含泥砂巖鈾礦的浸出實驗研究

程偉鴻, 史文革

（南華大學， 湖南 衡陽 421001）

鈾具有放射性，是發(fā)展核能發(fā)電、核武器、核反應堆燃料等必不可少的原料，同時也是國家重要的戰(zhàn)略資源。我國鈾年產(chǎn)量不足世界的3.5%，因此，提高鈾產(chǎn)量對我國發(fā)展具有重要意義。鈾礦資源開采中，原地浸出法成本效益最高。含泥砂巖鈾礦浸出分酸性浸出和堿性浸出，酸性浸出法使用硫酸、鹽酸、硝酸等強酸作為浸礦劑，對鈾礦進行浸出；堿性浸出法使用碳酸鈉與碳酸氫鈉等堿性試劑作為浸礦劑，對鈾礦進行浸出。本文從表面活性劑入手，對含泥砂巖鈾礦浸出進行實驗研究。

1 含泥砂巖鈾礦浸出研究現(xiàn)狀分析

1.1 浸礦劑現(xiàn)狀分析

酸性浸出法和堿性浸出法在含泥砂巖鈾礦浸出中均有廣泛應用。在酸性浸出法中，硫酸成本較低，運輸、存儲方便，對設備腐蝕性小，且作為浸礦劑，在與鈾發(fā)生化學反應后會產(chǎn)生穩(wěn)定的硫酸鈾酰絡離子，有利于后續(xù)工藝進行。硫酸作為浸礦劑對含泥砂巖鈾礦浸出反應如下：

在堿性浸出法中，碳酸鈉、碳酸氫銨、碳酸氫鈉等溶液理論上均可作為鈾礦浸礦劑，但在實際生產(chǎn)過程中，含銨離子的溶液鈾礦浸出會造成土壤、水體污染，因此通常采用碳酸鈉、碳酸氫鈉溶液進行鈾礦堿性浸出，浸出反應如下：

1.2 表面活性劑現(xiàn)狀分析

在鈾礦浸出中，表面活性劑的主要作用是減少浸礦劑的表面張力，增強浸礦劑的滲透能力，使得浸礦劑能夠沿礦石縫隙、空隙進入含泥砂巖鈾礦內(nèi)部，與之充分反應。表面活性劑可分為4種類型，為陰離子型、陽離子型、兩性離子型和非離子型，在鈾礦浸出中，因使用酸性或堿性浸出液，要求表面活性劑在酸性或堿性溶液中較為穩(wěn)定，同時又要考慮CMC、環(huán)境等因素。近幾年，Pluronic P123與Rewopal X1207L聯(lián)合活性劑、辛基苯酚聚氧乙烯醚等表面活性劑研究迅速，提高溶浸鈾礦開采率。

2 礦床地質(zhì)化學特征

本文含泥砂巖鈾礦浸出研究所涉及礦床位于內(nèi)蒙古草原腹地，地形平坦，地表嚴重覆蓋，礦床厚度較大，品味相對較高，鈾礦體位于腦木根組(E1n)，覆蓋區(qū)之下的二連組中下部，礦床有2個含礦含水層，上部第一含礦含水層厚5～13m，主礦體1號礦體產(chǎn)于該層，含礦主巖為泥巖泥質(zhì)粉砂巖、含泥粉細砂巖。該研究中采集鈾礦山含泥沙巖樣本13個，共約130kg，樣品清單如表1所示。

表1 鈾礦山含泥沙巖樣本清單

將采樣得到的含泥砂巖鈾礦樣本進行實驗礦樣制備：用風機吹干鈾礦芯樣水分，刮掉表面雜質(zhì)，用實驗錘將其敲碎至自然粒級，通過顯微放射性照相檢測分析，礦石中的鈾礦物主要為瀝青鈾礦，少量的鈾石、鈦鈾礦物，膠結(jié)物中還存在有機質(zhì)和粘土礦物吸附鈾。并且，瀝青鈾礦、鈾石、鈦鈾礦等鈾礦物與石英、黃鐵礦、金紅石等礦物關(guān)系密切，顆粒間和顆粒內(nèi)部均有鈾礦分布。

