鈾礦石物質組成對微生物浸鈾工藝的影響

王志華

微生物浸鈾是借助某些微生物的催化作用,使鈾礦石中的金屬鈾溶解的濕法冶金過程,自1966年加拿大利用微生物浸鈾的研究及工業化應用成功以后,現已被廣泛用于低品位、難采、難選冶鈾礦石的浸出,在國內也愈來愈受到重視。和傳統的方法相比,微生物浸鈾具有充分利用回收礦產資源,對環境污染小,降低酸耗和氧化劑用量,縮短浸出周期,提高經濟效益等優勢。

影響微生物浸鈾效果的因素有很多,礦石物質組成特性是其中的根本性因素,是設計和優化工藝流程的基本依據。本文在前人研究成果的基礎上結合本人的研究實踐,從礦石的礦物成分、化學成分、鈾的存在形式、黃鐵礦等方面探討礦石物質組成對微生物浸鈾工藝的影響。

1微生物浸鈾機理

微生物浸鈾是利用微生物的生物化學作用,選擇性的將礦石中的鈾溶解出來的一種方法。在多數鈾礦石中,鈾以四價和六價的混合狀態存在,四價鈾的氧化物在酸性介質中是不溶的,鈾的溶解是基于六價鈾的溶解。浸礦微生物氧化溶解礦石中的黃鐵礦,獲得生長所需的能量,同時生成硫酸和三價鐵,為鈾的溶解提供浸出劑和氧化劑。

4FeS2+15O2+2H2O2

2Fe2(SO4)3+2H2SO4

2礦石物質組成對微生物浸鈾的影響

鈾礦石是微生物浸出的對象,礦石物質組成和工藝特性對浸出效果產生根本影響。礦石的礦物組成、鈾的賦存形式、化學成分、黃鐵礦的含量等都將影響微生物與礦物的作用方式和鈾浸出效果。

2.1 礦物組成

Barrett認為,影響浸出速率的決定因素是礦物的性質。鈾礦石中礦石礦物主要有瀝青鈾礦、晶質鈾礦、鈾石、釷鈾礦、鈾釷石、鈦鈾礦和次生鈾礦物等；脈石礦物主要有石英、長石、云母、方解石、金紅石、螢石、磷灰石和粘土礦物等；金屬礦物一般含量很少,主要為Fe、Pb、Cu的硫化物,常見的主要為黃鐵礦。不同的礦物在微生物浸出體系中表現出不同的工藝特性。

石英性質穩定,在浸出過程中不起化學反應,若礦石中含有大量石英,則有利于經濟地從礦石中提取鈾；原生硅酸鹽礦物是不大參加化學反應的,只有在高酸度條件下才會部分溶解,給工藝過程帶來困難,而次生硅酸鹽礦物,如綠泥石和粘土礦物卻能部分溶解于稀酸中,同時這類礦物形成的細泥會造成板結、堵塞等問題,給工藝帶來比酸耗更加嚴重的問題；碳酸鹽礦物,主要為方解石和白云石,該類礦物在浸出體系中易溶于酸,增大酸耗,提高成本,當礦石中碳酸鹽是一主要組分是,就必須改用堿法浸出,同時會導致溶浸液中CaSO4達到飽和而沉淀在礦石表面,阻礙反應的進一步進行；螢石在溶浸過程中會逐步溶解,生成氫氟酸,間接提高酸耗,同時,F2-進入溶液會對細菌的活性造成明顯的抑制作用。

