新疆某砂巖鈾礦CO2+O2加壓滾瓶浸出試驗研究
劉率帥1，王清良1，胡鄂明1，李 乾1，桂增杰1，王星星1，陽奕漢2，張 勇2，張青林2
（1．南華大學核資源工程學院，湖南衡陽421002；2．中核新疆天山鈾業(yè)有限公司，新疆伊寧835000）
摘要：根據(jù)CO2+O2地浸采鈾工藝技術特點，選取新疆某鈾礦山取得的砂巖巖芯鈾礦石，自行設計了CO2+O2加壓滾瓶浸出試驗裝置，并進行了室內(nèi)CO2+O2加壓滾瓶浸出試驗。結(jié)果表明，當CO2+O2總壓為2.0 M Pa，液固比10：1時，金屬鈾浸出率達到70%，采用多級浸出和后期加氧化劑強化浸出，鈾浸出率達90%以上。說明該礦床鈾礦石適合CO2+O2浸出工藝，試驗結(jié)果可為CO2 +O2現(xiàn)場浸出試驗和工程設計提供依據(jù)和指導。
關鍵詞：CO2+O2；地浸采鈾；滾瓶試驗；加壓浸出
中圖分類號：TD868文章編號：1004-4051(2016)06-0100-04
砂巖鈾礦原地浸出一般采用酸或堿作為浸出劑，酸法浸出的優(yōu)點是浸出速度快，浸出率高；缺點是選擇性差，地下水治理費用高，對含碳酸鹽高的礦床不適合。堿法浸出的優(yōu)點是選擇性好，對地下水污染程度低，適合于碳酸鹽含量高的鈾礦床；缺點是浸出率相對低，浸出時間長等。
針對酸法和堿法地浸存在的不足，國外已經(jīng)在浸出劑的選擇上進行了新的探索。美國Highland鈾礦是西方產(chǎn)量最大的地浸采鈾礦山之一，采用CO2+O2浸出取得很好效果。此方法對一些碳酸鹽含量高、滲透性差的鈾礦石以及地下水礦化度高的鈾礦床具有很強的實用性。隨著我國對綠色環(huán)保和節(jié)能減排型礦山建設的日益重視，CO2+O2地浸采鈾工藝技術因具備試劑消耗少、對儀器設備及材料的腐蝕性小、浸出液鈾濃度穩(wěn)定、不破壞礦石的天然滲透性、開采后地下水治理簡單等優(yōu)點，已成為砂巖鈾礦床地浸采冶技術發(fā)展的重要方向。根據(jù)地浸采鈾工藝技術特點，用自行設計加工的CO2+O2加壓滾瓶試驗裝置，對新疆某地浸鈾礦山所取的巖芯砂巖鈾礦，進行CO2+O2加壓滾瓶浸出的不同壓力、不同液固比、不同浸出時間和多級浸出等試驗，試驗結(jié)果可為CO2+O2地浸采鈾工程的礦山設計和現(xiàn)場條件試驗提供依據(jù)與指導。
1 材料與方法
1.1 礦石樣品制備
試驗樣取自新疆某鈾礦兩個礦床鉆孔巖芯巖礦樣（礦床編號為1#，2#）。采用手選、破碎、縮分等方法對礦石樣品進行制備。共制備了8個鈾礦石樣，進行巖石礦物學分析、化學成分分析、粒級篩析和浸出試驗等。
1.2試劑
試驗所用試劑見表1。
1.3儀器設備
試驗所用儀器設備見表2。
1.4試驗裝置
CO2 +O2加壓滾瓶試驗裝置，是根據(jù)實驗要求先進行設計，再委托有高壓容器制造資質(zhì)的某核工業(yè)機械有限公司加工制造。由加壓反應罐、振蕩器、CO2氣瓶和O2氣瓶組成。罐體直徑89mm，高160mm，罐頂蓋上有進氣閥、排氣閥、排液閥和壓力表。裝置按圖1連接。
1.5試驗方法與步驟
本次浸出試驗主要內(nèi)容包括：CO2 +O2不同壓力浸出試驗、不同液固比浸出試驗、不同浸出時間浸出試驗和多級浸出試驗。自行研制的加壓滾瓶浸出設備，使用前先空載試壓試漏，然后組裝鏈接帶水試壓；調(diào)試達到要求后進行試驗。試驗步驟如下所述。
1)打開反應罐頂蓋，將準確稱量的礦石樣加入反應罐內(nèi)，按設計的液固比加入自來水，用玻璃棒攪拌均勻，然后蓋上反應罐頂蓋，擰緊螺栓，確保密封不漏。
2)把反應罐固定在振蕩器上，按圖1所示將設備連接。
3)向反應罐緩慢加入O2，待其壓力達到試驗設計總壓的二分之一(試驗總壓為2.0MPa，先緩慢加入O21.0MPa)，同時啟動振蕩器，待壓力穩(wěn)定后停止加入O2，關閉O2閥門。
4)向反應罐緩慢加入CO2氣體，操作方法同O2，總壓達到2.0MPa，達到穩(wěn)定后，停止加入，關閉CO2閥門。
5)開始振蕩，定期觀察反應罐內(nèi)壓力，達到預定時間后，停止震蕩，打開排氣閥，取出反應罐，倒出漿體，過濾、洗滌。
