某高耗酸砂巖型鈾礦床堿法地浸采鈾試驗研究

邢擁國，蔣小輝，霍建黨，劉金輝

(1.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 2.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000； 3.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149)

某高耗酸砂巖型鈾礦床堿法地浸采鈾試驗研究

邢擁國1，2，蔣小輝2，霍建黨3，劉金輝1

(1.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 南昌 330013； 2.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000； 3.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149)

高耗酸；礦床；鈾；堿法地浸

某砂巖型鈾礦床礦體SiO2含量較低，鐵、鋁成分占比較高，采用酸法地浸回收鈾，浸出進(jìn)程緩慢，單孔浸出液抽液速度為2～3 m3/h，鈾質(zhì)量濃度低于20 mg/L，硫酸耗量大于600 t/tU，生產(chǎn)成本較高。堿法浸出工藝可選擇性溶解礦體中的鈾，在耗酸金屬礦物含量較高的礦床中應(yīng)用具有優(yōu)勢[1-8]。礦石成分及前期試驗結(jié)果[9]表明，對該砂巖型鈾礦床采用堿法浸出工藝回收鈾是可行的。為了確定堿法工藝的經(jīng)濟(jì)合理性，降低生產(chǎn)成本，在礦床試驗塊段進(jìn)行了堿法地浸采鈾試驗。

1 試驗塊段地質(zhì)、水文地質(zhì)特征

試驗塊段發(fā)育于中下侏羅系水西溝群Ⅶ1亞旋回含礦含水層，為砂巖型鈾礦化。砂體埋深244～274 m，平均厚度14.5 m，傾角4°～6°。礦體巖性以含礫粗砂巖和粗砂巖為主，少量細(xì)砂巖和中砂巖，接近頂?shù)装逵猩倭磕噘|(zhì)膠結(jié)。含礦含水層砂體主要呈灰色，部分被氧化呈黃褐色。礦體塊段單礦層平均厚度4.78 m，卷頭礦體厚度一般大于4 m。

試驗塊段礦石化學(xué)組成見表1，其中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，F(xiàn)e2O3、FeO、Al2O3、CaO、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，這些金屬物質(zhì)耗酸量較大。塊段礦石巖性主要為中細(xì)—中粗粒巖屑長石砂巖或長石巖屑砂巖，碎屑物占86%～88%，填隙物占12%～14%。巖石碎屑物分選性、磨圓度中等—較差，多呈次棱角狀、棱角狀，具砂狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造。填隙物質(zhì)以黏土礦物為主，占5%～13.5%。碳酸鹽以CO2計，占0.075%～0.65%，有機(jī)炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為0.60%，全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19%。礦石中自生鐵礦物主要為鈦鐵礦和磁鐵礦，含少量菱鐵礦及黃鐵礦，次生礦物以黃鐵礦和硅酸鐵為主，鐵礦物總計占比為0.57%～2.5%。礦石中的鈾礦物主要是鈾的氧化物及少量鈾石，鈾氧化物主要為瀝青鈾礦。

表1 礦石化學(xué)組成 %

注：1#、2#、3#為其他礦床。

礦體塊段的鈾品位最高0.049 6%，最低0.016 1%，平均0.036 8%；礦塊平米鈾量最高5.00 kg/m2，最低1.31 kg/m2，平均3.17 kg/m2。

試驗塊段內(nèi)，含礦含水層平均厚度9.5 m，有效厚度9.04 m，地下水溫度約14 ℃，礦層平均滲透系數(shù)0.51 m/d，平均導(dǎo)水系數(shù)5.83 m2/d。

試驗單元S-0410含礦含水層厚度為8.4～10.8 m，礦層厚度為1.0～8.0 m，平均平米鈾量為2.56 kg/m3，其他參數(shù)見表2。

表2 試驗塊段含礦層礦化參數(shù)

2 試驗鉆孔平面布置

經(jīng)綜合比較，選擇礦床Ⅶ1-5礦塊381勘探線進(jìn)行試驗。采用5點型“2抽6注”形式布孔，試驗單元S-0410共8個鉆孔,鉆孔結(jié)構(gòu)為填礫式[4]。單元抽、注液鉆孔間距為18 m，注液孔間距為25 m。抽液孔抽液速度平均為5.47 m3/h，注液孔注液速度平均為4.1 m3/h。礦層水源豐富，孔口自溢涌水量大，承壓水頭高出地表約2 m。

3 堿法地浸現(xiàn)場試驗

3.1 浸出工藝

浸出液由潛水泵提升至地表并匯集于集液池，再由抽液泵送入水冶系統(tǒng)，水冶尾液排入配液池，并于池內(nèi)配加NH4HCO3后,由注液泵送入分配器，過濾后用作浸出劑注入到礦石層中。注入過程中，加CO2調(diào)節(jié)pH，以避免浸出過程中產(chǎn)生化學(xué)沉淀。

3.2 浸出劑配制

根據(jù)不同試驗階段及浸出進(jìn)程，現(xiàn)場配制浸出劑。

1)O2預(yù)氧化階段：運行32 d，氧氣質(zhì)量濃度平均308 mg/L。

2)CO2+O2中性浸出階段：運行39 d，平均配加O2質(zhì)量濃度282 mg/L，CO2質(zhì)量濃度432 mg/L。

3.3 抽、注液速度及抽、注平衡

控制注液速度略大于抽液速度，平均注液速度及抽液速度分別為3.91～4.53 m3/h和3.75～4.32 m3/h。試驗過程中，抽、注液速度相對穩(wěn)定，控制浸出過程中不發(fā)生明顯的化學(xué)堵塞和氣堵現(xiàn)象。

