史維浚， 周義朋， 孫占學(xué)， 劉金輝

(東華理工大學(xué)鈾礦冶與環(huán)境研究所， 江西 南昌 330013)

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硬巖鈾礦快速高效微生物池浸方法

史維浚， 周義朋， 孫占學(xué)， 劉金輝

(東華理工大學(xué)鈾礦冶與環(huán)境研究所， 江西 南昌 330013)

與傳統(tǒng)的酸法浸鈾方法相比，微生物浸鈾具有浸鈾強(qiáng)度高、浸鈾速度較快以及浸出液鈾濃度較高的優(yōu)勢(shì)，但在微生物堆浸浸鈾實(shí)踐中較普遍存在不同程度的鐵沉淀板結(jié)，為解決這一難題，采用某硬巖鈾礦山的粒度10 mm左右、品位為0.281%鈾礦石開展了池式微生物浸鈾方法試驗(yàn)研究，改堆浸方式為池浸，采用體外繁殖浸鈾細(xì)菌以生產(chǎn)菌液，并將傳統(tǒng)的微生物堆浸的酸化、植菌、浸鈾三個(gè)階段合為酸性菌液浸鈾一個(gè)階段。渣計(jì)鈾品位0.025%，渣計(jì)浸出率89.56%，平均鈾濃度137 mg/L，最高鈾濃度2 560 mg/L，浸鈾時(shí)間48 d，耗酸量7.37%，浸鈾總液固比8.93。該方法解決了浸出過程中的鐵沉淀板結(jié)難題，并有效縮短了浸鈾回次周期。

硬巖鈾礦；微生物浸鈾；鐵沉淀；礦石板結(jié)；池浸

史維浚，周義朋，孫占學(xué)，等.2015.硬巖鈾礦快速高效微生物池浸方法[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，38(4)：369-374.

Shi Wei-jun,Zhou Yi-peng,Sun Zhan-xue,et al.2015.A kind of quick and efficient sink bio-leaching technology for hard rock type uranium mine[J].Journal of East China Institute of Technology (Natural Science), 38(4)：369-374.

隨著核電能源的發(fā)展，對(duì)鈾資源量的要求將會(huì)超越目前的開發(fā)水平。提高鈾礦水冶能力需要做好相應(yīng)的準(zhǔn)備。在從鈾礦石中獲得U3O8黃餅的總成本中，75%被花費(fèi)在對(duì)礦石的溶浸以獲得含鈾的浸出液，因而對(duì)低品位鈾資源的開發(fā)而言，尋求一種廉價(jià)的溶浸工藝的重要性不言而喻。微生物浸鈾技術(shù)隨著發(fā)展經(jīng)濟(jì)可行的低品位鈾礦處理工藝的需求應(yīng)運(yùn)而生，并成為金屬采礦工藝一種新工藝(Akcil,2004；Mooh-Sung et al.,2005; Mishra et al.,2005)。近年來我國(guó)鈾礦采冶加強(qiáng)了研究和推廣應(yīng)用微生物技術(shù)，已初顯效果，但也有許多需要改進(jìn)提高的地方。根據(jù)東華理工大學(xué)近年來在鈾礦微生物溶浸方面的研究和試驗(yàn)成果(劉亞潔等，2005a，2005b，2006；孫占學(xué)等，2012；李江等，2012a,2012b,2012c；Zhou et al.,2013；周義朋等，2014；Liu et al.,2009a,2009b,2010;Sun et al.,2010)，本文提出一種新的微生物冶鈾技術(shù)——快速高效池式微生物浸鈾方法，主要介紹該方法法的要點(diǎn)，說明其優(yōu)點(diǎn)，并闡明該法的原理依據(jù)。

