邢曉東，　邢擁國，　劉金輝，　陳建昌，　郝進(jìn)庭

(1.東華理工大學(xué),江西 南昌　330013；2.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特　010010；3.核工業(yè)203研究所,陜西 咸陽　712000)

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某砂巖型鈾礦床礦石酸法柱浸試驗(yàn)研究

邢曉東1，邢擁國2，劉金輝1，陳建昌3，郝進(jìn)庭2

(1.東華理工大學(xué),江西 南昌330013；2.中核內(nèi)蒙古礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010；3.核工業(yè)203研究所,陜西 咸陽712000)

摘要：為論證某砂巖鈾礦鈾浸出工藝，并獲得浸鈾試驗(yàn)工藝參數(shù)，設(shè)置了19組柱浸試驗(yàn)，選擇其中4組作為試驗(yàn)研究主體，研究在0.2 g/L KMnO4條件下，不同酸度條件鈾浸出性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溶浸液硫酸濃度的增高，浸出液平均鈾濃度及最高鈾濃度明顯增高，在加氧化劑(KMnO4)條件下，浸鈾速度快，鈾浸出率可達(dá)90 %以上，該礦床適合酸法浸出工藝。研究結(jié)果對確定該礦床酸法地浸工藝參數(shù)具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：酸法浸出；液固比；鈾浸出率；柱浸試驗(yàn)

邢曉東，邢擁國，劉金輝，等.2016. 某砂巖型鈾礦床礦石酸法柱浸試驗(yàn)研究[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，39(1)：23-28.

Xing Xiao-dong, Xing Yong-guo, Liu Jin-hui，et al.2016. Research on acid leaching uranium experiments of a sandstone type uranium ore[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(1):23-28.

砂巖型鈾礦地浸開采技術(shù)在國內(nèi)外鈾礦山已得到十分廣泛的應(yīng)用。鈾礦山在開采之前，確定合理有效的地浸工藝是鈾礦冶工作者研究的重要課題。為保證最大限度的研究和優(yōu)化試驗(yàn)地段地浸地質(zhì)工藝方法，試驗(yàn)室鈾浸出試驗(yàn)研究是必不可少的環(huán)節(jié)(吳黎武等，2003)。本文以某砂巖鈾礦床為例，通過酸法柱浸試驗(yàn)，研究酸法技術(shù)工藝對鈾礦石的浸出效果，并獲得相應(yīng)試驗(yàn)工藝參數(shù)，為后期地浸采鈾工業(yè)試驗(yàn)和生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

該礦床鈾礦體厚度為1.51～9.41 m(平均4.97 m)；礦石鈾品位為0.010 6 %～0.092 4 %(平均0.025 %)；平米鈾量1.01 kg/m2～2.79 kg/m2(平均1.71 kg/m2)。巖性以灰色、深灰色、黑色含礫砂巖和礫巖為主，巖石成巖程度低，膠結(jié)疏松。經(jīng)放射性照相、電子探針和掃描電鏡分析，鈾礦石樣品中鈾賦存形式有吸附態(tài)鈾、鈾礦物及含鈾礦物三種。鈾礦物包括瀝青鈾礦、鈾黑、鈾石和鈾釷礦等，瀝青鈾礦是本區(qū)最常見的鈾礦物。含鈾礦物有含鈾鈦鐵礦、含鈾銳鈦礦和含鈾稀土礦物，多以細(xì)小的顆粒零星地分布在石英、長石和雜基中①核工業(yè)203所.2010.巴彥烏拉地區(qū)道布鈾礦床B367號線地段地浸水文地質(zhì)條件試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告.。

1浸鈾原理與試驗(yàn)過程

1.1樣品試驗(yàn)

樣品來自地質(zhì)工藝鉆孔巖芯，取樣深度為102～120 m，巖性由灰色中砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及黑色泥巖組成。在滲透性較好的砂巖中，CO2含量大多小于0.01 %，有機(jī)C、∑S含量較低②姚益軒.2013.某礦床2008地浸總結(jié)報(bào)告.。

試驗(yàn)樣品在鉆探現(xiàn)場取樣送試驗(yàn)室后，首先去掉原樣表面的泥漿皮，干燥后利用橡膠錘單獨(dú)破碎至礦石天然粒度。然后對樣品進(jìn)行鈾含量及礦石化學(xué)全分析，之后將樣品裝填在滲濾柱接近原始密度(胡凱光等，2003)。

1.2浸鈾原理

本次酸法浸鈾試驗(yàn)以H2SO4作為浸出劑，以KMnO4作為氧化劑，其浸鈾原理如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

