新疆某地浸退役采區礦石的強化浸出工藝研究

趙利信，許 影，鄧錦勛，楊立志，周 越

（核工業北京化工冶金研究院，北京 101149）

原地浸出采鈾工藝（下文簡稱“地浸”）是一種通過鉆孔將試劑注入地下直接溶解礦石中的鈾，四價鈾U（IV）氧化為六價鈾U（VI）進入溶液，而不使礦石產生位移的集采、冶于一體的開采方法[1-3]。地浸技術已廣泛應用于我國砂巖型鈾礦的開采，預計到2020年，地浸產能將至少占我國天然鈾產能的90%[4]。位于新疆伊犁的某砂巖型鈾礦床是我國首座工業化運行的酸法地浸礦山，自20世紀90年代初運行至今已連續開采近30年，部分采區面臨退役[3]。這些采區若直接退役，將面對殘余資源量浪費問題及地下水中鈾濃度較高導致的嚴重地下水治理問題[5-6]。但對面臨退役的砂巖鈾礦而言，礦石中容易浸出的鈾經過長期地浸大都被開采，要想繼續回收殘余鈾資源，需針對性開發強化浸出方法[7]。強化浸出不僅可提高資源回收率，還可減輕礦山退役和地下水復原的負擔[8]。本文以新疆某鈾礦床退役采區為例，對采集自含礦含水層的巖心樣品開展了室內強化浸出試驗研究，取得了較好效果，這對準退役地浸礦山的強化浸出有較好的指導意義。

1 樣品概況

新疆伊犁盆地已成為我國目前重要的天然鈾生產基地，盆地內賦存了一系列大型砂巖型鈾礦床[9]。目標礦床含鈾礦體主要發育在侏羅系水西溝群的中下部，水西溝群是一套含煤的沖積扇、河流相、濱湖三角洲相沉積體系，第V 旋回是該礦床最主要含礦層 位[10]。本次研究從新疆伊犁某鈾礦床第V 旋回含礦含水層進行了采樣，共采集9 個鉆孔的巖心樣，編號為HYY-1 至HYY-6，HYY-8，HYY-10，HYY-12。巖心樣多為疏松的灰色砂巖、含礫砂巖、中細砂巖，少量砂巖呈淺黃色。由于目標礦床已經工業開展近30年，除HYY-1 樣品中鈾含量稍高（0.031%）外，浸出試驗原樣中鈾含量大都非常低（0.003%～0.031%），平均僅0.009%，已低于砂巖型鈾礦的工業開采品位，詳情如表1所示。由于采自老采區，研究樣品中容易浸出的鈾已開采殆盡，殘余鈾大都以類質同相的形式存在于難溶酸的礦物中。而對于老采區來說，其生產工藝流程均已固化，無法進行大規模新工藝的變革，因此，結合老采區運行條件，在其工藝基礎上進行強化浸出工藝調整是本文強化浸出試驗設計的 基調。

2 強化浸出試驗流程

室內巖心整理中首先將每個采集的巖心樣剝離表層污染物，將砂巖巖心的膠結物破碎，散樣混合用來做強化浸出試驗。剩余樣品破碎至粒度＜200 目，供化學分析使用。固體樣品中鈾的含量按中核集團企業標準EJ/T267.3-1983 使用化學分析法分析測試。

強化浸出試驗根據目標礦床退役采區停止生產前的運行條件制定，試驗浸出劑使用硫酸，氧化劑采用Fe3+，具體參數如下：SO42-15 g/L（按（NH4）2SO4加）；Fe3+1.5 g/L（按Fe2（SO4）3加）；H2SO42.5g/L； 液固比2:1。每個樣品共經過兩輪浸出試驗，每輪浸出試驗結束后分析測試固體殘渣中的鈾含量及浸出液的U、pH 和Eh。

具體試驗步驟如下：（1）稱100 g 自然粒徑的浸出樣置于500 mL 規格三角瓶中，按試驗條件依次往三角瓶中加入200 mL 水，0.5 g 的硫酸，1.07 g 的（NH4）2SO4和2.39 g 的Fe2（SO4）3；（2）將樣品、水、試劑混合均勻，然后置三角瓶于振蕩器上震動攪拌2 h；（3）振蕩結束后，取出三角瓶靜置48 h；（4）靜置48 h 后，使用真空抽濾系統抽濾三角瓶內的固液混合物，抽濾至漏斗中無可見液體且短時間內不再有液體流出為止；（5）收集過濾的浸出液，并測量、記錄其體積、pH、Eh、酸和鈾含量；將過濾后的殘渣烘干并分析其鈾含量；（6）稱取烘干后的殘渣50 g，重新按試驗條件加入100 mL 水，其余試劑量減半，重復第（1）至（4）步。