1 當(dāng)前微生物堆浸鈾礦工作中的問題

微生物浸鈾主要是利用微生物將礦石中的黃鐵礦(或人為添加黃鐵礦、硫酸亞鐵)氧化生成大量具備強(qiáng)氧化性的Fe3+，在酸性條件下將難溶的低價(jià)鈾氧化成易溶的六價(jià)鈾，從而將鈾從礦石中浸出(Munoz et al.,1995；Pal et al.,2010；Rohwerder et al.,2003)。近年來，我國(guó)分別陸續(xù)開展了硬巖鈾礦微生物堆浸和砂巖鈾礦微生物地浸技術(shù)研究，在微生物浸鈾技術(shù)領(lǐng)域的研究取得了較大的進(jìn)展，無論是室內(nèi)試驗(yàn)還是野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，微生物浸鈾方法都顯現(xiàn)出浸鈾強(qiáng)度較一般酸法浸鈾高、浸出液的鈾濃度也有明顯的提高、浸鈾速度較快等優(yōu)點(diǎn)。但是在微生物堆浸浸鈾工作中也出現(xiàn)一些問題，主要表現(xiàn)為較普遍地在不同程度上存在鐵的沉淀堵塞問題。盡管在操作方面基本執(zhí)行了微生物浸鈾的工藝條件要求，但還是觀察到有局部鐵堵現(xiàn)象。

鐵板結(jié)會(huì)影響到堆浸工作的正常進(jìn)行，主要表現(xiàn)在鐵堵塞造成浸堆的滲透性減弱和鈾礦物被包裹影響鈾資源的回收率。為了處理鐵的沉淀板結(jié)，工程實(shí)踐中需要采用強(qiáng)酸進(jìn)行溶蝕，但這不僅造成酸耗增高、打亂工程的正常操作以及浸鈾周期的延長(zhǎng)，而且形成的過低pH介質(zhì)將影響氧化槽生產(chǎn)菌液和吸附塔的工作條件。因此傳統(tǒng)的微生物堆浸采鈾的工作方法需要改進(jìn)。

2 快速高效微生物池浸采鈾方法及其依據(jù)

為了解決微生物堆浸采鈾過程中的鐵沉淀板結(jié)問題，并提高浸鈾效率，提出了快速高效微生物池浸方法。該方法主要特點(diǎn)包括：①采用礦堆體外繁殖浸鈾細(xì)菌和生產(chǎn)浸鈾菌液；②改堆浸以菌液噴淋礦石的方式為在池(槽)中以菌液浸泡礦石；③將傳統(tǒng)的微生物選冶鈾的3階段改為1階段，即將酸化、殖菌、菌液浸鈾3個(gè)階段合并為酸性菌液浸鈾1個(gè)階段；④縮短浸鈾單回次周期，改1天1回次為2回次。具體方法及其依據(jù)詳述如下。

2.1 礦堆體外繁殖浸鈾細(xì)菌和生產(chǎn)菌液工藝

體外繁殖細(xì)菌和生產(chǎn)菌液的微生物冶金工藝是指在礦堆外的氧化槽內(nèi)培養(yǎng)細(xì)菌和生產(chǎn)菌液，然后將成熟菌液引入浸礦體系中，達(dá)到將目標(biāo)元素選冶出的目的。氧化亞鐵硫桿菌和氧化硫硫桿菌都只能在氧化環(huán)境中生長(zhǎng)繁殖，而鈾礦一般在還原帶中形成和保存，礦石的還原容量較大(氧化物質(zhì)消耗較多)，因此只有當(dāng)?shù)V石體系由還原環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槟撤N程度的氧化環(huán)境時(shí)，才有利于細(xì)菌在礦石體系中繁殖、工作。加上鈾礦石的黃鐵礦含量一般在10-3～10-2數(shù)量級(jí)，比在銅、金礦中的含量少許多，因此體內(nèi)植菌這個(gè)階段占用時(shí)間較長(zhǎng)，往往需要1～2個(gè)月。因此不如就采用體外繁殖細(xì)菌的微生物冶金方法，在氧化槽中獨(dú)立生產(chǎn)菌液，使繁殖細(xì)菌與浸礦同時(shí)進(jìn)行，這樣可以縮短浸鈾工程的周期。這種方法在投入生產(chǎn)以后，材料成本很低，因?yàn)榈V石中的黃鐵礦能產(chǎn)生足夠用的亞鐵和部分浸礦所需的硫酸。關(guān)鍵在于提高氧化槽菌液生產(chǎn)效率的工藝技術(shù)。

