不同地浸采鈾工藝主要元素遷移強(qiáng)度與飽和狀態(tài)研究

吉宏斌，孫占學(xué)，周義朋，陽(yáng)奕漢

(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.新疆中核天山鈾業(yè)有限公司，新疆 伊寧 835000)

原地浸出作為一種有效的鈾資源(尤其是低品位鈾資源)開采技術(shù)，越來(lái)越受到重視并得到廣泛應(yīng)用[1]。該技術(shù)最早于1958年提出，隨后50多年來(lái)在許多國(guó)家，特別是在前蘇聯(lián)得到了廣泛推廣應(yīng)用。2014年地浸采鈾開采的鈾占世界總產(chǎn)量的51%，目前，地浸方法開采鈾的能力與傳統(tǒng)方法基本接近[2]，哈薩克斯坦100%的天然鈾均來(lái)自酸法地浸工藝。2017年，我國(guó)地浸方法開采的天然鈾已占鈾總產(chǎn)量的70%以上[3]。

1 方法

1.1 樣品特性分析

本文樣品均采自新疆某鈾礦床，采用X射線熒光光譜儀(XRF)與X射線衍射儀(XRD)分析所選巖石樣品的主量元素含量及礦物成分。主量元素分析(XRF)結(jié)果顯示，SiO2占81.68%～89.27%，Al2O3占3.82%～10.23%，指示主要造巖礦物是石英和長(zhǎng)石。XRD分析結(jié)果顯示，樣品主要礦物成分為石英，且存在長(zhǎng)石等其他礦物。XRF與XRD分析結(jié)果基本一致。礦石中碳酸鹽含量較高，且分布不均勻，最高達(dá)2.5%(以CO2計(jì))，最低為0.2%。黃鐵礦含量為0.094%～0.225%(平均值0.143%)，F(xiàn)e2+含量為0.86%～1.37%(平均值1.163%)，F(xiàn)e3+含量為0.10%～0.3%(平均值0.149%)。

1.2 試驗(yàn)條件

中性浸鈾試驗(yàn)：將礦石樣品和浸出劑加入高壓釜中密閉，通入CO2調(diào)節(jié)體系pH值在6.0～6.2之間，然后通入體積比為1∶10的CO2+O2混合氣進(jìn)行多次浸出，單次浸出的液固比為2 mL∶1 g。每次試驗(yàn)均浸出3～5次，每次浸出結(jié)束進(jìn)行固液分離后進(jìn)入下一次浸出，當(dāng)浸出鈾濃度較低或不再明顯浸出時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

本文用固相中元素的浸出率或液相中元素所對(duì)應(yīng)的離子濃度表示元素遷移強(qiáng)度。

2.1 中性與酸法遷移強(qiáng)度對(duì)比

酸法浸出實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖1。由圖1可知，酸法浸出時(shí)，浸出液中U、Ca2+、Al3+濃度及渣計(jì)U浸出率隨酸度的逐步增加而升高，U濃度最高達(dá)33.92 mg/L，Ca2+濃度最高達(dá)到654.98 mg/L，渣計(jì)U浸出率最高達(dá)到77.73%。

圖1 酸法浸出各離子濃度隨酸度的變化Fig.1 Variation of ion concentration with acidity during acid leaching

中性試驗(yàn)結(jié)果如下：浸出液中U濃度為27.28 mg/L，渣計(jì)U浸出率為69.51%；Ca2+、Mg2+、Fe3+濃度分別為90.8、55.0、8.9 mg/L，未檢測(cè)到Al3+。

對(duì)比中性浸出與酸法浸出可知：1) 酸法浸出時(shí)，U的遷移強(qiáng)度強(qiáng)于中性浸出；2) Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+中，Ca2+的遷移強(qiáng)度是2種浸出方法中差異性最大的，酸性條件下，Ca2+濃度達(dá)478 mg/L，而中性條件下僅為90.8 mg/L；3) Mg2+在中性及酸性條件下遷移強(qiáng)度基本相當(dāng)，但總體強(qiáng)度均較弱；4) 酸性條件下，F(xiàn)e2+向溶液中大量遷移，中性條件下遷移較弱?？傮w而言，酸法的渣計(jì)U浸出率較高，但其選擇性較差，非目標(biāo)元素濃度均較高；中性浸出則與之相反，渣計(jì)U浸出率較低，而選擇性較好[15-16]。

