铀矿堆浸过程的动力学模型及实验研究

陈海辉，曾莹莹



铀矿堆浸过程的动力学模型及实验研究

陈海辉1，*曾莹莹2

（1.井冈山大学化学化工学院，江西，吉安 343009；2.井冈山大学机电工程学院，江西，吉安 343009）

堆浸；铀矿；化学反应速率常数；动力学模型

0 前言

目前铀矿山大部分开展了地表堆浸工作，堆浸提铀工艺仍然是中国铀矿冶生产的主要工艺，堆浸提铀技术一直是中国铀矿冶研究的重点。铀矿颗粒浸出过程非常复杂，其浸出率与浸出时间、矿石品位、化学成分、溶剂浓度及种类有关，科技人员对堆浸做了大量研究工作，发表了相关实验的文章。孙占学等人对高氟铀矿生物堆浸试验及细粒铀矿石微生物搅拌浸出试验研究，认为将生物技术可以应用于硬岩铀矿生物堆浸生产[1]。冯春林等人在低品位铀矿石的浸出性能研究中表明如果以以六价铀为主，堆浸过程可不用加氧化剂，其浸出性能依然良好[2]。常喜信用常规的碱法浸出,其堆浸的浸出率只有50 %左右，浸出时间为64天。采用强化碱法堆浸工艺，铀浸出率可达90% 以上，浸出时间只有12天[3]。丁德馨等人采用氧化钙、氢氧化钠和氨水作为中和剂，对铀矿堆浸酸性尾渣进行中和试验，并根据检测结果建立了尾渣中和的动力学模型[4]。王小波等人研究表明浸出一段时间后加少量氧化剂，可显著提高浸出液铀质量浓度, 加快矿石的浸出速率[5]。史文革等对江西某含泥铀矿石的性质、粒级组成、铀分布、矿石的浸出性能[6]。陈家富对不同粒度的矿石进行了柱浸试验，考察了筑堆粒度对浸出率、浸出周期及耗酸等的影响[7]。曾莹莹等人提出与堆浸布液新工艺及其装置[8]，进行了雾化布液堆浸某铀矿石的柱浸试验[9]。但是这些研究一直没有归纳、推导出化学反应浸出速率、液固相化学反应速率常数等动力学基础数据。从已发表的铀矿堆浸过程中的动力学模型过于复杂，很难指导设计生产，只好采用灰色理论,根据已取得的浸出率时间序列数据建立描述其变化规模的数学模型，并以此实现对浸出动力学未来行为的预测[10-11]。本研究将推出硫酸堆浸提铀工艺的简单实用型动力学模型，提出依据浸出率与浸出时间的实验数据判别出堆浸过程中的控制类型，并求出动力学参数，这些工作可对生产起指导作用，为灰色理论提供硫酸堆浸提铀动力学基础数据。

1 浸出率与浸出时间的关系

1.1 控制步骤为化学反应

酸浸时四价铀被氧化成六价铀后，与硫酸反应生成可溶性硫酸铀酰并进入溶液：

UO3+ H2SO4= UO2SO4+ H2O

2U3O8+ O2+ 6H2SO4= 6UO2SO4+6H2O

碱浸时的反应式为：UO3+ 3Na2CO3+ H2O = Na4UO2(CO3)3+ 2NaOH

图1 颗粒内反应微单元环

(6)中b为化学计量系数；e液固相化学反应系数数，m/s；

将(9)代入(5) 得：

当浸出过程中溶剂浓度不变时，积分式(10)得：

1.2 控制步骤为固膜扩散

固膜扩散速率方程可写成：

反应速率如为固膜扩散所控制，反应速率则正比于固膜扩散速率与颗粒表面积：

假设与o之间的所有数值均为稳定态，对上式积分可得：

将(15)之代入(8) 可得：

将(16)代入式(5) 可得：

固相产物包裹紧密时，浸出速率由固膜控制时，浸出率与时间关系符合(19)式。

1.3 控制步骤为液膜扩散

与固膜扩散控制步骤倒推类似。

积分式(20)得：

液膜传质阻力大时，浸出速率由液膜控制时，浸出率与时间关系符合(22)式。

1.4 控制步骤为三者联合

实际浸出过程为化学反应、固膜、液膜三者联合控制时，可综合得：

(24)

浸出率与浸出时间的关系式可用(24)式求解而得。(24)式定性表明了：要提高浸出率除了增加时间外，提高传质系数、化学反应速率是个关键措施。

2 试验内容

从矿山高柱试验的剩余矿石中取一定量的矿石，经破碎、缩分等过程，将矿石密度2.8 g/cm3，破碎至-10 mm。取矿石样910 kg，同时取一综合样。装矿前，在矿柱底部装30 mm的卵石，利于浸出液的渗漏，防止细矿石堵塞浸出液出口。把细砂装在取样器内，然后在装柱时把取样器装好，在垂直方向取样器不能重叠。分三个水平装取样器，每个水平装四个，相邻两个水平相距0.8 m，最低下的四个取样器距试验柱底部1.0 m。综合样分析铀品位及主要杂相元素的含量，综合样分析结果见表1。