2.2 改噴淋堆浸為池浸

堆浸過程中難以避免和解決的鐵板結(jié)問題，主要是由于酸化成熟前，堆內(nèi)的酸化程度不均勻，堆的上部酸化快、下部酸化慢，當(dāng)上部基本酸化好了、下部的礦石還保留一定的堿性時(shí)，從上部下滲的含鐵酸液其進(jìn)入下部時(shí)，pH回升，三價(jià)鐵水解沉淀，因此鐵板結(jié)程度在底部強(qiáng)，這是較普遍的現(xiàn)象。黃鐵礦的分布以及噴淋液的入滲都存在不均勻性，造成堆內(nèi)鐵板結(jié)呈不均勻的團(tuán)塊狀分布。

池浸工藝中，由于礦石浸泡在酸液中，礦石能與酸液充分均勻接觸，酸化較均勻，工藝操作得當(dāng)可以基本消除鐵沉淀板結(jié)的危害。堆浸噴淋液運(yùn)動(dòng)屬于包氣帶的形式，它是不飽和狀態(tài)，難免有不均勻的地方。池浸是飽水的，因此水巖作用比堆浸要均勻得多。因此，將堆浸改為池浸可以使鐵板結(jié)的問題得到較好的解決。堆浸只能在出口觀測(cè)浸出液的pH，堆浸的pH過程曲線是由高到低的，而堆內(nèi)酸化是不均勻的，所以工作中很難控制鐵不發(fā)生沉淀板結(jié)。由于池浸是飽水的，因此可以在池內(nèi)預(yù)埋電極觀測(cè)工作液的pH值，觀測(cè)到的pH歷時(shí)曲線是由低到高的，因此可以在工作液的pH值上升到防止鐵沉淀的邊界值以前，及時(shí)更換新的溶浸液。從而在操作工作中可以控制住避免發(fā)生鐵沉淀。圖1為采用相山鈾礦石進(jìn)行的兩次池浸試驗(yàn)的礦渣。

在YJ3微生物池浸浸鈾試驗(yàn)過程中由于pH一直控制在1.8以下，因此沒有見到鐵沉淀，圖中紅色為原礦的紅化礦石，至浸鈾結(jié)束，礦渣很松散，沒有見到泥質(zhì)包裹物。

池浸的液固比較大，可達(dá)到0.12～0.14，因此酸化浸鈾速度較快。

2.3 酸化、植菌、浸鈾同步進(jìn)行

由于池浸方式可以較好控制工作體系內(nèi)的pH狀態(tài)，可以將鐵保留在浸礦體系工作液內(nèi)而不會(huì)發(fā)生沉淀，因此，在池浸過程中可以實(shí)施帶菌酸化，即根據(jù)預(yù)先確定礦石的酸化率，采用加入足夠硫酸的菌液對(duì)礦石進(jìn)行酸化，實(shí)現(xiàn)酸化和浸鈾的同步進(jìn)行，可在浸鈾的第1回次就能出現(xiàn)鈾濃度峰值。這種將酸化、植菌和浸鈾3個(gè)階段合并同時(shí)進(jìn)行的工藝，可大幅度縮短浸鈾周期。

圖1 第一次(左)和第二次(右)浸鈾結(jié)束時(shí)的渣樣Fig.1 The slag of the first and the second leaching experiment

