某铀矿石柱浸试验浸出剂的配方探讨

叶阳　田亮　尹永朋

摘      要：为研究某铀矿石样品的浸出性能，进行了五组条件柱状浸出试验，柱浸试验结果表明，2号条件试验为最佳浸出方案，铀矿石样品适合用硫酸浸出，硫酸最佳质量浓度10 g·L^-1，浸出液铀最大质量浓度250.86 mg·L^-1，平均质量浓度为52.24 mg·L^-1，铀浸出率最大可达98.36%，达到80%浸出率的最短浸出时间为16 d，在浸出一定时间后，加入氧化剂浸出液铀质量浓度呈现明显上升趋势，但上升幅度小于最大浸出质量浓度的50%。

关  键  词：铀矿石;柱浸;铀浸出率

中图分类号：TQ016.1      文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）06-1060-04

Discussion on Leaching Agent Formula for Column Leaching Test of A Uranium Ore

YE Yang， TIAN Liang， YIN Yong-peng

（Sino Shaanxi Nuclear Industry Group Geological Survey Co.， Ltd.， Xian Shaanxi 710100， China）

Abstract： In order to study the leaching performance of a uranium ore sample， five groups of conditional column leaching tests were carried out. The column leaching test results showed that condition 2 was the best leaching scheme， and the uranium ore sample was suitable for sulfuric acid leaching， the optimum concentration of sulfuric acid was 10 g/L， the maximum concentration of uranium in leaching solution was 250.86 mg/L， the average concentration was 52.24 mg/L， the maximum leaching rate of uranium was 98.36% ， and the shortest leaching time was 16 days when the leaching rate reached 80%.The concentration of uranium in the leach solution with oxidant increased obviously， but the increase was less than 50% of the maximum leach concentration.

Key words： Uranium ore; Column leaching; Uranium leaching rate

鈾矿地浸开采是集采、选、冶于一体的地下原位采矿工艺，20世纪60年代首先在美国和前苏联得到应用。地浸采铀技术主要包括酸法地浸、碱法地浸及CO₂+O₂地浸等。地浸开采之前，需通过室内浸出试验获取浸出工艺参数。熊佳丽^[1]等研究了硝酸铀酰干法脱硝制备氧化铀工艺研究;邢晓东^[2]等研究了不同条件的酸法柱状浸出试验;刘希涛^[3]等、王清良^[4]等对铀矿石样品进行了酸法和碱法的搅拌浸出和柱状浸出试验;胡鄂明^[5]等、张勇^[6]等对低品位碳酸盐砂岩型铀矿石进行了搅拌浸出试验研究;王小波^[7]等研究了不同水头压力条件下的柱状浸出试验;陈家富^[8]研究了不同粒级条件下的柱状浸出试验;李兴华^[9]等、李江^[10]等针对难浸铀矿石，在不同条件浸出剂中添加了微生物浸铀，研究其浸出效果;张青林^[11]等研究了铀矿石CO₂+O₂浸出方法;王海峰^[12]等、王刚^[13]等对铀矿床地浸开采的可行性进行了研究分析。前人的研究方法主要集中在酸法、碱法、微生物、CO₂+O₂等方法针对不同种类铀矿石中的浸出效果。本文针对内蒙古某砂岩型铀矿床在进行地浸开采可行性研究中铀浸出工艺参数的选取，采用了不同条件浸出剂的酸法、碱法浸出试验，已研究其浸出效果，确定其浸出工艺参数。

