伊犁盆地某砂巖鈾礦的浸出動力學特征*

陳 亮 譚凱旋 劉 江 謝焱石 黃 偉 馬 強

(1.南華大學礦業工程博士后流動站;2.南華大學核資源與核燃料工程學院;3.鈾礦冶生物技術國防重點學科實驗室)

在眾多鈾礦床類型中，砂巖鈾礦床是指工業鈾礦化主要產于砂巖中的鈾礦床。據新近國際原子能機構網站數據(IAEA－TECDOC－1629報告)，全球1 352個已知鈾礦床中，有530個為砂巖鈾礦，占全球已探明總儲量的27.9%，數量和儲量均位居第一。我國近年在北方中新生代沉積盆地發現和探明了6種新的大型、特大型砂巖型鈾礦［1］，大大提高了砂巖鈾礦在鈾資源中的地位，已成為我國4大鈾礦主要工業類型之一。目前國內外的砂巖鈾礦已廣泛采用地浸技術開采［2-3］。

對于地浸采鈾來說，在浸出過程中的溫度偏低，化學反應速度與擴散速度均比較慢，因而很難達到平衡狀態。實際生產過程的最后結果常常不是決定于熱力學條件，而是決定于反應速度，也就是動力學條件。研究浸出過程動力學的主要目的為揭示浸出過程的控制步驟，從而有針對性地采取措施進行強化。目前浸出動力學的研究已成為溶浸采礦技術研究的重要課題之一，許多學者做了大量的研究，取得了豐富的成果［4-9］。然而對砂巖鈾礦浸出動力學特征的研究還不多見。為此，本研究以伊犁盆地某砂巖鈾礦為研究對象，分析其浸出動力學特征，探索鈾浸出的反應機理與控制反應進行的條件。

1 材料與方法

伊犁盆地某砂巖鈾礦位于該盆地南緣西部，含礦地層為中下侏羅統水西溝群，為產于層間氧化帶的砂巖型卷狀鈾礦床。中下侏羅統水西溝群為一套陸相含煤碎屑巖建造，由下而上劃分為3個巖組(即八道灣組、三工河組、西山窯組)、8個沉積旋回。每個旋回中都發育層間氧化帶，鈾礦化與氧化帶密切相關，所有氧化帶都有鈾礦化，其中三工河組Ⅴ旋回發育區域性層間氧化帶，為主要含礦層。含礦層為中粗粒砂巖，頂、底板為泥巖或泥巖與粉砂巖互層構成。礦體位于氧化帶與還原帶過渡位置。共采集3個礦樣用于鈾浸出動力學研究(表1)，它們的品位分別為0.011 7%(A樣)、0.179 9%(B樣)與0.019 7%(C樣)。

鈾浸出實驗的具體步驟如下:將40 g樣品置于500 mL的錐形瓶中，然后加入400 mL濃度為10 g/L的稀硫酸溶液(液固比為10∶1)，采用空氣作氧化劑，塞緊瓶塞，按一定的時間間隔取樣。每次取樣后，搖動錐形瓶，靜置，直至下一次取樣。鈾濃度與鈾品位均采用TiCl3還原—NH4VO3氧化滴定法測試。實驗結果見表1與圖1。樣品的鈾浸出率分別為65.81%(A樣)、97.89%(B樣)與85.79%(C樣)，最終浸出液鈾濃度相應為7.62 mg/L、176.30 mg/L與17.34 mg/L。

表1 鈾品位與浸出實驗結果

圖1 鈾濃度及其浸出率隨時間的變化

2 結果與討論

2.1 鈾浸出動力學特征

根據礦石浸出的核縮減模型Levenspiel［10］，其浸出過程或者受反應物通過溶液邊界層或固體產物層的擴散控制，或者受表面化學反應控制。對于反應

如果反應是受擴散控制，其簡化的速率方程可以表示為

如果浸出受表面化學反應控制，則速率方程可表示為

式中，x為已反應分數;kc為動力學常數;MB為固體的摩爾質量;CA為溶解的溶浸劑A的濃度;ρB為礦石的平均摩爾密度;a為浸出反應中反應物的化學計量系數;r0為固體顆粒的初始半徑;k為速率常數; t為反應時間。

上述2個方程表明，如果是擴散控制浸出速率，則方程(1)的左邊與時間之間必定呈線性關系;如果是表面化學反應控制浸出速率，則方程(2)的左邊與時間之間也必定呈線性關系。利用這2個方程對浸出實驗數據進行動力學分析的結果見圖2。動力學方程(1)的線性擬合程度均明顯高于動力學方程(2)的線性擬合程度，其中前者3個樣品的相關系數平方分別為0.978 9、0.989 2與0.980 5，后者的相關系數平方相應為0.899 3、0.971 7與0.938 5。這表明浸出反應主要受擴散控制，表面化學反應的影響相對較小。

圖2 鈾浸出動力學圖解

2.2 鈾浸出動力學特征的地浸意義

擴散控制浸出反應的主要特征［11］:

(1)原礦粒度對浸出率有明顯影響;

(2)攪拌強度對浸出率幾乎沒有影響。

表面化學反應控制浸出反應的主要特征［11］:

(1)浸出過程或浸出率隨溫度的升高而迅速增加;

(2)反應速度與溶浸劑濃度的n次方成比例;

(3)攪拌過程對浸出速度無明顯影響。

根據動力學分析結果，結合地浸采鈾實際，認為對該砂巖鈾礦含礦層粒度分布特征進行系統研究顯得十分必要，它可為鈾礦山合理采用地浸技術及其經濟技術評價提供重要參考。同時，增加溶浸劑濃度可在一定程度上提高鈾浸出率與資源回收率。

3 結論

A樣、B樣與 C樣的品位分別為0.011 7%、0.179 9%與0.019 7%，鈾浸出率分別為65.81%、97.89%與 85.79%，最終浸出液鈾濃度分別為7.62、176.30與17.34 mg/L。動力學方程(1)的線性擬合程度均明顯高于動力學方程(2)的線性擬合程度，表明鈾浸出反應速率主要受擴散控制，表面化學反應的影響相對較小。對該砂巖鈾礦含礦層粒度分布特征進行系統研究顯得十分必要，它可為鈾礦山合理采用地浸技術及其經濟技術評價提供重要參考。增加溶浸劑濃度也可在一定程度上提高鈾浸出率與資源回收率。

［1］ 張金帶，徐高中，林錦榮，等.中國北方6種新的砂巖型鈾礦對鈾資源潛力的提示［J］.中國地質，2010，37(5):1434-1449.

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

［11］ 李洪桂.濕法冶金學［M］.長沙:中南大學出版社，2002.