地浸采鈾方法研究及展望

李孝君

摘要：主要對(duì)鈾礦山開采的地浸采鈾方法進(jìn)行了綜述，詳細(xì)地介紹了酸法地浸、堿法地浸、CO₂+O₂地浸等三種地浸采鈾方法，并對(duì)比了三種采鈾方法的優(yōu)缺點(diǎn)。分析了其對(duì)環(huán)境的影響，提出了未來(lái)鈾礦開采研究工作的重點(diǎn)方向應(yīng)是CO₂+O₂地浸采鈾方法。

關(guān)鍵詞：地浸采鈾;酸法地浸;堿法地浸;CO₂+O₂地浸

中圖分類號(hào)：X751

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）6-0054-03

1引言

地浸采鈾是區(qū)別于常規(guī)開采的一種鈾礦開采方法。它所涉及知識(shí)很多，其中就包括地質(zhì)、采礦、化學(xué)、冶金、環(huán)境等。它是將事先配制好的溶浸液注入到地下礦層中，經(jīng)礦層滲流、對(duì)流和擴(kuò)散作用，與含鈾礦石發(fā)生反應(yīng)而浸出鈾成分，并經(jīng)潛水泵提升至地面，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾的有效的浸出，然后輸送至水冶車間處理成所需的鈾產(chǎn)品。地浸采鈾技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的鈾礦山開采技術(shù)，具有工藝簡(jiǎn)單、成本較低、鈾礦資源利用率較高和少污染、較環(huán)保等明顯優(yōu)勢(shì)。

2地浸方法

地浸采鈾方法主要包括酸法地浸采鈾、堿法地浸采鈾、CO₂+0₂地浸采鈾等。根據(jù)溶浸劑的化學(xué)成分的不同而劃分，以H₂S0₄、HC1等無(wú)機(jī)酸作為溶浸劑稱作酸法地浸，以NaOH、Na。C（）3、NaHCO₃等堿液作為溶浸劑稱作堿法地浸 ，而無(wú)試劑地浸且以CO₂和O₂作為介質(zhì)稱作CO₂+ 0₂地浸。

2.1酸地浸法

酸法地浸是目前地浸鈾礦山利用較為廣泛的方法。地浸過(guò)程主要采用酸作為溶浸劑，常見的溶浸劑有H₂S0₄、HNO₃、HC1等無(wú)機(jī)酸，H₂S0₄是其中具有很強(qiáng)的浸出能力，價(jià)格適宜和相關(guān)浸mT藝設(shè)備材料容易解決等優(yōu)點(diǎn)，因此目前溶浸劑使用最多的是稀H₂S0₄，HC1與HNO₃雖反應(yīng)能力較強(qiáng)，但其價(jià)格比H₂S0₄昂貴，易揮發(fā)，且相關(guān)設(shè)備防蝕要求較高。在浸出過(guò)程中，礦體中的四價(jià)鈾化合物逐漸與H₂S0₄反應(yīng)并溶解，但其溶解度較低，需要加入H₂0₂、KMnO₄、三價(jià)鐵離子等氧化劑將四價(jià)鈾氧化成六價(jià)鈾，因?yàn)榱鶅r(jià)鈾的化合物易與H₂S0₄結(jié)合成鈾?；衔铩Ｖ虚g產(chǎn)生的相關(guān)化學(xué)反應(yīng)如下：

由于礦層中不僅含有鈾化合物，一般還都含有Si、Ca、Mg、Fe等化合物，其中鈣、鎂、鐵等化合物都會(huì)與硫酸反應(yīng)，產(chǎn)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

由反應(yīng)式可見，浸出過(guò)程額外生成的硫酸鈣、硫酸鐵、硫酸鎂當(dāng)超過(guò)其溶解度時(shí)，便沉淀析出，造成礦層堵塞，影響礦層的滲透性，妨礙鈾浸過(guò)程的進(jìn)行，降低了浸出效率。

2.2堿地浸法

堿法地浸就是使用呈堿性物質(zhì)作為溶浸劑的采鈾浸出過(guò)程。溶浸劑常見的有Na₂CO₃、（NH₄）₂CO₃、NaHCO₃、NH₄HC0₃等。Na₂C0₃雖價(jià)格較貴，但其浸出選擇性高，浸出液較純凈，而銨鹽會(huì)帶入NH才，這會(huì)給治理地下水、環(huán)境帶來(lái)麻煩。與酸法地浸一樣，需要加入氧化劑，將四價(jià)鈾氧化成六價(jià)鈾，浸出時(shí)所產(chǎn)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