3.4 注液壓力控制

控制注液壓力總體表現(xiàn)為先增高后相對穩(wěn)定特征：預(yù)氧化階段，注液壓力控制在0.2～0.3 MPa之間；CO2+O2中性浸出階段，注液壓力緩慢提高，最高至0.6 MPa，并保持穩(wěn)定；CO2+O2+NH4HCO3浸出階段，注液壓力先提高，最終穩(wěn)定在0.9～1.0 MPa范圍內(nèi)。

4 試驗結(jié)果與討論

4.1 浸出液中鈾質(zhì)量濃度變化特征

浸出液中鈾質(zhì)量濃度在3個浸出階段均呈階梯式上升趨勢，上升至一定濃度后趨于穩(wěn)定(如圖1所示)。

1)O2預(yù)氧化階段

(1)

(2)

圖1 浸出過程中鈾及質(zhì)量濃度的變化

2)CO2+O2浸出階段

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

3)CO2+O2+NH4HCO3浸出階段

4.2 浸出液pH變化特征

浸出過程中，浸出液pH變化趨勢如圖2所示。礦層地下水pH本底值為7.45；在預(yù)氧化和CO2+O2浸出階段，pH出現(xiàn)小幅下降，維持在6.6～6.9之間；在O2+CO2+NH4HCO3浸出階段，浸出劑中配加適量碳酸氫銨，pH出現(xiàn)上升甚至出現(xiàn)高于7.5的情況。pH超過7.5后，容易形成碳酸鈣沉淀而阻塞注液孔和管道，致使抽、注液速度下降，影響浸出的正常進(jìn)行。實際操作過程中，需注意CO2加入量，保證浸出液pH維持在7.0左右，這樣可有效避免沉淀產(chǎn)生。

圖2 浸出過程中浸出劑pH、Eh的變化

4.3 浸出液Eh變化特征

一般而言，氧化環(huán)境有利于鈾的浸出。試驗過程中，浸出劑Eh本底值為262 mV，注入礦層后緩慢上升并維持在360 mV左右。礦層中含有較多的還原性物質(zhì)，消耗了較多氧化劑，使浸出液Eh升高(如圖2所示)，有利于礦層中的四價鈾轉(zhuǎn)化為六價鈾，使鈾溶解浸出。

4.4 浸出劑中CO2質(zhì)量濃度對鈾浸出的影響

堿法浸出過程中，CO2浸出鈾的原理是，CO2溶于礦層水形成H2CO3，H2CO3與含碳酸鹽的含礦巖石作用形成碳酸氫鈣和碳酸氫鎂，碳酸氫鈣和碳酸氫鎂在氧化環(huán)境下與UO2結(jié)合形成碳酸鈾酰離子。反應(yīng)式如下：

(11)

(12)

4.5 浸出液中質(zhì)量濃度變化特征

圖3 浸出液中質(zhì)量濃度及 含氧量的變化情況

4.6 浸出液中Ca2+、Mg2+質(zhì)量濃度變化特征

鈣、鎂離子是碳酸鈾酰配合的陽離子，碳酸氫根離子是形成碳酸鈾酰的主要配合陰離子。浸出液中鈣、鎂離子及碳酸氫根離子濃度的高低直接反映碳酸鈾酰配合作用的強(qiáng)弱，即浸出效果的強(qiáng)弱。對比浸出液中鈾質(zhì)量濃度與鈣、鎂、碳酸氫根離子濃度變化曲線(圖3)可知，4條曲線變化趨勢基本一致，出現(xiàn)拐點時間基本相同，表明鈾質(zhì)量濃度直接受浸出液中鈣、鎂、碳酸氫根離子濃度的影響。

4.7 浸出液中含氧量的變化特征

氧氣加入后，浸出液中含氧量呈緩慢上升趨勢。預(yù)氧化階段，浸出液鈾質(zhì)量濃度達(dá)20 mg/L，而在前期，未加氧氣條件下，浸出液中鈾質(zhì)量濃度僅為4～5 mg/L[4]。這表明氧氣對鈾的氧化浸出具有較大影響。

圖4 S-0410孔浸出液的含氧量與鈾質(zhì)量濃度之間的關(guān)系

圖5 鈾質(zhì)量濃度與質(zhì)量濃度之間的關(guān)系

(13)

(14)

5 結(jié)論

砂巖型鈾礦床礦石中，SiO2含量較低，F(xiàn)e2O3、FeO、Al2O3、CaO及MgO含量較高，適合采用堿法工藝浸出鈾。

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AlikalineIn-situLeachingofUraniuminHigh-acid-consumptionSandstone-typeUraniumDeposit

XING Yongguo1，2，JIANG Xiaohui2，HUO Jiandang3，LIU Jinhui1

(1.SchoolofWaterResources&EnvironmentalEngineering，EastChinaUniversityofTechnology,Nanchang330013,China; 2.InnerMongoliaMiningCo．，Ltd．，CNNC，Huhehaote010000,China; 3.BeijingResearchInstituteofChemicalEngineeringandMetallurgy,CNNC，Beijing101149,China)

high-acid-consumption;uranium deposite；alikaline in-situ leaching；uranium

TL212

A

1009-2617(2017)06-0467-06

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.06.005

2017-04-01

邢擁國(1976-)，男，河南虞城人，博士研究生，高級工程師，主要研究方向為濕法冶金。