3 試驗結果與討論

第一輪和第二輪強化浸出試驗結果分別如表1和表2所示。

表1 研究樣品第一輪強化浸出試驗結果

由表1可以看出，第一輪強化浸出液中的鈾濃度高低不同（從低于0.005 至0.099 g/L），浸出原樣中殘余鈾多的樣品其浸出液中鈾含量亦較高，如HYY-1 原樣中鈾含量最高，達0.031%，其第一輪浸出液中鈾含量也高達0.099 g/L，以渣計的浸出率較高（77.4%），在圖1中，第一輪浸出液中鈾濃度與浸出渣中的鈾含量的變化趨勢一致；原始鈾含量較低的HYY-2、HYY-5、HYY-12 已無更多鈾可浸出，浸出液中的鈾濃度＜0.005 g/L（見圖1）。經過第一輪強化浸出，原樣中絕大部分的鈾已被浸出，對應浸出渣中的鈾含量均下降且低于0.010%，如圖1所示。

表2 研究礦床樣品第二輪強化浸出試驗結果

由表2可以看出，經過第一輪浸出，第二輪浸出溶液中的鈾含量明顯偏低（絕大多數＜0.005 g/L，僅有HYY-10 樣品的浸出液中鈾含量達0.008 g/L；如圖2所示，殘渣中的鈾含量均低于0.010%，這表明，雖然浸出液中鈾濃度較低，但第二輪強化浸出仍從殘渣中浸出了部分鈾。

圖1 第一輪強化浸出試驗結果

圖2 第二輪強化浸出試驗結果

由表1、表2、圖3（a）可以看出，第一輪與第二輪浸出液的pH 值均落在了1 ～2 之間，每個樣品第一輪浸出液pH 值均高于第二輪。在圖3（b）中，除HYY-5 及HYY-10 外，其余樣品第二輪浸出液的電位均低于第一輪浸出液。pH 和Eh 的變化趨勢意味著第二輪浸出試驗中耗酸較少而溶液氧化性稍高，這表明第一次浸出已經被把巖石中的耗酸、還原性物質消耗殆盡。

除原始樣中鈾含量本來就很低的HYY-2和HYY-12 外，第一輪浸出的渣計浸出率（16.7%～77.4%），總的來說，高于第二輪浸出（16.7%～25%）（見表1、表2）；浸出率結果與第一輪浸出液中鈾含量較高一致，原因是第一輪強化浸出試驗已浸出大部分的鈾。部分樣品鈾的浸出率為零或為負值，原因可能是這些樣品中鈾的含量已經很低，化學法分析誤差較大。

圖3 第一輪與第二輪試驗浸出液pH 與Eh 對比

在地浸礦山退役前進行二次開發較直接退役治理可有效提高鈾資源的回收率，并減輕地下水治理成本和礦山退役負擔。地浸礦山二次開發的重點在強化浸出，強化浸出則要充分氧化四價鈾U（IV）、增大溶浸強度以提高浸出液鈾濃度[7]。為實現研究礦石的強化浸出，本次試驗選用硫酸作為強化浸出試劑，而加入硫酸鐵是因為三價鐵離子可以起到氧化劑的作用，充分氧化殘余四價鈾。此外，本研究中加入的硫酸銨作為一種強酸弱堿鹽，溶于水后水解，溶液呈酸性，亦可抑制三價鐵的沉淀，但現場應用時應注意銨離子地下水污染的問題。

總之，這兩種試劑的加入是通過強酸+強氧化的方法浸出殘余鈾，達到充分溶浸的要求。強化浸出的試驗結果表明，雖然研究礦床目標采場礦層已經過了長時間的酸法地浸，整體礦石鈾品位不高，但礦石中剩余鈾資源仍有相當一部分以可地浸的形式存在，經強化浸出處理后可以獲得可觀的金屬量，部分礦石仍有相當可觀的浸出率；即使原樣中鈾含量較低的樣品經過強化浸出仍可以釋放出一定的鈾。雖然本次研究只是室內試驗，但效果良好，對現場擴大浸出試驗仍有參考價值。強化浸出試驗為下一步大規模殘余鈾資源的二次開發打下了基礎，對礦山而言，也可在回收剩余鈾資源、延長礦山生命周期的同時，減輕退役負擔，獲取更多經濟收益。

4 結論

對新疆伊犁某鈾礦床老采區鈾礦石的室內強化浸出試驗表明，強化浸出提高了地浸氧化和溶浸強度，可有效浸出礦石中殘余的鈾資源。針對長期地浸的礦石的室內強化浸出試驗獲得的浸出液中，鈾含量最高達0.099 g/L，渣計的浸出率最高為77.4%。對該礦床案例的研究也意味著酸法地浸礦山退役前進行強化浸出處理（或更深入地二次開發）可在一定程度上提高鈾資源回收率，提高浸出液鈾濃度，減輕礦山退役治理負擔。