1  矿石特性

1.1  矿石样品化学成分特性

试验样品为内蒙古某铀矿床水文地质试验钻孔岩心，矿石样品岩性多为细-中砂岩，碎屑物以石英、长石为主，其次是岩屑、云母类矿物。胶结物以泥质为主，见少量铁质及硅质。矿石主要化学成分见表1。矿石中，m（U⁴⁺）/m（U⁶⁺）平均为1.61，表明矿石处于还原环境中，U⁴⁺含量相对较高，浸出时需加入较高浓度氧化剂把难溶四价铀转化为易溶六价铀;m（SiO₂）/m（Al₂O₃）平均为6.94，低于岩屑砂岩（平均8.1）和长石砂岩（平均8.7）的平均值，岩石成熟度低;含矿层具有富钾特征，含较多云母和黏土矿物;m（Fe²⁺）/m（Fe³⁺）平均为1.18，表明矿石处于还原环境中;样品中硫化物（FeS）含量不高。

1.2  矿石样品粒度组成分析

通过对样品进行湿筛法分析，结果显示矿石碎屑颗粒大部分属于细粒级，岩石结构以细粒砂状结构为主，岩性以细砂岩为主，平均占67.73%，各粒级平均含量分布见图1。粒度分析结果显示矿石中大部分铀分布在细砂、粉砂及黏土粒级中，少数分布在粗粒中，各粒级中铀的百分比分布见图2。

1.3  铀的赋存形式

矿石样品岩矿薄片鉴定见图3、图4，其中四价铀约占60%，六价铀约占40%。通过铀的化学分析结果显示，矿石样品中铀矿物主要是沥青铀矿，呈分散的。矿石中部分铀已分散吸附态存在，被矿石中的黏土矿物及有机质吸附，

2  矿石柱状浸出试验

2.1  浸出原理

在酸法浸出过程铀矿石中的Ⅳ价铀基本不与硫酸发生反应，而Ⅵ价铀可以被硫酸溶解而生成硫酸铀酰，所以在酸法浸出过程中，必须加入氧化剂将Ⅳ价铀氧化为Ⅵ价铀参与反应^[14]。其反应原理如下：

UO₂+O₂→UO₃;

UO₃+H₂O+H₂SO₄→UO₂（H₂O）SO₄ 。

碱法浸出的原理是Ⅵ价铀在碱性介质中可以形成比较容易溶解的络合物，而Ⅳ价铀在碱性介质中不易溶解，必须加入氧化剂将其氧化为Ⅵ价铀。其反应化学方程式如下：

UO₂+O₂→UO₃;

UO₂²⁺+2HCO₃-→UO₂（CO₃）₂^2- +2H⁺;

UO₂（CO₃）₂^2-+HCO₃^-→UO₂（CO₃）₃^4-+H⁺ 。

2.2  目的

礦石柱浸试验可确定浸出剂适宜质量浓度、消耗量、浸出液铀质量浓度与浸出时间、铀浸出率与浸出时间的关系、氧化剂及液固体积质量比等参数对铀浸出的影响。

2.3  方法与过程

试验装置：主体采用PPR管，外径5 cm，内径3.5 cm，管壁厚0.75 cm，试验设计管长0.70 m，进液方式采用高位槽，下进液，位差约1.5 m。

试验参数：本次试验采用五组不同类型和质量浓度的浸出剂，配方见表2，其中1、2号试验为酸法浸出，3、4、5号为碱法浸出，各组试验装样参数见表2。各组装样密度均为1.55  g·cm^-3，样重1.043 kg，铀品位0.079 3%，矿样内径 35 mm，矿样长度 70 cm。

试验方法：试验主要分为饱水阶段、渗透系数阶段、浸出阶段。饱水阶段主要是大致估算柱内样品的孔隙度。以出水端弯头出现自由水面为终结点。以柱内滞留水量为饱水试验所用水量。本次试验测定样品的平均有效孔隙度。

K₁=Q/V=51.83/673.14=0.077。

式中：K₁ —孔隙度;

Q —柱管内滞留水量;

V —柱管体积。

渗透系数阶段主要是观测柱管内的水动力条件，测定渗透系数。在定水头供水的情况下，以测压柱管内的水位波动上下不超过2 cm，同时日出水量稳定为标准视为该阶段结束的标志。渗透系数计算公式为：