2.2 中性與堿法遷移強(qiáng)度對(duì)比

圖2 堿法浸出各離子濃度隨酸度的變化Fig.2 Variation of ion concentration with acidity by alkaline leaching

對(duì)中性及堿法工藝試驗(yàn)中U濃度，渣計(jì)U浸出率及Ca、Mg、Fe元素的遷移進(jìn)行對(duì)比分析可知：1) 堿法與中性浸出時(shí)，U的遷移強(qiáng)度基本相同；2) 中性浸出試驗(yàn)中Ca2+、Mg2+的遷移強(qiáng)度大于堿法浸出試驗(yàn)，這是由于在中性浸出試驗(yàn)中，CO2氣體加入后使浸出體系呈弱酸性，對(duì)碳酸鹽等礦物的溶解作用加強(qiáng)；3) 堿法與中性浸出試驗(yàn)中，F(xiàn)e3+、Al3+等的遷移較弱。

3 礦物飽和狀態(tài)分析及討論

3.1 酸法浸出液的飽和-沉淀狀態(tài)

表1 酸法浸出試驗(yàn)時(shí)浸出液中碳酸鈣和硫酸鈣飽和指數(shù)Table 1 Saturation index of calcium carbonate and calcium sulfate (SI) in acid leaching test

(1)

SI碳酸鈣計(jì)算公式如下：

(2)

酸法浸出試驗(yàn)中SI碳酸鈣-pH值的關(guān)系示于圖3，可見SI碳酸鈣與pH值呈正相關(guān)關(guān)系，pH值超過(guò)7.1時(shí)，碳酸鈣過(guò)飽和。

圖3 酸法浸出試驗(yàn)中SI碳酸鈣-pH值的關(guān)系Fig.3 Relation between saturation index of calcium carbonate with pH in acid leaching test

圖4 酸法試驗(yàn)中SI硫酸鈣-Ca2+濃度的關(guān)系Fig.4 Relation between saturation index of calcium sulfate with Ca2+ in acid leaching test

中性浸出試驗(yàn)中碳酸鈣、硫酸鈣飽和指數(shù)與pH值的關(guān)系示于圖5。由圖5可見，pH值控制在6.6以下時(shí)，SI碳酸鈣為負(fù)，即未發(fā)生沉淀，高于該值碳酸鈣均發(fā)生了飽和沉淀，SI硫酸鈣均為負(fù)值，表明試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)生飽和沉淀。

圖5 中性浸出試驗(yàn)中SI碳酸鈣、SI硫酸鈣與pH值的關(guān)系Fig.5 Relation between SI of calcium carbonate and calcium sulfate with pH in neutral leaching test

3.2 堿法浸出液的飽和-沉淀狀態(tài)

表2 堿法浸出試驗(yàn)中的SI碳酸鈣Table 2 Saturation index of carbonate in alkaline leaching test

4 元素遷移強(qiáng)度和飽和狀態(tài)實(shí)例分析

1——S101單元，微酸；2——S106單元，微酸；3——S202單元，中性；4——S203單元，中性圖6 微酸與中性浸出工藝下主要元素遷移強(qiáng)度對(duì)比Fig.6 Migration strength of main element in weak-acid and neutral leaching

1——S101單元，微酸；2——S106單元，微酸；3——S202單元，中性；4——S203單元，中性圖7 碳酸鈣、硫酸鈣的飽和指數(shù)與pH值的關(guān)系Fig.7 Relation between SI of calcium carbonate and calcium sulfate with pH value

5 結(jié)論

1) 酸法浸出過(guò)程中各元素的遷移強(qiáng)度明顯強(qiáng)于中性與堿法浸出，酸法室內(nèi)試驗(yàn)中Ca2+的濃度達(dá)478 mg/L，是中性浸出的5.2倍，F(xiàn)e3+濃度達(dá)84.28 mg/L，是中性浸出的10倍；堿法與中性浸出相比，U的遷移強(qiáng)度基本相當(dāng)，因CO2的影響，中性浸出中Ca與Mg的遷移強(qiáng)度大于堿法浸出的，F(xiàn)e和Al元素遷移均較弱，F(xiàn)e3+濃度最高僅為8.9 mg/L，而Al3+濃度最高為0.44 mg/L。

3) 對(duì)于碳酸鹽含量高的鈾礦床，酸法及堿法均不宜采用，CO2+O2中性浸出工藝為首選，控制浸出液pH值在6.6以下可避免碳酸鈣沉淀，確保鈾的正常浸出。