從鈾鈹浮選尾礦中回收鈾的工藝研究

葉開凱,蘇學(xué)斌,梁耕宇,張佳宇,馬 嘉,舒祖駿,康紹輝,周志全,任 燕

(1.核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149;2.中國鈾業(yè)有限公司,北京 100013)

隨著核電快速發(fā)展,天然鈾消耗量快速增長,從非傳統(tǒng)資源中綜合回收鈾成為保證天然鈾供應(yīng)的有效途徑之一[1-2]。非傳統(tǒng)鈾資源是指低品位鈾資源或作為次要副產(chǎn)品回收的鈾資源,鈾鈹伴生礦即是一種重要的非傳統(tǒng)鈾資源。

通常采用“浮選—浸出—鈹回收”工藝從鈾鈹伴生礦提取鈹[3-7];但現(xiàn)階段鈹浮選過程對鈾的富集效果不明顯,鈹尾礦中的鈾含量較高,尾礦放射性超標(biāo)。在鈾鈹?shù)V提取工藝流程中接入從浮選尾礦中提取鈾的環(huán)節(jié),可以回收鈾組分,且能有效降低尾礦的放射性物質(zhì)含量,實現(xiàn)有價組分的綜合回收。

針對常規(guī)鈾礦的浸出研究較多[8-11],但對于鈾鈹?shù)V中鈾的回收研究主要集中在鈾的浸出研究方面[12-15],對鈾鈹分離的研究較少。為此,針對新疆某鈾鈹浮選尾礦進行鈾浸出條件和回收工藝研究,在高效浸出鈾的同時,減少鈹?shù)慕?同時研究浸出液中的鈾鈹分離問題,為從鈾鈹尾礦中回收鈾提供支撐。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及試劑

試驗原料取自新疆某礦床鈾鈹浮選尾礦,是鈾鈹原礦經(jīng)破磨至-0.045 mm>93%,并進行鈹?shù)V物浮選后得到的鈹尾礦樣品,其主要化學(xué)組成見表1。鈹尾礦中U質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.18%,BeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07%。

試驗試劑:硫酸、NaCl,均為分析純;試驗用水為蒸餾水。

表1 試驗原料主要化學(xué)組成

1.2 試驗設(shè)備

場發(fā)射掃描電子顯微鏡(德國ZEISS),Quantax 200 Xflash能譜儀(德國Bruker),IKEA電磁攪拌器(德國IKEA),雷氟BT100S型蠕動泵(保定雷氟),伊爾姆MPC-1201E型真空泵(德國伊爾姆),干燥箱(上海林頻),離子交換柱(北京欣維爾玻璃儀器,φ10 mm)。

1.3 試驗方法

對浮選鈹尾礦進行工藝礦物學(xué)研究,以工藝礦物學(xué)研究結(jié)果指導(dǎo)浸出過程。根據(jù)尾礦中鈾的性質(zhì),采用硫酸浸出,在浸出試驗中考察加酸量、浸出時間、浸出溫度以及液固體積質(zhì)量比對鈾浸出率的影響。試驗中分別取50 g尾礦,加入不同濃度的硫酸溶液,機械攪拌后通過抽濾進行固液分離,獲得浸出液;采用10 g/L硫酸溶液盤洗濾餅后,得到浸出渣。

采用離子交換法回收浸出液中的鈾。以該浸出液作為吸附原液,將50 mL 201×7樹脂裝入離子交換柱中,控制接觸時間30 min,每BV吸附尾液取樣1次,分析并制作鈾吸附曲線。對鈾飽和樹脂,采用傳統(tǒng)淋洗工藝參數(shù)進行淋洗驗證試驗,淋洗劑為10 g/L H2SO4+1 mol/L NaCl溶液,接觸時間30 min,每BV淋洗液取樣1次,分析并制作鈾淋洗曲線。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 鈹尾礦工藝礦物學(xué)研究

