不同地浸采铀工艺主要元素迁移强度与饱和状态研究

吉宏斌，孙占学，周义朋，阳奕汉

(1.东华理工大学 水资源与环境工程学院，江西 南昌 330013；2.新疆中核天山铀业有限公司，新疆 伊宁 835000)

原地浸出作为一种有效的铀资源(尤其是低品位铀资源)开采技术，越来越受到重视并得到广泛应用[1]。该技术最早于1958年提出，随后50多年来在许多国家，特别是在前苏联得到了广泛推广应用。2014年地浸采铀开采的铀占世界总产量的51%，目前，地浸方法开采铀的能力与传统方法基本接近[2]，哈萨克斯坦100%的天然铀均来自酸法地浸工艺。2017年，我国地浸方法开采的天然铀已占铀总产量的70%以上[3]。

1 方法

1.1 样品特性分析

本文样品均采自新疆某铀矿床，采用X射线荧光光谱仪(XRF)与X射线衍射仪(XRD)分析所选岩石样品的主量元素含量及矿物成分。主量元素分析(XRF)结果显示，SiO2占81.68%～89.27%，Al2O3占3.82%～10.23%，指示主要造岩矿物是石英和长石。XRD分析结果显示，样品主要矿物成分为石英，且存在长石等其他矿物。XRF与XRD分析结果基本一致。矿石中碳酸盐含量较高，且分布不均匀，最高达2.5%(以CO2计)，最低为0.2%。黄铁矿含量为0.094%～0.225%(平均值0.143%)，Fe2+含量为0.86%～1.37%(平均值1.163%)，Fe3+含量为0.10%～0.3%(平均值0.149%)。

1.2 试验条件

中性浸铀试验：将矿石样品和浸出剂加入高压釜中密闭，通入CO2调节体系pH值在6.0～6.2之间，然后通入体积比为1∶10的CO2+O2混合气进行多次浸出，单次浸出的液固比为2 mL∶1 g。每次试验均浸出3～5次，每次浸出结束进行固液分离后进入下一次浸出，当浸出铀浓度较低或不再明显浸出时结束试验。

2 结果与讨论

本文用固相中元素的浸出率或液相中元素所对应的离子浓度表示元素迁移强度。

2.1 中性与酸法迁移强度对比

酸法浸出实验结果示于图1。由图1可知，酸法浸出时，浸出液中U、Ca2+、Al3+浓度及渣计U浸出率随酸度的逐步增加而升高，U浓度最高达33.92 mg/L，Ca2+浓度最高达到654.98 mg/L，渣计U浸出率最高达到77.73%。

图1 酸法浸出各离子浓度随酸度的变化Fig.1 Variation of ion concentration with acidity during acid leaching

中性试验结果如下：浸出液中U浓度为27.28 mg/L，渣计U浸出率为69.51%；Ca2+、Mg2+、Fe3+浓度分别为90.8、55.0、8.9 mg/L，未检测到Al3+。

对比中性浸出与酸法浸出可知：1) 酸法浸出时，U的迁移强度强于中性浸出；2) Ca2+、Mg2+、Fe3+、Al3+中，Ca2+的迁移强度是2种浸出方法中差异性最大的，酸性条件下，Ca2+浓度达478 mg/L，而中性条件下仅为90.8 mg/L；3) Mg2+在中性及酸性条件下迁移强度基本相当，但总体强度均较弱；4) 酸性条件下，Fe2+向溶液中大量迁移，中性条件下迁移较弱。总体而言，酸法的渣计U浸出率较高，但其选择性较差，非目标元素浓度均较高；中性浸出则与之相反，渣计U浸出率较低，而选择性较好[15-16]。

2.2 中性与碱法迁移强度对比

图2 碱法浸出各离子浓度随酸度的变化Fig.2 Variation of ion concentration with acidity by alkaline leaching

对中性及碱法工艺试验中U浓度，渣计U浸出率及Ca、Mg、Fe元素的迁移进行对比分析可知：1) 碱法与中性浸出时，U的迁移强度基本相同；2) 中性浸出试验中Ca2+、Mg2+的迁移强度大于碱法浸出试验，这是由于在中性浸出试验中，CO2气体加入后使浸出体系呈弱酸性，对碳酸盐等矿物的溶解作用加强；3) 碱法与中性浸出试验中，Fe3+、Al3+等的迁移较弱。

3 矿物饱和状态分析及讨论

3.1 酸法浸出液的饱和-沉淀状态

表1 酸法浸出试验时浸出液中碳酸钙和硫酸钙饱和指数Table 1 Saturation index of calcium carbonate and calcium sulfate (SI) in acid leaching test

(1)

SI碳酸钙计算公式如下：

(2)

酸法浸出试验中SI碳酸钙-pH值的关系示于图3，可见SI碳酸钙与pH值呈正相关关系，pH值超过7.1时，碳酸钙过饱和。

图3 酸法浸出试验中SI碳酸钙-pH值的关系Fig.3 Relation between saturation index of calcium carbonate with pH in acid leaching test

图4 酸法试验中SI硫酸钙-Ca2+浓度的关系Fig.4 Relation between saturation index of calcium sulfate with Ca2+ in acid leaching test

中性浸出试验中碳酸钙、硫酸钙饱和指数与pH值的关系示于图5。由图5可见，pH值控制在6.6以下时，SI碳酸钙为负，即未发生沉淀，高于该值碳酸钙均发生了饱和沉淀，SI硫酸钙均为负值，表明试验过程中未发生饱和沉淀。

图5 中性浸出试验中SI碳酸钙、SI硫酸钙与pH值的关系Fig.5 Relation between SI of calcium carbonate and calcium sulfate with pH in neutral leaching test

3.2 碱法浸出液的饱和-沉淀状态

表2 碱法浸出试验中的SI碳酸钙Table 2 Saturation index of carbonate in alkaline leaching test

4 元素迁移强度和饱和状态实例分析

1——S101单元，微酸；2——S106单元，微酸；3——S202单元，中性；4——S203单元，中性图6 微酸与中性浸出工艺下主要元素迁移强度对比Fig.6 Migration strength of main element in weak-acid and neutral leaching

1——S101单元，微酸；2——S106单元，微酸；3——S202单元，中性；4——S203单元，中性图7 碳酸钙、硫酸钙的饱和指数与pH值的关系Fig.7 Relation between SI of calcium carbonate and calcium sulfate with pH value

5 结论

1) 酸法浸出过程中各元素的迁移强度明显强于中性与碱法浸出，酸法室内试验中Ca2+的浓度达478 mg/L，是中性浸出的5.2倍，Fe3+浓度达84.28 mg/L，是中性浸出的10倍；碱法与中性浸出相比，U的迁移强度基本相当，因CO2的影响，中性浸出中Ca与Mg的迁移强度大于碱法浸出的，Fe和Al元素迁移均较弱，Fe3+浓度最高仅为8.9 mg/L，而Al3+浓度最高为0.44 mg/L。

3) 对于碳酸盐含量高的铀矿床，酸法及碱法均不宜采用，CO2+O2中性浸出工艺为首选，控制浸出液pH值在6.6以下可避免碳酸钙沉淀，确保铀的正常浸出。