2.2 鈾賦存狀態

鈾礦石中鈾以獨立鈾礦物、類質同象和吸附狀態存在。獨立鈾礦物主要有瀝青鈾礦、晶質鈾礦、鈾石和次生鈾礦物等,主要呈細、網脈狀、粒狀、團塊狀、星點狀分布于裂隙、礦物晶體間隙或礦物內部的空隙中,這一部分鈾是比較容易浸出的,浸出試驗的結果也表明這一點,在浸出渣樣中很少能見到獨立鈾礦物,只有少量細小鈾礦物由于被石英或其他礦物緊密包裹難以浸出,此外,次生鈾礦物(如鈣鈾云母、硅鈣鈾礦等)中的鈾以六價態存在,容易溶解浸出,而鈦像鈾礦等復雜氧化物是難浸礦物,需要在很苛刻的條件下才能溶解；釷鈾礦、鈾釷石、鋯石等礦物中的鈾呈類質同象形式存在,一般較難浸出；粘土礦物、綠泥石等礦物表面存在有成吸附狀態的鈾,這種鈾也易于浸出。

2.3 化學組成

礦石的化組成也就是礦石中存在何種化學元素及其含量。對微生物浸鈾過程用影響的元素主要有:U、Fe、S、P、F、Cl、Ca、Mg、CO2等。

礦石中的鈾主要以四價和六價鈾存在。在酸性介質中四價鈾的氧化物是不溶的,四價鈾要在氧化劑的作用下氧化成六價鈾才能被溶浸液浸出。鈾的浸出時基于六價鈾的溶解,因此四價和六價鈾的比例對鈾的浸出有重要影響。

為微生物代謝活動提供能源的元素S和Fe,主要由礦石中的黃鐵礦提供。磷和氮是微生物生長所必須的營養物質,浸出環境中氮、磷量應當充足,實踐中應根據礦石的組成情況,通過試驗來確定加入氮、磷的量。但由于多數礦石中都含有磷酸鹽,所以浸出時可以不加或少加磷酸鹽。

對微生物生長、繁殖有抑制和毒害的元素,主要有氟、汞、砷、鉛等元素。以氟為例,在鈾礦石微生物浸出體系中,環境PH值一般小于2,礦石中螢石會部分溶解,氟以離子形式進入溶液,氟可破壞細胞膜,對原生質體具有毒性作用,而且過量氟對細胞內蛋白質DNA的合成具有抑制作用,在實踐中針對高氟礦石就需要對微生物進行耐F馴化,來使得微生物在高氟的環境下依舊保持活性。

Ca、Mg、CO2是礦石中的主要耗酸成分,耗酸成分過高會增加酸耗,提高成本。

2.4 黃鐵礦

微生物浸鈾過程中,礦石中的黃鐵礦起著關鍵的作用,黃鐵礦即為微生物提供能源,同時又為浸出體系提供Fe3+。微生物浸出法是基于微生物對黃鐵礦等硫化物的氧化作用產生硫酸和高價鐵,為鈾的浸出提供浸出劑和氧化劑。因此,生物浸出法只限用于硫化物含量較高的礦石,對于黃鐵礦含量很低的礦石,有研究表明在這類礦石中通過人工添加適量的黃鐵礦會產生有益作用,有報道顯示在葡萄牙和印度的礦石中通常加入5kg/t的黃鐵礦,在西班牙礦石中加3kg/t的黃鐵礦都產生了良好的效果。

同時不同類型的黃鐵礦在浸出過程中也表現出不同的性質,顆粒細小、結晶差、表面積較大的比較容易被微生物利用,相反晶形完整、粒度粗大的則很難被微生物有效徹底利用。浸出試驗也表明這一點,在浸出渣中發現有大量的晶形完好粗大的黃鐵礦,而在原礦石中較常見的膠體狀、草莓狀黃鐵礦卻很少見到。

3結語

鈾礦石是微生物浸鈾的對象,礦石的物質組成和工藝特性是設計和優化工藝流程的基本依據。微生物浸鈾是一個比一般的化學浸出更加復雜的反應過程,根據微生物浸鈾的基本原理和特點,如果礦石中含有適量的黃鐵礦、鈾以對菌液敏感且易溶解的形式存在、含有微生物生長所需要的營養物質、不含大量的耗酸礦物、不含對微生物有毒害作用的化學組分,那么微生物浸鈾的效果是明顯的,可達到降低酸耗、提高浸出率、縮短浸出周期、降低環境污染等目的。

參考文獻

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