浸出剂的浓度(硫酸)0.5%~4.0%，布液强度15~25 L/m2·h；酸耗为矿石重量的3.0%~4.0 %。浸出液固比为2.5:1，浸出液pH值2.0 ± 0.5；浸出时间60 d。浸出剂的配制采用人工搅拌的方法，布液初期，浸出剂的浓度为40 g/L，期后根据浸出的各个阶段的要求和浸出各项数据及时调整浸出剂的浓度。布液方式是雾化布液，布液强度15~25 L/m2·h。当浸出液从试验柱底部流出，流率稳定时，选定三个取样时间，用集液瓶通过取样器取样。为了减少误差，取样时间宜长，取样时间定为五小时。矿石比较干，在浸出初期，矿石有一定的吸水能力，所以在等到流率稳定时再取样。

表1 矿石分析结果

Table 1 Analysis result of the uranium mineral

柱底部中间孔流出的浸出液，分析U、余酸，测pH、电位等。浸出液分析U、Fe3+、Fe2+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Al3+、pH、电位和余酸等项目。分析颗粒U品位、浸出率。

3 实验结果

颗粒中U的浸出率如图2。从图2看出（1）浸出率60 %以内，浸出率与浸出时间呈直线关系；（2）20天达到浸出率64%以内，20~30 d浸出率开始变缓慢；（3）30天以后，浸出率达70 %，浸出率非常缓慢，几乎没有变化。

浸出时间(d)

4 结果分析

对（24）式展开，与实际实验数据结合，确定模型参数。

浸出率不大时候，对式（24）展开得到：

5 结论

[1] 孙占学,刘金辉,刘亚洁,等.硬岩铀矿生物堆浸研究进展[J].中国矿业,2012,21(8)：422-423.

[2] 冯春林,张晓文,黄伟.某低品位铀矿石的浸出性能研究[J].铀矿冶,2012,31(1):32-34.

[3] 常喜信, 钟平汝, 李铁球,等.一种强化碱法堆浸提铀工艺的研究[J].中国矿业,2011,30(1):22-25.

[4] 丁德馨,刘玉龙,李广悦,等.铀矿堆浸酸性尾渣中和的动力学特征及模型[J].原子能科学技术,2010,44(5):538- 540.

[5] 王小波,李广悦,钟永明,等.某铀矿床矿石高柱浸出性能研究[J].中国矿业,2009,18(12):72-75.

[6] 史文革,蔡萍莉,梁建龙.江西某含泥铀矿石浸出性能研究[J].中国矿业,2009,18(8):84-86.

[7] 陈家富.不同粒度柱浸浸铀试验研究[J].有色金属(冶炼部分), 2010(1):40-42.

[8] 曾莹莹.堆浸布液新工艺及其装置的研究[D].衡阳:南华大学,2006.

[9] 曾莹莹,雷泽勇,陈海辉.雾化布液堆浸某铀矿石的柱浸试验[J].铀矿冶,2007,26(3): 53-156.

[10] 谭臻,李广悦.堆浸浸出速率的灰色预测[J].矿冶,2003, 12(4):4-6.

[11] 刘金枝.堆浸浸出过程数值模拟分析及灰色预测研究[D].长沙:中南大学,2007.

DYNAMIC MODEL AND EXPERIMENT STUDY OF URANIUM MINE HEAP LEACHING PROCESS

CHEN Hai-hui1，*ZENG Ying-ying2

（1 School of Chemistry and Chemical Engineering ,Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009,China；2. School of Mechaical and Electrical Engineering, Jinggangshan University, Ji’an, Jiangxi 343009, China)

The process model and chemical reaction constants of uranium mine sulfuric acid heap leaching are deduced by the relationship curve between the leaching rate and leaching time. The results show when the leaching rate less than 60%, it is linear with the leaching time, and the leaching process model is controlled by chemical reaction process. The chemical reaction leaching rate constant is 1.5 × 10-7s-1, the liquid-solid phase chemical reaction coefficient is 3.6 × 10-8m/s in this experimental data. It also shows that if oxidants were not added into the heap-leaching uranium ore, only 40% of the quadrivalent uranium could be oxidized into hexavalent uranium, so the oxidants must be added to improve the oxidizing ability for greater leaching rate of uranium.

heap leaching; uranium; chemical reaction leaching rate constant; dynamic model

1674-8085(2013)02-0040-04

TL212.1+1

A

10.3969/j.issn.1674-8085.2013.02.009

2012-10-18；

2013-01-19

江西省科技厅科技计划项目(20111BBG70007-1)；江西省教育厅科技计划项目(GJJ12481)

陈海辉(1968-)，男，湖南衡阳人，副教授，博士，主要从事化学工程与工艺研究(E-mail: chenahihui68@126.com);

*曾莹莹(1975-)，女，湖南湘潭人，副教授，硕士，主要从事采矿工程研究(E-mail: jgzyy09@126.com).