將酸化、植菌和浸鈾3個(gè)階段合并進(jìn)行，意味著在浸出初期就采用了最強(qiáng)的溶浸條件，而此時(shí)礦石中的鈾量最多，因此浸鈾效率和效益都是最好的。創(chuàng)造最好的浸鈾條件，將應(yīng)能浸出的鈾盡可能盡早浸出，這是提高浸鈾效率的關(guān)鍵。采用這種方式，還可以有效降低礦石溶浸過程中的新生物質(zhì)沉淀對(duì)鈾礦物的包裹，因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，可能發(fā)生一些新生物質(zhì)的沉淀對(duì)鈾礦物形成的包裹會(huì)逐漸增加，而一般被包裹的鈾是很難被再浸出，這就是所謂的“夜長(zhǎng)夢(mèng)多”。

堆浸的浸鈾過程曲線是一條不對(duì)稱的正態(tài)曲線，池浸的浸鈾過程曲線是一條符合衰變規(guī)律的對(duì)數(shù)曲線(圖2)，這說明了可以用對(duì)數(shù)曲線來描述浸鈾過程，這將更有利于將有關(guān)數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到池浸冶鈾的工作中，為自動(dòng)化奠定基礎(chǔ)。

圖2 快速高效池浸工藝第一次可行性試驗(yàn)浸鈾進(jìn)程圖Fig.2 The leaching progress of first feasibility experiment applying quick and effective sink leaching technology

2.4 縮短浸鈾單回次周期

在快速高效池浸工藝第一次可行性試驗(yàn)中對(duì)鈾浸出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了觀測(cè)，結(jié)果證明鈾被三價(jià)鐵還原氧化然后被硫酸溶解的速度較快，一般在8 h內(nèi)就可以達(dá)到浸出濃度曲線的拐點(diǎn)，見圖3、圖4和表1。

前面已提及將酸化、植菌、浸鈾三階段合并為一個(gè)階段，這可以縮短浸鈾工程的周期。鑒于鈾被三價(jià)鐵氧化然后被硫酸溶解的速度較快，可將浸鈾1天1回次進(jìn)一步縮短為1天2回次，將進(jìn)一步加快浸鈾進(jìn)程。

圖3 單回次鈾濃度隨時(shí)間增長(zhǎng)曲線Fig.3 The time profiles of dissolved uranium concentration in leaching rounds

圖4 鈾濃度增長(zhǎng)曲線拐點(diǎn)的平均時(shí)間Fig.4 The average time for dissolved uranium concentration to get inflexion point

Table 1 The time for dissolved uranium concentration to get stable stage h

3 鈾礦石微生物池浸試驗(yàn)實(shí)例及結(jié)果

3.1 鄒家山礦石池浸試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)條件

礦石：采用鄒家山鈾礦石，試樣重量30 kg、桶徑40 cm，試樣高度20 cm，品位0.281，粒度-10 mm。

微生物池浸條件：起始酸度40 g/L，菌液三價(jià)鐵含量5 g/L，試驗(yàn)液固比0.13，回次浸泡時(shí)間10 h。

3.1.2 試驗(yàn)主要結(jié)果

渣計(jì)鈾品位0.025%，渣計(jì)浸出率89.56%，平均鈾濃度137 mg/L，最高鈾濃度2 560 mg/L，浸鈾時(shí)間48 d，耗酸量7.37%，浸鈾總液固比8.93。浸出結(jié)果及其對(duì)應(yīng)試驗(yàn)條件見表2，鈾浸出率曲線如圖5所示。

表2 第一次試驗(yàn)條件與成果綜合一覽表

3.2 混合礦石池浸試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)條件

礦石：云際、鄒家山、山南混合鈾礦石(以云際為主)，試樣重量30 kg、桶徑40 cm，試樣高度20 cm，粒度-10 mm，礦石鈾品位0.188%。由于礦石中碳酸鈣含量高達(dá)5.4%，因此在微生物浸鈾前，先用鹽酸去鈣。在去鈣結(jié)束后，再進(jìn)行微生物浸鈾。在鹽酸去鈣階段，鈾浸出率為22%。

