地浸终采残留液对某砂岩型铀矿的浸出性能研究

2020-05-25雷宗宇仇月双蒋宇红吕俊文戈玉华

铀矿冶 2020年2期

雷宗宇，仇月双，蒋宇红，吕俊文，戈玉华

(1.南华大学资源环境与安全工程学院，湖南衡阳 421001；2.核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

“十二五”期间，中国已发现一批超大型、特大型砂岩型铀矿，如鄂尔多斯盆地的大营铀矿[1]、纳岭沟铀矿[2]、伊犁盆地的洪海沟铀矿[3-4]。中国地浸采铀已步入快车道，其中蒙其古尔、巴彦乌拉、纳岭沟等天然铀产能重点项目均采用地浸工艺开采或试验，占据着天然铀生产的主导地位。按照溶浸剂的类型，地浸生产主要分为酸法、碱法、中性、生物等浸出。在酸法地浸中，浸出剂为强酸性，化学性质活泼，其在浸出铀的同时，将其他杂质也一并浸出[5]，在地浸采铀单元终采结束后仍然残留了地浸浸出液(简称终采残留液)。

终采残留液为酸性，铀质量浓度约为5 mg/L，终采残留液的成分决定了其可以直接或间接作为溶浸剂用在新采场中。若对终采残留液处理不当，将导致地层化学环境变化，并随着地下水的流动而扩大污染范围[6]；而将残留液复用至新采场不但能减轻终采场地下水修复压力，而且可为新采场节约生产成本。为此，笔者通过室内试验研究了残留液对含矿岩芯铀的浸出性能，并开展了残留液对含矿岩芯的铀浸出动力学研究，以期为酸法地浸残留液在地浸采铀中的复用提供参考。

1 试验部分

1.1 试验仪器与试剂

主要试验仪器：标准检验筛，ZS350，新乡东源机械；pH计，PHSJ-3F，上海雷磁(其25 ℃下ORP值为256±15 mV)；恒温水浴搅拌器，SHJ-6C，金坛美特；无油真空泵，MPC301Z，伊尔姆；电感耦合等离子体质谱仪，NexION350X型；六联电动搅拌器；恒温培养摇床，YC-R50；电热恒温干燥箱，WHLL-65BE，天津泰斯特；行星式四桶研磨机，XLXPM-φ100×4，武汉恒乐。

主要试验试剂：98%浓硫酸(AR)；30%双氧水(AR)；无水硫酸铁(AR)。

1.2 铀矿石

1.2.1 铀矿石组成分析

试验用的铀矿石采于内蒙某地浸铀矿山，岩性以灰色粗砂岩为主，扫描电镜分析如图1所示。

a—独居石；b—黄铁矿；c—石英、高岭土和钾长石；d—铀矿物。图1 铀矿物电镜扫描分析结果

铀矿石样品中铀的赋存形式有铀矿石、吸附态铀和含铀矿物，其中主要的矿物有石英、钾长石、闪锌矿、金红石、独居石、高岭土和黄铁矿等。铀矿物以钍石为主，含铀矿物主要为独居石，吸附态铀则主要存在于高岭石和磷灰石中，其含量较低。

1.2.2 矿石中铀的赋存状态和含量

电子探针对铀矿石的分析结果见表1。铀主要以铀钍石和吸附于黏土矿物的铀氧化物的形式存在，矿石周围包裹着黏土矿物和石英。铀矿石中SiO2含量较高，Al、Mg、Ca、Fe的含量较低，耗酸较低。从电子探针分析结果来看，此矿石有利于酸法浸出。

表1 铀矿物主要成分的质量分数 %

1.2.3 含矿岩芯的XRF分析

将破磨的岩芯进一步进行X荧光分析，结果见表2。可以看出，矿样中石英含量为63.9%，氧化铝和氧化铁含量分别为20.3%和1.1%。此外矿样中氧化钙和氧化镁含量只有1.0%，耗酸矿物少，因此采用酸法浸出。