采用Bruker Quantax 200 Xflash能譜儀對鈹尾礦的礦物類型進行觀察(圖1)。利用AMICS-Mining礦物參數(shù)自動定量分析系統(tǒng)對具體礦物組成進行分析(表2)。

鈹尾礦中的羥硅鈹石質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.17%,鈾礦物以硅鈣鈾礦為主,其次為瀝青鈾礦;脈石礦物以長石、石英為主,含少量伊利石和綠泥石等黏土礦物。

圖1 鈹尾礦礦物類型分布

表2 鈹尾礦礦物組成

2.1.1 硅鈣鈾礦

硅鈣鈾礦(CaH2(UO2)(SiO3OH)2·5H2O)是鈹尾礦中的主要鈾礦物,在鈹尾礦中硅鈣鈾礦多呈不規(guī)則粒狀、浸染狀、針狀集合體分布,粒徑多在10～40 μm(圖2)。其單體解離度接近30%,其余多與長石或黏土礦物共生,少量與石英、硬錳礦及羥硅鈹石共生。

(a)硅鈣鈾礦(Urt)顆粒裂縫充填螢石脈(Fluo);(b)硅鈣鈾礦(Urt)包裹硬錳礦(Psr),裂縫充填伊利石(Ill);(c)浸染狀硅鈣鈾礦(Urt)嵌布于鉀長石(Kp)、石英(Q)、鈉長石(Ab)等脈石礦物中;(d)硅鈣鈾礦(Urt)單顆粒。

2.1.2 瀝青鈾礦

瀝青鈾礦粒徑多為10～40 mm,其單體解離度約35%,多呈不規(guī)則粒狀分布(圖3),部分與長石、石英以及黏土礦物共生,關(guān)系密切。

圖3 瀝青鈾礦(Ura)背散射圖像

鈹尾礦工藝礦物學(xué)分析結(jié)果表明,鈾主要以獨立鈾礦物形式存在,易被硫酸浸出;尾礦中含有少量鈹,鈹以羥鈹硅石存在,不易被浸出。

2.2 鈾浸出條件試驗

2.2.1 浸出酸濃度的影響

采用常規(guī)酸法攪拌浸出方法,在浸出溫度20 ℃、液固體積質(zhì)量比為1.5 L/kg、浸出時間4 h條件下,考察了酸濃度為1.63%～15.00%時,酸濃度對鈹尾礦鈾浸出效果的影響,結(jié)果見表3?？梢钥闯?隨酸濃度增高,鈾浸出率增高,浸出液pH降低;當(dāng)酸濃度達到5.00%時,鈾浸出率達94%以上;當(dāng)酸濃度為10.00%以上時,鈾浸出率能穩(wěn)定達到95%。在酸濃度為15.00%時,鈹浸出率僅有7.14%,采用常規(guī)酸法浸出鈾時鈹?shù)慕雎瘦^低。綜合浸出液余酸及浸出率,浸出酸濃度以5.00%為宜。

表3 酸濃度對鈹尾礦鈾浸出效果的影響

2.2.2 浸出時間的影響

在浸出溫度20 ℃、液固體積質(zhì)量比為1.5 L/kg、酸濃度5.00%條件下,考察了浸出時間為2、4、8 h時,浸出時間對鈾浸出率的影響,結(jié)果見表4?？梢钥闯?浸出時間對尾礦中鈾的浸出率影響不大,浸出時間為4 h時,浸出率已達94.02%;增加浸出時間并不能明顯提升鈾浸出率,且鈹浸出率較穩(wěn)定。因此,浸出時間以4 h為宜。