微生物池浸條件：起始酸度15 g/L，菌液三價(jià)鐵含量10 g/L，試驗(yàn)液固比0.13，回次浸泡時(shí)間10 h。

3.2.2 試驗(yàn)主要結(jié)果

渣計(jì)鈾品位0.023%，渣計(jì)浸出率86.8%，平均鈾濃度200 mg/L，最高鈾濃度>2 000 mg/L，浸鈾時(shí)間23 d，耗酸量18%，浸鈾總液固比8.1。浸出結(jié)果及其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)條件列于表3，浸出率變化曲線如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

推廣本快速高效微生物浸鈾方法的下一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵是高產(chǎn)的氧化槽技術(shù)，菌液產(chǎn)量必須跟上快速高效微生物浸鈾的需求。假如快速高效微生物浸鈾方法能在生產(chǎn)中推廣，預(yù)計(jì)天然鈾的產(chǎn)能可以比目前的水冶產(chǎn)能提高一倍以上，這對(duì)核電事業(yè)的發(fā)展無疑將是好事；此時(shí)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的主要矛盾將移至礦山開采、礦石量的供給以及緊接著的地質(zhì)勘探部門供給符合經(jīng)濟(jì)要求的鈾工業(yè)儲(chǔ)量和礦山供應(yīng)方面。

表3 第二次試驗(yàn)條件與成果綜合一覽表

圖5 第一次試驗(yàn)鈾浸出率曲線Fig.5 Theuraniumyieldtimeprofileduringthefirstexperiment圖6 第二次試驗(yàn)鈾累積液計(jì)浸出率曲線Fig.6 Theuraniumyieldtimeprofileduringthesecondexperiment

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A Kind of Quick and Efficient Sink Bio-leaching Technology for Hard Rock Type Uranium Mine

SHI Wei-jun, ZHOU Yi-peng, SUN Zhan-xue, LIU Jin-hui

(Uranium Mining and Environment Research Institute, East China Institute of Technology, Nanchang, JX 330013,China)

Compared with the traditional method of acid leaching uranium, bio-leaching has advantages such as higher leaching intensity, higher leaching rate and higher dissolved uranium concentration, but the ore particles are always packed resulting from precipitation of ferric iron inside the bio-leaching heap. To solve this problem,sink bio-leaching experiments were carried out using uranium ore of granularity of around 10 mm, grade of 0.281% collected from a hard rock uranium mine. The ore was leached just in the mode of immersion in a sink instead of heap sprinkling, and the bacteria was bred for bio-leaching solution producing outside of the heap. During the experiment, ore acidification, bacteria breeding and uranium leaching, the three stages of traditional heap bio-leaching process, were combined into one stage of acid bio-leaching. The experiment got leaching outcomes of slag uranium grade of 0.025%, recovery of 89.56%, average dissolved uranium concentration of 137 mg/L, the highest uranium concentration of 2560 mg/L, whole leaching time of 48 days acid consumption of 7.37% and total liquid-solid ratio of 8.93. applying the sink bio-leaching technology, the problem of ferric iron precipitation and resulting compaction of ore particles can be solved, and the period of each leaching round also can be shorten effectively.

hard rock uranium ore; bio-leaching; ferric iron precipitation; ore particles compaction; sink leaching

2015-05-14

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2012CB723101，2015CB453002)

史維浚(1937—)，男，教授，長(zhǎng)期從事鈾水文地球化學(xué)、鈾礦溶浸開采研究。 通訊作者：周義朋(1974—)，博士，副教授，主要從事鈾礦冶與礦山環(huán)境研究。

10.3969/j.issn.1674-3504.2015.04.006

P641.3

A

1674-3504(2015)04-0369-06