從上述反應(yīng)式可以看出，生成物都產(chǎn)生強(qiáng)堿NaOH，這會(huì)使溶液隨著反應(yīng)的進(jìn)行，其pH值也隨著升高，而一般正常的浸出的過(guò)程中的pH值為9～10.5左右，當(dāng)pH值過(guò)高時(shí).礦層中已溶解的鈾會(huì)與NaOH反應(yīng)產(chǎn)生再沉淀，因此常常加入NaHCO₃與Na2C0₃配合使用，以調(diào)節(jié)浸液的pH值，產(chǎn)生的碳酸鈉可以繼續(xù)參與反應(yīng)，使反應(yīng)能夠持續(xù)進(jìn)行。

2.3CO₂+0₂地浸法

CO₂+0₂，地浸體系因其不需要加入額外的溶浸劑，所以也稱為中性地浸或無(wú)試劑地浸，CO₂+0₂地浸是堿法地浸采鈾方法的基礎(chǔ)之上而逐漸形成。該體系中的浸出液的pH值基本在6～7之間，呈弱酸性或近中性。其原理大體上與堿法地浸采鈾方法一致，主要是用CO₂和O₂配制溶浸液，通過(guò)注液孔通入CO₂后，形成碳酸氫根離子與地下礦層中含鈾氧化物發(fā)生反應(yīng)，使鈾溶解在浸出液中，而通入O₂主要起氧化作用，將四價(jià)鈾氧化成六價(jià)鈾，浸出液經(jīng)含礦層從抽液孔提升至地表，再送至車間進(jìn)行工藝處理，得到最終產(chǎn)品。有關(guān)浸出化學(xué)反應(yīng)式如下：

從上述反應(yīng)可以看出，CO₂+O₂作為浸出的溶浸劑，其本質(zhì)上與堿法地浸原理大體相同，該方法同樣主要由HCO₃參與浸出，但相比于堿法浸出，通入CO₂ 可以降低溶液的pH值，呈弱酸性。這可以將鈾礦層中的多種碳酸鹽溶解，其溶解反應(yīng)：

地下含鈾礦層中的難溶性碳酸鈣、碳酸鎂與二氧化碳的反應(yīng)，不僅可以轉(zhuǎn)化掉鈾礦層中的難溶性的碳酸鹽，從而提高了地下礦層中的滲透性，又可提供浸出原料HCO₃，很好地向浸出反應(yīng)進(jìn)行，進(jìn)而提高了鈾礦石的浸出率。

3三種地浸方法優(yōu)劣對(duì)比

酸法地浸采鈾最明顯的優(yōu)勢(shì)是鈾浸出速度快，鈾浸出率、提取率高，提取率往往在80%左右，同時(shí)浸出

的時(shí)間、周期也較短。但其所體現(xiàn)的劣勢(shì)也是相當(dāng)明顯，尤其對(duì)所采礦區(qū)的地下水環(huán)境造成很大污染.在后期地下水環(huán)境的處理比較棘手，另外H₂SO₄雖比HNO₃和HC1對(duì)設(shè)備腐蝕性小，但相關(guān)設(shè)備依然需要耐腐蝕;選擇性較差，不如另兩種地浸方法。從酸法地浸采鈾的浸出反應(yīng)式清楚地看出，酸法地浸并不適合開發(fā)含高碳酸鹽的鈾礦床，而我國(guó)在已探明的鈾資源中，砂巖型鈾資源占41.57%，其中低滲透性、高礦化度、高碳酸鹽等這些復(fù)雜砂巖型的鈾資源占70%以上，這些砂巖鈾礦若采用酸法浸出，則耗酸量極大，化學(xué)試劑的成本將大大的增加，其礦層也易發(fā)生堵塞，不利浸出。

堿法地浸采鈾的優(yōu)點(diǎn)在于選擇性好，不與礦層中其它金屬反應(yīng)，設(shè)備也不需耐腐蝕，對(duì)碳酸鹽含量較高的礦床也適合，對(duì)環(huán)境影響較小，治理地下水環(huán)境相對(duì)酸法地浸容易。其缺點(diǎn)是鈾浸出率較低，一般比酸法地浸低5%-10%，浸出速度明顯不如酸法地浸，浸出時(shí)間、周期較長(zhǎng)等。另外，Na₂CO₃和NaHC0₃配合使用作為溶浸劑時(shí)，引入的Na+會(huì)與礦層里的高價(jià)陽(yáng)離子發(fā)生交換層析，粘土發(fā)生膨化，礦層的滲透性也隨著降低，不利鈾浸出。如果選用（NH₄）₂CO₃和NH₄HC0₃作為溶浸劑時(shí)，由于NH才很容易被粘土吸附，給地下水治理帶來(lái)了一定的難度，難以治理，在美國(guó)由于環(huán)保問(wèn)題已停止使用銨鹽作為溶浸劑。