使用篩套對上述樣品各取50g混合，分6個粒級篩分，并對鈾元素在各組中分布進行實驗分析。實驗結(jié)果為，粗粒度產(chǎn)鈾率最高可達24.07%，細粒度產(chǎn)鈾率為23.06%，中等顆粒鈾產(chǎn)率在13.13%～14.65%之間變動。同時，由于礦石的膠結(jié)物與填隙組分主要為粘土礦物，主要成分為高嶺石與伊利石，有利于地浸。各粒級礦石的碳酸鹽含量不高，十分有利于酸法浸出。

3 鈾礦浸出表面活性劑研究

在含泥砂巖鈾礦浸出過程中，浸礦劑滲透性越強，與鈾礦石接觸越充分，反應后鈾的產(chǎn)出率越高。由于浸礦劑為液相，鈾礦為固相，浸礦劑液體表面會產(chǎn)生張力，影響浸礦劑與鈾礦的充分接觸，同時，在反應過程中，細小顆粒會堵塞鈾礦表面的縫隙、孔隙，導致浸礦劑無法持續(xù)滲透進入鈾礦內(nèi)部；含泥砂巖鈾礦中的鈣、鎂等離子與強酸溶液發(fā)生反應，也會生成沉淀，難以溶解。此時需要表面活性劑來減少浸礦劑的表面張力，增強浸礦劑的滲透能力，使浸礦劑沿礦石縫隙、空隙進入含泥砂巖鈾礦內(nèi)部，增大反應接觸面，并與之充分反應。一種表面活性劑無法兼顧成本與效果，因此在鈾礦實際開采過程中，往往使用多種表面活性劑復配，得出適合浸礦劑的最佳配比。

3.1 新型表面活性劑原料研究

陰離子型在酸性或堿性溶液中較為穩(wěn)定，且成本較低，有羧酸鹽型、硫酸型等種類，該種表面活性劑在溶液中可以形成陰離子，具有憎水性，在乳化劑、化妝品等領(lǐng)域應用廣泛。陰、陽離子型表面活性劑無法同時使用，但陰離子型表面活性劑可以與非離子型表面活性劑配合使用。

陽離子型表面活性劑的研發(fā)和應用相對而言起步較晚，主要成分是含氮的有機胺衍生物，包括胺鹽型、啰鹽型等。陽離子型表面活性劑在堿性介質(zhì)中易析出從而喪失活性；然而在酸性介質(zhì)中，它的表面活性卻不會受到影響，因為陽離子型表面活性劑的氫鍵能夠與酸分子中的氫相結(jié)合，從而帶有正電荷。陽離子型表面活性劑一般具有較好的洗滌、殺菌、乳化以及抗腐蝕等性能，而這些性能的發(fā)揮主要歸功于它的結(jié)構(gòu)特點。

非離子型表面活性劑在溶液中穩(wěn)定性極高，受溶液酸堿性、無機鹽影響較小，適合與其他類型表面活性劑復配使用。主要有多元醇型、非離子氟碳型等種類，近年來在特殊洗滌劑工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展迅猛，常見產(chǎn)品有聚乙二醇辛基苯基醚、辛基酚聚氧乙烯醚等。

加入適當?shù)谋砻婊钚詣┛梢栽黾訚櫇衽c增滲作用，從而使浸礦劑與含泥砂巖鈾礦充分接觸反應。評價潤濕與增滲的標準可用鋪展速度衡量，計算如下：

從該公式可以得出，表面張力越大，鋪展速度越快；接觸角在0度至90度之間時，隨角度增大，接觸角余弦值減小，鋪展速度變慢。在實際工業(yè)生產(chǎn)過程中，使用某一種表面活性劑難以同時使得表面張力與接觸角同時達到最優(yōu)值，因此需對2種或多種表面活性劑進行復配，使其達到性能最優(yōu)。