表4 浸出時間對鈹尾礦鈾浸出效果的影響

2.2.3 浸出溫度的影響

在液固體積質(zhì)量比為1.5 L/kg、酸濃度5.00%、浸出時間4 h條件下,考察了浸出溫度為20、60、95 ℃時,浸出溫度對鈾浸出率的影響,結(jié)果見表5。可以看出,浸出溫度對尾礦中鈾的浸出率影響不大,浸出溫度為20 ℃時,浸出率已達94.02%;增加浸出溫度雖然能夠提高浸出率,但提升幅度并不大,而且鈹浸出率隨浸出溫度升高有所提升。因此,浸出溫度以20 ℃為宜。

表5 浸出溫度對鈹尾礦鈾浸出效果的影響

2.2.4 液固體積質(zhì)量比的影響

在浸出溫度20 ℃、酸濃度5.00%、浸出時間4 h條件下,考察了液固體積質(zhì)量比分別為1.5、3.0 L/kg時,液固體積質(zhì)量比對鈾浸出率的影響,結(jié)果見表6。可以看出液固體積質(zhì)量比對尾礦中鈾的浸出率影響不大。為了得到高鈾濃度的浸出液,液固體積質(zhì)量比以1.5 L/kg為宜。

表6 液固體積質(zhì)量比對鈹尾礦浸鈾的影響

綜上所述,采用濃度為5.00%的硫酸溶液對鈹尾礦進行常規(guī)酸法攪拌浸出,在液固體積質(zhì)量比1.5 L/kg、浸出溫度20 ℃、浸出時間4 h條件下,鈾的浸出率達94.02%,鈹?shù)慕雎手挥?.42%,可初步實現(xiàn)鈾鈹分離。

2.3 離子交換提鈾試驗

2.3.1 吸附試驗

上述浸出條件得到的鈾浸出液澄清透明,其中鈾質(zhì)量濃度為1.32 g/L,鈹質(zhì)量濃度為13.5 mg/L。以該浸出液為吸附原液,以201×7樹脂為吸附樹脂,進行吸附提鈾試驗,接觸時間為30 min,試驗結(jié)果見圖4?？梢钥闯?201×7樹脂吸附鈾的效果好,吸附飽和體積為41 BV;以吸附尾液鈾質(zhì)量濃度10 mg/L為穿透點,穿透體積為15 BV,飽穿比為2.7。飽和樹脂中w(U)為53.5 mg/g干樹脂,w(Be)為203 μg/g干樹脂,飽和樹脂中鈹含量非常低。

圖4 201×7樹脂鈾吸附曲線

2.3.2 淋洗試驗

將2.3.1得到的鈾飽和樹脂,用10 g/L H2SO4+1 mol/L NaCl溶液淋洗,接觸時間30 min。淋洗結(jié)果見圖5。

圖5 201×7飽和樹脂鈾淋洗曲線

從圖5可知,第2、3 BV淋洗液中的鈾質(zhì)量濃度分別為8.58、8.03 g/L,5 BV淋洗液可實現(xiàn)全部淋洗。淋洗后貧樹脂中w(U)為0.07 mg/g干樹脂。若取前4 BV淋洗液作為合格液,合格液鈾質(zhì)量濃度為5.46 g/L;若取第2～4 BV淋洗液作為合格液,合格液鈾質(zhì)量濃度達6.79 g/L,鈹質(zhì)量濃度僅為89.3 μg/L。

研究表明,通過離子交換可實現(xiàn)鈾的回收,同時達到鈾鈹進一步分離的效果。

3 結(jié)論

在鈾鈹伴生礦的鈹浮選尾礦中,鈾主要以獨立鈾礦物形式存在,易被硫酸溶液浸出;而鈹以羥鈹硅石存在,不易被浸出。在浸出酸濃度5.00%、液固體積質(zhì)量比1.5 L/kg、浸出溫度20 ℃、浸出時間4 h條件下,尾礦中鈾的浸出率達94.02%。采用201×7樹脂吸附、10 g/L H2SO4+1 mol/L NaCl溶液淋洗,可從浸出液中回收鈾,同時實現(xiàn)鈾鈹分離。