6)取濾液分析U、pH值、HCO3-及CO32-含量；濾渣烘干分析U。
2 結(jié)果及討論
2.1巖石礦物鑒定
對1#，2#礦床的兩個鈾礦樣進行了巖石礦物鑒定，制作礦樣砂薄片，進行正交叉鏡照片和鏡下觀察，結(jié)果見圖2和圖3。
鑒定結(jié)果如下所述。①巖芯礦樣巖石為鐵質(zhì)-鈣質(zhì)-黏土質(zhì)-石英屑和不等粒復成分砂屑-巖屑。礦樣屑砂巖型，主要由石英巖、硅質(zhì)巖、石英砂巖和鈣質(zhì)砂巖屑等組成。其中，礦石中礦物主要為石英（質(zhì)量分數(shù)為62%～72%，平均為67%）、玻屑凝灰?guī)r巖屑（8%～18%，平均為13%）、方解石(3%～4%，平均為3.5%)、不透明鈦鐵氧化物(12%～21%，平均為16. 5%)。②該礦床礦石中鈾的存在形式有鈾礦物、吸附鈾及含鈾礦物，獨立鈾礦物難以發(fā)現(xiàn)，主要存在形式為吸附鈾，存在于含鈾礦物中的鈾很少。
2.2 礦樣化學成分分析
取1#，2#化學分析樣，對主要元素進行分析，分析結(jié)果見表3。
從表3可知：①礦樣U品位較低，約0. 035%，1#中U4+占鈾總量的46%，2#中U4+占鈾總量的35%，說明該礦石浸出過程中需要加入氧化劑；②兩個礦樣的化學成分及含量均相近，礦樣中Ca、Al、CO2含量較高，Ca O含量為0.8%～2.0%，Al2O2含量為7.7%～9．0%，CO2含量為1.5%～3.2%，SiO2含量則大于80%，說明該礦石耗酸大，不適合采用酸法浸出。
2.3粒級篩析試驗
取1#和2#試驗礦石樣進行粒級篩析，結(jié)果見表4。
粒級篩析和U分析結(jié)果可知：兩個礦樣粒級組成相近，以0. 45mm粒度為界，上下粒級礦石質(zhì)量各占50%左右；不同粒級礦石U品位分布規(guī)律不明顯。
2.4 CO2 +O2滾瓶浸出試驗
稱取1#礦石樣100g，鈾品位0.034%，化學成分見表3，采用CO2+O2浸出，液固比為10：1，浸出時間24h。試驗時先通入O2，再通入CO2。為了比較，還進行了NH4HCO3+H2O2對比浸出試驗。試驗結(jié)果見表5。
由表5可以看出：①pH在6～7時，水溶液中CO3幾乎不存在，溶液中的碳酸鹽以HCO3形式存在，而鈾的浸出過程實際是HCO3的浸出；②用CO2+O2浸出時，鈾浸出率為43. 6%～62. 8%，與低質(zhì)量濃度的NH4HCO3溶液浸出比較，鈾浸出率較高。
2.5不同液固比浸出試驗
稱取1#礦石樣50g，CO2壓力1.0MPa，O2壓力1. 0MPa，總壓2.0MPa，液固比為3:1和10：1，浸出時間為1d、2d、3d、4d、5d和6d，浸出結(jié)果見圖4。
由圖4可知，浸出從第一天到第四天，浸出率逐步升高，但隨后浸出率不再有明顯變化；增大液固比，在一定程度上能夠提高鈾的浸出率。
2.6 CO2 +O2加壓多次浸出試驗
稱取1#和2#兩種礦石樣各50g，液固比3：1，CO2壓力1.0MPa，O2壓力1.0MPa;每級浸出時間為24h;第五次和第六次各加入5mL雙氧水，浸出結(jié)果見圖5。
從圖5可以看出，加壓多級浸出，從第一級到第四級，單級浸出率逐級遞減，但第五級加入雙氧水后，鈾浸出率出現(xiàn)較大幅度增加，鈾總浸出率達到90%左右。結(jié)果表明，采用多級攪拌浸出且后期加入氧化劑強化浸出的方式，可以獲得較好的浸出效果。加入氧化劑使得礦石中U(Ⅳ)被氧化為UⅥ)后浸出，這與化學分析結(jié)果U(Ⅳ)占鈾總量的30%～40%相吻合。
3結(jié) 論
1)兩個鈾礦床的礦石樣礦物組成和化學成分相差不大，采用CO2+O2浸出，鈾浸出速率較慢，短時間內(nèi)鈾浸出率不高。
2)兩礦樣中U(Ⅳ)含量分別為46%和35%，加入雙氧水可以氧化U(Ⅳ)為U(Ⅵ)，提高鈾的浸出率；采用CO2+O2加壓多級浸出且后期加氧化劑強化浸出，鈾浸出率可達到90%。
3)CO2+O2加壓滾瓶浸出試驗裝置自行研制，方便實用、穩(wěn)定可靠，可以滿足砂巖鈾礦浸出試驗要求。