酸法浸鈾作用的結(jié)果形成硫酸鈾酰離子，使礦石中的鈾得以浸出(李學(xué)禮等，2010)。

1.3試驗(yàn)過程

試驗(yàn)采用柱浸方式進(jìn)行，試驗(yàn)所用滲濾柱為有機(jī)玻璃柱，長約1 m，內(nèi)徑32 mm，柱內(nèi)裝樣1 000 g。試驗(yàn)過程中，每24或48 h(2號滲濾柱滲透好好，間隔12 h)采集浸出液樣1次。樣品采集后，測定其pH、Eh值，并及時(shí)分析浸出液鈾含量和剩余酸度，繪制鈾浸出特征曲線。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

鈾礦石柱浸試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。18組試驗(yàn)溶浸液硫酸濃度分別為2 g/L、5 g/L、10 g/L、15 g/L和21 g/L，氧化劑(KMnO4)濃度采用0.2 g/L和0.2 g/L，其中第7組為0.5 g/L H2O2。滲濾柱試驗(yàn)在分析室內(nèi)多條件靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上設(shè)置的，靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果顯示該礦床更適合酸法浸出，因此該滲濾柱試驗(yàn)主要是模擬含礦層滲透率采用酸法浸出，僅第5組采用15 g/L NH4HCO3+1 g/L H2O2的堿法浸出。

表1　柱浸試驗(yàn)條件及試驗(yàn)結(jié)果

在確定了酸法浸出的前提下，下一步試驗(yàn)?zāi)康氖谴_定相應(yīng)工藝條件下的溶浸液配比，得到在經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行且能有效浸出鈾金屬的溶浸液配方。因此，綜合考慮鈾浸出率、累計(jì)液固比及浸出周期，在設(shè)置的19組滲濾柱中選擇12組、13組、14組、15組4組作為本文重點(diǎn)闡述對象。

2.112號柱鈾浸出特征

12號柱浸出結(jié)果(圖1、圖2)顯示，浸出液鈾濃度從試驗(yàn)開始至第5天，急劇上升，其峰值出現(xiàn)在第5天，為179.52 mg/L，平均鈾濃度47.28 mg/L，其對應(yīng)鈾浸出率為18.37 %。浸出的鈾基本上為易溶的六價(jià)鈾。從試驗(yàn)第6天開始，鈾濃度隨時(shí)間呈下降趨勢，第6天至第15天下降速度快，第15天后鈾濃度降至30 mg/L以下，表明樣品柱中殘留鈾以難浸的四價(jià)鈾為主。

圖1 12號柱浸出液鈾濃度,鈾浸出率隨時(shí)間變化特征Fig.1 Characteristicsofuraniumconcentrationanduraniumleachingratewithtimeforcolumn12圖2 12號浸出液Eh、pH值隨時(shí)間變化特征Fig.2 CharacteristicsofEhandpHwithtimeforcolumn12

從鈾浸出率看，試驗(yàn)前13天，浸出率達(dá)到72.17 %，此時(shí)相應(yīng)鈾濃度為51.39 mg/L。從浸出液Eh值看，試驗(yàn)初始Eh值為400 mV左右，隨著KMnO4的加入，Eh值不斷上升，試驗(yàn)第9天以后其值穩(wěn)定在600 mV。浸出液pH值變化于1.25～1.68之間，并基本穩(wěn)定在1.35左右?？梢?，溶浸液的高Eh(Eh>550 mV)及低pH值(pH<1.5)是酸法浸出的重要條件(國際原子能機(jī)構(gòu)，2003)。

2.213號柱鈾浸出特征

13號柱鈾浸出特征(圖3)與12號柱十分相似，即浸出液鈾濃度同樣是先快速上升，至第5天達(dá)到最大值372.77 mg/L，高出12號柱最高鈾濃度(179.52 mg/L)1倍以上，其對應(yīng)的鈾浸出率為38.38 %。隨后，鈾濃度迅速下降，到第12天鈾濃度降至48.03 mg/L(試驗(yàn)期間平均鈾濃度77.76 mg/L)。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，鈾濃度僅為4.24 mg/L。相應(yīng)地，在鈾濃度快速上升期間，鈾浸出率迅速上升，第12天出現(xiàn)拐點(diǎn)，其鈾浸出率已達(dá)83.11%。

圖3　13號柱鈾濃度及鈾浸出率隨時(shí)間變化特征Fig.3　Characteristics of uranium concentration and uranium leaching rate with time for column 13

