浸出試驗(yàn)要求。

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Experiment study on roller bottle leaching with high pressure CO2+O2of a sandstone type uranium ore from Xinjiang

LIU Shuai-shuai1，WANG Qing-liang1，HU E-ming1，LI Qian1，GUI Zeng-jie1，WANG Xing-xing1，YANG Yi-han2，ZHANG Yong2，ZHANG Qing-lin2

(1.School of Nuclear Resource Engineering，University of South China，Hengyang 421001，China；2.Xinjiang Tianshan Uranium Co．，Ltd．，China National Nuclear Corporation，Yining 835000，China)

Abstract:According to the characteristics of CO2+O2 in-situ leaching technology，a roller bottle leaching device with CO2+O2 pressure was designed for the rock core samples of sandstone uranium deposit in Xinjiang province.The lab leaching experiments were conducted with the roller bottle.The results indicated that the uranium leaching rate could be reached 70%，when the pressure was 2.0 MPa and the ratio of liquid-solid was 10∶1.Using the method of multistage leaching and afterwards adding oxidants enhanced leaching，the uranium leaching rate was higher than 90%.The test showed that the uranium ore deposit is suitable for CO2+O2in-situ leaching technology.The parameters obtained from the experiment will provide reference and guidance for mine engineering design and field conditions tests.

Key words：CO2+O2；in-situ leaching of uranium；roller bottle leaching；high pressure leaching

收稿日期：2015-06-27

作者簡(jiǎn)介：劉率帥(1988-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)槿芙傻V。 通訊作者：王清良(1969-)男，湖南寧鄉(xiāng)人，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事生物技術(shù)和溶浸采礦技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：TD868

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)06-0100-04