3.2 表面活性劑復配研究

結(jié)合上述對新型表面活性劑原料的分析，本文選取辛基酚聚氧乙烯醚（OP-10）、含氟非離子表面活性劑FS-3100進行復配研究。因含氟非離子表面活性劑FS-3100市場價較高，為節(jié)約成本，在復配過程中應盡量減少其用量，增加辛基酚聚氧乙烯醚用量。影響OP-10與FS-3100復配功效原因有摩爾分數(shù)、分子結(jié)構(gòu)、混合膠團等，其中摩爾分數(shù)對其影響最大。實驗采用酸性浸出法，使用硫酸溶液作為浸礦劑，濃度10g/L，按照FS-3100摩爾分數(shù)分別為0.37、0.47、0.61、0.78添加表面活性劑，進行溶液表面張力測定，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見，4種表面活性劑摩爾分數(shù)配比溶液的表面張力均介于單獨使用辛基酚聚氧乙烯醚（OP-10）與FS-3100之間，計算可知，在摩爾分數(shù)配比小于0.47時，增加辛基酚聚氧乙烯醚配比，復配后的表面活性劑張力減小程度加快；在摩爾分數(shù)配比等于0.47時，表面張力為17.9，此時幾乎為最低值；在摩爾分數(shù)配比大于0.47時，無論是否增加FS-3100配比，對復配表面活性劑張力影響可以忽略不計。從該實驗可知，按照辛基酚聚氧乙烯醚與FS-3100摩爾分數(shù)為0.47配比硫酸浸礦劑，既能節(jié)約成本，又能最大發(fā)揮表面活性劑功效。

4 實驗分析

通過含泥砂巖鈾礦的浸出實驗，測定浸出過程中使用復配表面活性劑對鈾活度比（ARS）和鈾濃度的影響，進而應用到鈾礦浸出開采生產(chǎn)中。實驗中將浸出柱水平放置，兩端采用過濾網(wǎng)遮擋礦石樣品；使用編號為K4-5礦樣，質(zhì)量1.27kg，橫截面積698.15mm2，長0.75m，孔隙度24%；浸礦劑選擇硫酸溶液，濃度為10g/L，共用2L。該實驗共持續(xù)40天，每2天取一次浸出液檢測分析，實驗中ARS和浸出率隨時間變化，結(jié)果如圖2所示。

隨著實驗持續(xù)進行，逐步增大復配劑用量，浸出率、固液比隨之增大。實驗開始到實驗進行到第6天期間，不加入復配劑，此時含泥砂巖鈾礦礦樣的浸出液中鈾濃度變化程度較小，浸出率維持在20%左右；在實驗進行到第6天至第20天期間，逐步增大復配劑用量，礦樣浸出液中鈾濃度急劇增大，在第20天時，浸出率達到80%左右，此后增加速度開始減緩。ARS可用于衡量鈾浸出速度，鈾活度比越低，鈾浸出速度越快，反之越慢。同樣，在實驗進行到第6天至第20天期間，鈾活度比迅速下降，其值小于1，此時鈾快速浸出，20天之后，鈾活度比上升至1以上，標志溶浸進入后期階段。

通過上述含泥砂巖鈾礦的浸出實驗結(jié)果分析可知，在硫酸浸礦劑中加入辛基酚聚氧乙烯醚（OP-10）與FS-3100復配表面活性劑（配比系數(shù)為0.47），可有效降低浸礦劑溶液表面張力、降低鈾活度比、加快鈾浸出速度、提升鈾礦石中鈾浸出率。

5 結(jié)語

本文所研究的含泥砂巖鈾礦礦區(qū)滲透性低，整體孔隙率較低，限制溶液在其內(nèi)部的自由流動與滲透。通過一系列試驗、復配，研制出新型高效表面活性劑，降低了硫酸浸礦劑表面張力，提高含泥砂巖鈾礦滲透性，進而提升了鈾浸出率。該含泥砂巖鈾礦浸出方案可用于實際鈾礦開采作業(yè)中，對于我國鈾礦事業(yè)發(fā)展具有一定的貢獻。