圖4　13號柱浸出液Eh、pH值隨時(shí)間變化特征Fig.4　Characteristics of Eh and pH with time for column 13

從浸出液Eh值和pH值看，Eh從初始值400 mV開始上升，第7天達(dá)到625 mV，之后Eh基本穩(wěn)定在600 mV左右。試驗(yàn)開始時(shí)pH值為7.33，第8天降至1.46，最終穩(wěn)定在1.15左右。

2.314號柱鈾浸出特征

圖5　14號柱浸出液鈾濃度、鈾浸出率隨時(shí)間變化特征Fig.5　Characteristics of uranium concentration and uranium leaching rate with time for column 14

圖6　14號柱浸出液Eh、pH值隨時(shí)間變化特征Fig.6　Characteristics of Eh and pH with time for column 14

由圖5、圖6可知，14號柱浸出液鈾濃度和鈾浸出率的特征曲線與12號、13號柱極為相似，試驗(yàn)第5天鈾濃度同樣達(dá)到最大值，為612.48 mg/L，高出13號柱最高濃度(239.71 mg/L)1.5倍，然后，鈾濃度快速下降。試驗(yàn)第10天降至96 mg/L，之后鈾濃度下降速度慢，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(試驗(yàn)32天)鈾濃度低于10 mg/L。整個(gè)試驗(yàn)期間，平均鈾濃度為102.82 mg/L。試驗(yàn)初始Eh值為437 mV，第4天即上升到604 mv，之后基本穩(wěn)定于600 mv。浸出液初值pH為4.42，第8天下降至1.2，此后穩(wěn)定于1.0左右。

從鈾浸出率看，當(dāng)鈾濃度達(dá)到峰值時(shí)(試驗(yàn)第5天)，鈾浸出率為38 %，試驗(yàn)第9天為76.26 %，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到96.49 %。

2.415號柱鈾浸出特征

圖7　15號柱浸出液鈾濃度、鈾浸出率隨時(shí)間變化特征Fig.7　Characteristics of uranium concentration and uranium leaching rate with time for column 15

圖8　15號柱浸出液Eh、pH值隨時(shí)間變化特征Fig.8　Characteristics of Eh and pH with time for column 15

15號柱鈾浸出特征與12號柱、13號柱及14號柱鈾浸出特征相一致，其最高鈾濃度仍出現(xiàn)在試驗(yàn)第5天，為658.42 mg/L (圖7)，鈾浸出率為49.78 %。隨后，鈾濃度急劇下降。試驗(yàn)第13天，鈾濃度降至71.72 mg/L，鈾浸出率達(dá)89.11 %。表明，前13天，樣品中的鈾大部分已被浸出。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，鈾浸出率達(dá)到97.35 %，鈾濃度僅為4.82 mg/L。

浸出液初始Eh值為316 mV，試驗(yàn)第7天即上升到631 mV，之后穩(wěn)定于600 mV。pH初值為7.42，到第9天即下降至1.03，此后穩(wěn)定于0.88。

圖9　不同酸度條件下浸出液鈾濃度圖Fig.9　The uranium concentration in different condition of aciding

圖10　不同酸度條件下鈾浸出率Fig.10　uranium leaching rate in different condition of aciding

2.5不同酸度條件鈾浸出特征的對比

根據(jù)4組不同酸度條件下的鈾礦石柱浸試驗(yàn)結(jié)果(表1、圖9、圖10)，在氧化劑濃度(KMnO4=0.2 g/L)相同條件下，隨著酸度的不斷增高，浸出液鈾濃度(平均、最高)不斷增高。當(dāng)酸度分別為5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L和21 mg/L時(shí)，其相應(yīng)的平均鈾濃度分別為45.8 mg/L、77.76 mg/L、102.82 mg/L和122.6 mg/L；鈾浸出率分別為92.56 %、95.38 %、96.49 %及97.35 %。表明該鈾礦床礦石酸浸效果好，適合酸法浸出工藝。

4組柱浸試驗(yàn)均顯示，試驗(yàn)第1至第5天，浸出液鈾濃度上升速度快，且均在第5天達(dá)到鈾濃度峰值，從試驗(yàn)第6天開始鈾濃度迅速下降，大致在試驗(yàn)12～15 d，鈾浸出率均達(dá)到80 天%或更高，表明酸法浸出工藝是該礦床可行的地浸工藝技術(shù)。

3結(jié)論

根據(jù)4組不同酸度條件，柱浸試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

(1)本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了19組柱浸試驗(yàn)，在室內(nèi)浸泡試驗(yàn)得出該礦床適于酸法浸出的基上僅設(shè)置1組堿法柱浸試驗(yàn)。

