伊犁盆地某砂岩铀矿的浸出动力学特征*

陈 亮 谭凯旋 刘 江 谢焱石 黄 伟 马 强

(1.南华大学矿业工程博士后流动站;2.南华大学核资源与核燃料工程学院;3.铀矿冶生物技术国防重点学科实验室)

在众多铀矿床类型中，砂岩铀矿床是指工业铀矿化主要产于砂岩中的铀矿床。据新近国际原子能机构网站数据(IAEA－TECDOC－1629报告)，全球1 352个已知铀矿床中，有530个为砂岩铀矿，占全球已探明总储量的27.9%，数量和储量均位居第一。我国近年在北方中新生代沉积盆地发现和探明了6种新的大型、特大型砂岩型铀矿［1］，大大提高了砂岩铀矿在铀资源中的地位，已成为我国4大铀矿主要工业类型之一。目前国内外的砂岩铀矿已广泛采用地浸技术开采［2-3］。

对于地浸采铀来说，在浸出过程中的温度偏低，化学反应速度与扩散速度均比较慢，因而很难达到平衡状态。实际生产过程的最后结果常常不是决定于热力学条件，而是决定于反应速度，也就是动力学条件。研究浸出过程动力学的主要目的为揭示浸出过程的控制步骤，从而有针对性地采取措施进行强化。目前浸出动力学的研究已成为溶浸采矿技术研究的重要课题之一，许多学者做了大量的研究，取得了丰富的成果［4-9］。然而对砂岩铀矿浸出动力学特征的研究还不多见。为此，本研究以伊犁盆地某砂岩铀矿为研究对象，分析其浸出动力学特征，探索铀浸出的反应机理与控制反应进行的条件。

1 材料与方法

伊犁盆地某砂岩铀矿位于该盆地南缘西部，含矿地层为中下侏罗统水西沟群，为产于层间氧化带的砂岩型卷状铀矿床。中下侏罗统水西沟群为一套陆相含煤碎屑岩建造，由下而上划分为3个岩组(即八道湾组、三工河组、西山窑组)、8个沉积旋回。每个旋回中都发育层间氧化带，铀矿化与氧化带密切相关，所有氧化带都有铀矿化，其中三工河组Ⅴ旋回发育区域性层间氧化带，为主要含矿层。含矿层为中粗粒砂岩，顶、底板为泥岩或泥岩与粉砂岩互层构成。矿体位于氧化带与还原带过渡位置。共采集3个矿样用于铀浸出动力学研究(表1)，它们的品位分别为0.011 7%(A样)、0.179 9%(B样)与0.019 7%(C样)。

铀浸出实验的具体步骤如下:将40 g样品置于500 mL的锥形瓶中，然后加入400 mL浓度为10 g/L的稀硫酸溶液(液固比为10∶1)，采用空气作氧化剂，塞紧瓶塞，按一定的时间间隔取样。每次取样后，摇动锥形瓶，静置，直至下一次取样。铀浓度与铀品位均采用TiCl3还原—NH4VO3氧化滴定法测试。实验结果见表1与图1。样品的铀浸出率分别为65.81%(A样)、97.89%(B样)与85.79%(C样)，最终浸出液铀浓度相应为7.62 mg/L、176.30 mg/L与17.34 mg/L。

表1 铀品位与浸出实验结果

图1 铀浓度及其浸出率随时间的变化

2 结果与讨论

2.1 铀浸出动力学特征

根据矿石浸出的核缩减模型Levenspiel［10］，其浸出过程或者受反应物通过溶液边界层或固体产物层的扩散控制，或者受表面化学反应控制。对于反应

如果反应是受扩散控制，其简化的速率方程可以表示为

如果浸出受表面化学反应控制，则速率方程可表示为

式中，x为已反应分数;kc为动力学常数;MB为固体的摩尔质量;CA为溶解的溶浸剂A的浓度;ρB为矿石的平均摩尔密度;a为浸出反应中反应物的化学计量系数;r0为固体颗粒的初始半径;k为速率常数; t为反应时间。

上述2个方程表明，如果是扩散控制浸出速率，则方程(1)的左边与时间之间必定呈线性关系;如果是表面化学反应控制浸出速率，则方程(2)的左边与时间之间也必定呈线性关系。利用这2个方程对浸出实验数据进行动力学分析的结果见图2。动力学方程(1)的线性拟合程度均明显高于动力学方程(2)的线性拟合程度，其中前者3个样品的相关系数平方分别为0.978 9、0.989 2与0.980 5，后者的相关系数平方相应为0.899 3、0.971 7与0.938 5。这表明浸出反应主要受扩散控制，表面化学反应的影响相对较小。

图2 铀浸出动力学图解

2.2 铀浸出动力学特征的地浸意义

扩散控制浸出反应的主要特征［11］:

(1)原矿粒度对浸出率有明显影响;

(2)搅拌强度对浸出率几乎没有影响。

表面化学反应控制浸出反应的主要特征［11］:

(1)浸出过程或浸出率随温度的升高而迅速增加;

(2)反应速度与溶浸剂浓度的n次方成比例;

(3)搅拌过程对浸出速度无明显影响。

根据动力学分析结果，结合地浸采铀实际，认为对该砂岩铀矿含矿层粒度分布特征进行系统研究显得十分必要，它可为铀矿山合理采用地浸技术及其经济技术评价提供重要参考。同时，增加溶浸剂浓度可在一定程度上提高铀浸出率与资源回收率。

3 结论

A样、B样与 C样的品位分别为0.011 7%、0.179 9%与0.019 7%，铀浸出率分别为65.81%、97.89%与 85.79%，最终浸出液铀浓度分别为7.62、176.30与17.34 mg/L。动力学方程(1)的线性拟合程度均明显高于动力学方程(2)的线性拟合程度，表明铀浸出反应速率主要受扩散控制，表面化学反应的影响相对较小。对该砂岩铀矿含矿层粒度分布特征进行系统研究显得十分必要，它可为铀矿山合理采用地浸技术及其经济技术评价提供重要参考。增加溶浸剂浓度也可在一定程度上提高铀浸出率与资源回收率。

［1］ 张金带，徐高中，林锦荣，等.中国北方6种新的砂岩型铀矿对铀资源潜力的提示［J］.中国地质，2010，37(5):1434-1449.

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［3］ 王海峰，阙为明，钟平汝，等.原地浸出采铀技术与实践［M］.北京:原子能出版社，1998.

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［5］ Ghosh M K，Das R P，Biswas A K.Oxidative ammonia leaching of sphalerite Part II:Cu(II)-catalyzed kinetics［J］.International Journal of Mineral Processing，2003，70:221-234.

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［10］ Levenspiel O.Chemical Reaction Engineering［M］.New York: Wiley，1972.

［11］ 李洪桂.湿法冶金学［M］.长沙:中南大学出版社，2002.