表2 XRF岩芯分析结果 %

1.2.4 岩芯粒径铀含量分布

对含矿岩芯用木锤破磨，采用质谱分析5个粒度级别中的铀含量，结果见表3。可以看出，不同粒度级别的岩芯其铀含量不同，其中+18目矿样质量占总矿样的23.98%，铀含量占总矿石铀含量的55.17%；18～50目粒径的矿样质量占总矿样的37%，而铀含量仅占矿石铀总含量的17.66%。表3表明提高粒径+18目矿样铀的浸出率对提高整个铀岩芯的总铀浸出率具有重要意义。

表3 不同粒度级别中铀的含量分布

1.3 地浸残留液

为比较残留液与矿层水的差异，采集残留液的同时也采集了矿层水，其中地浸残留液由内蒙某地浸采铀矿山的浸出液配制而成，地下水为该处非地浸地下水，分析结果见表4。

表4 水样化学分析结果

1.4 试验方法

为选择最佳浸出工艺条件，针对各影响因素，分别进行静态浸出工艺条件试验。称量经木锤破碎的含矿岩芯样品于锥形瓶中，加入配制好的溶液，在固液比1∶5 g/mL(矿样50 g，溶液250 mL)、转速250 rpm下，于25 ℃下搅拌或震荡48 h后，过滤、测量滤液体积，采用美国PerkinElmer的NexION 350X型电感耦合等离子质谱仪分析滤液中铀含量。试验进行3次，取其平均值计算液计铀浸出率。液计铀浸出率的计算公式为

(1)

式中：η—铀的浸出率，%；ρ1—浸出液铀质量浓度，mg/L；ρ2—残留液铀质量浓度，mg/L；V1—浸出液体积，mL；V2—残留液体积，mL；m—浸出前样品的质量，g；w—样品中铀的含量，mg/g。

2 试验结果与讨论

2.1 硫酸加入量对铀浸出率影响

分别称取50 g铀矿样加入到6个盛有250 mL残留液的锥形瓶中；再在每个锥形瓶中分别添加浓硫酸0.00、0.28、0.70、1.40、2.10、4.20 mL，使得其质量浓度增加量分别为0、2、5、10、15、30 g/L；然后将其放置在恒温摇床中，经震荡后过滤，分析清液中的铀含量，取其平均值计算铀的浸出率。硫酸加入量对浸出率影响如图2所示。

图2 硫酸质量浓度增加量对铀浸出率的影响

从图2可知：试验范围内，硫酸的加入量对铀的浸出率影响不大；加入30 g/L浓硫酸时，浸出率为61.37%；而模拟残留液中硫酸质量浓度为8.66 g/L，铀的浸出率为52.66%。通常随着浸出液中酸浓度的提升，铀的浸出率会提升[8]；但因残留液中自身含有较高的酸浓度，且在残留液中加入硫酸后浸出效果并不显著，因此后续在残留液配制浸出剂时不加硫酸。

2.2 氧化剂加入量对铀浸出率的影响

为了强化铀的浸出，试验中分别加入了氧化剂H2O2与Fe2(SO4)3。称取50 g矿样,加入模拟残留液250 mL，其中一组加入双氧水，使得溶液中的H2O2质量浓度分别为0.0、0.2、0.5、0.8、1.0 g/L；另一组加入Fe2(SO4)3，使得溶液中的Fe2(SO4)3质量浓度分别为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 g/L，震荡反应48 h。试验结果如图3、4所示。

图3 双氧水质量浓度对铀浸出率的影响

图4 硫酸铁质量浓度对铀浸出率的影响

从图3可看出：随着H2O2质量浓度的增加，浸出率呈缓慢上升趋势；当双氧水加入量为1.0 g/L时，铀浸出率达到67.98%。残留液配制浸出剂时，双氧水加入质量浓度以1.0 g/L为宜。

从图4可看出：随着Fe2(SO4)3质量浓度的增加，浸出率变化不明显。结合水样全元素分析中的Fe含量，对比2组氧化剂加入试验，模拟残留液中含有1.59 g/L 3价铁和双氧水，总体上看，其Eh值相差不大且均高于550 mV，符合酸法浸出的重要条件[9]。加入Fe2(SO4)3作为氧化剂，效果不如加入H2O2的一组，可能是因为残留液本身就含有一定量的Fe，致使新加入Fe对浸出的影响较小。因此配置残留液浸出矿物时，选用H2O2作为浸出氧化剂。