CO₂+O₂：地浸采鈾由堿法地浸逐漸演化而來(lái)，該方法工藝簡(jiǎn)單、流程短，對(duì)采區(qū)地下水環(huán)境污染小，可以避免堿法地浸所引入的Na+或NH4+，明顯降低了地下水環(huán)境治理的難度。對(duì)于開采低品位、低滲透、高碳酸鹽型、高礦化度等非常復(fù)雜的砂巖型鈾礦，采用酸法或堿法浸出的難度均較大，而從CO₂+O₂地浸采鈾反應(yīng)機(jī)理可以看出 同樣適合開采砂巖型鈾礦，既可以防止產(chǎn)生碳酸鈣鎂沉淀，很好地解決了酸法地浸采鈾過(guò)程中的礦層孔隙堵塞問(wèn)題，也可以大大提高可采的鈾資源。另外，CO₂+O₂地浸體系相當(dāng)于無(wú)試劑浸出，這點(diǎn)與酸法、堿法浸出有著很大優(yōu)勢(shì)，可以減少大量的試劑，從而降低了生產(chǎn)成本。不過(guò)，該方法在我國(guó)的應(yīng)用起步較晚，雖發(fā)展較為迅速，但這里面還有很多技術(shù)需要改進(jìn)和掌握，工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還不足，沒有大規(guī)模采用。4地浸采鈾的環(huán)境影響

目前，對(duì)于鈾礦山開采的各種方法中，地浸采鈾是公認(rèn)的較為環(huán)保的采鈾方法，但其所造成的環(huán)境影響也是絕對(duì)不能忽視的。由于溶浸液的注入，使含礦含水層的水質(zhì)發(fā)生變化，故對(duì)環(huán)境影響主要在于礦區(qū)下的地下水。三種地浸采鈾方法因?yàn)槿芙旱牟煌绊懜饔胁煌?。酸法地浸，由于其選擇性差，浸出時(shí)，會(huì)與鈾礦里其他礦物反應(yīng)，增加了地下水的礦化度，同時(shí)使地下水的水質(zhì)變得復(fù)雜，也增加了地下水的酸度。堿法地浸，引進(jìn)的銨根離子和其他離子嚴(yán)重影響了地下水的后續(xù)處理。而CO₂+O₂：地浸沒有注入浸出試劑，只需將氣體溶于液體并注入礦層，對(duì)所采礦區(qū)的地下水影響不大，有著明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

5展望

隨著地浸采鈾工藝的發(fā)展，選擇地浸工藝需要結(jié)合實(shí)際礦山的地質(zhì)條件，較局限于砂巖型鈾礦，對(duì)于花崗巖等硬巖型鈾礦適用的工藝條件暫還不成熟。目前我國(guó)大部分鈾礦山開采還是酸法地浸，但這種方法污染地下水，影響環(huán)境嚴(yán)重，在如今越來(lái)越重視環(huán)保意識(shí)的社會(huì)，鈾礦山開采理應(yīng)淘汰酸法地浸方法。在以后地浸采鈾工藝和方法的研究T作中，單從環(huán)境因素來(lái)看.堿法地浸和CO₂+O₂，地浸會(huì)是未來(lái)鈾礦開采的重點(diǎn)研究方向，而其中CO₂+O₂，地浸采鈾方法可以節(jié)省大量溶浸試劑，低成本少污染，經(jīng)濟(jì)環(huán)保應(yīng)成為研究首選，與酸法、堿法地浸相比，CO₂+O₂地浸采鈾方法對(duì)于開采砂巖型鈾礦資源利用率高，流程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，應(yīng)用前景廣，也可以將這種方法結(jié)合其他地浸方法，以提高CO₂+O₂地浸浸出效率，縮短浸出時(shí)間、周期，確保最大程度地提高經(jīng)濟(jì)效益和保護(hù)礦區(qū)的環(huán)境。同時(shí)需要改進(jìn)地浸鉆孔技術(shù)，如孔底切割套管技術(shù)、孔內(nèi)射孔技術(shù)、水平孔鉆進(jìn)技術(shù)、水力壓裂技術(shù)等，這些先進(jìn)的工藝和技術(shù)可以為解決滲透性弱的砂巖鈾礦床或地表有障礙物（如江、河、文物等）時(shí)的地下鈾礦床的開采問(wèn)題，采用C₂+0₂地浸浸出工藝具有更高效率。