(2)隨著溶浸液硫酸濃度的增高，浸出液平均鈾濃度及最高鈾濃度明顯增高，浸出15天，鈾浸出率均達(dá)到80 %以上，浸出1個(gè)月，浸出率達(dá)到90 %以上，表明鈾礦石酸浸效果好，適合酸法浸出工藝。

(3)鈾浸與酸度關(guān)系密切，酸度越大，鈾浸出率越高，浸出周期越短。

(4)在加氧化劑酸浸條件下，鈾浸出速度較快，試驗(yàn)第5天，鈾濃度即達(dá)到峰值，其P鈾浸出率為40%左右，表明在加高錳酸鉀的酸浸條件適合該鈾礦床浸出。高錳酸鉀作為浸鈾氧化劑使溶浸液Eh值能夠保持在600 mV，對于鈾氧化與浸出起到了促進(jìn)作用。

(5)綜合考慮鈾浸出率、鈾浸出最高濃度、累計(jì)液固比及浸出周期，選擇10 g/L H2SO4+0.2g/L KMnO4更適合工業(yè)開采。

參考文獻(xiàn)

陳家富.2010.不同粒度柱浸浸鈾試驗(yàn)研究[J].有色金屬(冶煉部分).1:40-42.

國際原子能機(jī)構(gòu).2003. 酸法地浸采鈾工藝手冊[M].北京：原子能出版社:1-77.

胡凱光,王清良,譚亞輝,等.2003. 新疆某鈾礦石浸出試驗(yàn)[J].金屬礦山，326：23-24.

李江，劉亞潔，周谷春,等.2012. 低品位鈾礦石微生物柱浸試驗(yàn)[J]. 有色金屬(冶煉部分)，6：36-38.

李學(xué)禮，孫占學(xué)，劉金,輝.2010. 水文地球化學(xué)[M].3版.北京：原子能出版社:16-39.

劉希濤，孫靜，史文革,等. 2011. 西北某鈾礦山鈾礦石浸出性能室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)，25(1)：14-17(1).

史維浚.1990. 鈾水文地球化學(xué)原理[M].北京：原子能出版社:269-306.

王剛，張發(fā)，何大鵬,等.2015. 新疆吐魯番十紅灘鈾礦床北礦帶地浸開采可行性分析研究J]. 東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，38(1)：58-63.

吳黎武，吉宏斌，王清良,等. 2013. 新疆某鈾礦石浸出性能探索性試驗(yàn)研究[J]. 鈾礦冶，32(3):133-137.

徐巧兵，陳建昌，朱鵬,等. 2012. 某砂巖型鈾礦床地浸地質(zhì)——水文地質(zhì)條件評價(jià) [J]. 東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，35(3):250-255.

CaPPS P G.1991. 柱浸試驗(yàn)條件對其結(jié)果的影響[J]. 國外金屬礦選礦, 3:20-26.

Research on Acid Leaching Uranium Experiments of A Sandstone Type Uranium Ore

XING Xiao-dong1,XING Yong-guo2, LIU Jin-hui1,CHEN Jian-chang3,HAO Jin-ting2

(1. East China University of Technology, Nanchang,JX 344000, China; 2. Inner Mongolia mining co.，LTD.CNNC，Huhehaote, 010010, China; 3.Research Institute No.203,CNNC，Xianyang,SX 712000,China)

Abstract:19 groups (No.1～19) leaching tests were designed to verify the leaching uranium technology and to get leaching uranium parameters of a sandstone type uranium deposit. 4 groups tests(No.12～15)of column leaching uranium were finished to study the leaching uranium characteristics in different acidity when KMnO4 concentration is 0.2 g/L. These tests results show that average and highest uranium concentration in leaching solutions are obviously increased with acidity increase. The leaching uranium speed was increased rapidly, the uranium leaching rate can get more than 90% under the condition of adding oxidant (KMnO4). Obviously, acid leaching technology is suitable for a uranium deposit. The study results has reference significance to determine acid leaching technological parameter.

Key Words:acid leaching； solid-liquid ratio； uranium leaching rate； column leaching experiment

中圖分類號：P619.14

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-3504(2016)01-0023-06

doi:10.3969/j.issn.1674-3504.2016.01.004

作者簡介：邢曉東(1988—)，男，碩士研究生，主要從事鈾溶浸水文地質(zhì)學(xué)方面的研究。 E-mail:1152672626@qq.com

收稿日期：2015-09-07