K = Q·L /（Δh·s）。

式中：K —渗透系数， m·d^-1;

Q —每天的渗透量， m³·d^-1;

L —实验装置里装有矿石的长度， m;

Δh —测压管水头差， m;

S —实验装置里装有矿石的横断面面积， m²。

根据测试结果显示，五组条件试验渗透系数加权平均值为0.15 m·d^-1。

浸出阶段主要是观测浸出液中铀质量浓度、pH、Eh值等，计算铀浸出率与浸出时间的关系，取样间隔时间为24 h，浸出时间为30 d。由于样品中四价铀难以溶解浸出，其溶解需一定的pH值条件外，还需一定的氧化还原电位，使其从四价铀转变成六价铀。因此五组条件试验分别在浸出第16天加入质量分数为2% 的H₂O₂氧化剂已获得浸出液铀质量浓度最大值，获得最大铀浸出率。

试验结果见表3。

2.4  结果及讨论

铀矿石样品五组条件试验柱状浸出结果见表3。两组酸浸试验渣计铀浸出率均大于90%，三组碱法试验渣计铀浸出率均小于60%，酸浸效果要明显好于碱法浸出。2号条件试验浸出液铀平均质量浓度为75.18 mg·L^-1，最高质量浓度达到256.90 mg·L^-1。

2.4.1  浸出液铀质量浓度随浸出时间变化特征

五组条件试验中浸出液铀质量浓度随着浸出时间的变化关系见图5。由圖5可知，1号试验在浸出第6 d，浸出液中铀质量浓度已达峰值，189.22 mg·L^-1;2号试验在浸出第9 d，浸出液铀质量浓度达到峰值，250.86 mg·L^-1;3、4、5号试验分别在浸出第7、第11、第8 d，浸出液铀质量浓度达到峰值。在浸出第16 d分别使用氧化剂后，各组试验浸出液铀质量浓度均有明显上升，但上升幅度均小于其铀质量浓度峰值的一半，铀质量浓度下降速率也较快，说明氧化剂的使用有一定效果，使矿样中一部分四价铀氧化成六价铀，从而容易的被浸出，但是效果不显著，对于矿层条件来讲，氧化剂的最佳质量浓度可在下一步现场试验中准确的定下来。

2.4.2  铀浸出率随浸出时间变化特征

五组条件试验铀浸出率随浸出时间的变化关系见图6。

由图6可知，1号试验在浸出第15 d，铀浸出率加速上升，在第23 d稳定在80%以上;2号试验在浸出第9 d，铀浸出率即加速上升，在第16 d即稳定在80%以上，对比这两组酸浸试验，由于浸出剂质量浓度的差异，2号试验在最短浸出时间、铀浸出率均优于1号试验;3、4、5号碱法试验在浸出第25 d后，铀浸出率趋于稳定，小于65%。

2.4.3  浸出剂的类型及最佳质量浓度选择

根据试验结果，综合对比铀浸出率、浸出液铀平均质量浓度、浸出液最高质量浓度、浸出时间最短等因素，本次试验矿石样品适合酸法浸出，浸出剂类型为H₂SO₄，本次条件试验2号试验的铀浸出率、最短浸出时间、浸出液铀平均质量浓度均为五组试验的最佳选择，浸出剂的最佳质量浓度应为  10 g·L^-1。

3  结论与建议

1）该地区铀矿石样品适合酸法浸出，酸法浸出的效果明显好于碱法浸出，可用硫酸作浸出剂，适宜质量浓度为10 g·L^-1，达到80%浸出率需要16 d;

2）浸出一定时间后，加入2%氧化剂可使铀浸出率提升，浸出液中铀质量浓度亦大幅提高，但提高幅度不超过最高铀浸出质量浓度的一半，说明样品有不同程度的氧化的现象;

3）浸出剂消耗量与液固比的细化研究有待下一步现场试验完善。

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