用于低渗透砂岩铀矿地浸的表面活性剂的选择*

胡　佩　谭凯旋　李春光　夏良树

(1.南华大学核资源工程学院；2.南华大学核科学技术学院)



用于低渗透砂岩铀矿地浸的表面活性剂的选择*

胡佩1谭凯旋1李春光1夏良树2

(1.南华大学核资源工程学院；2.南华大学核科学技术学院)

为有效进行低渗透砂岩铀矿地浸开采，提高溶浸液的表面活性，从表面活性剂的表面张力、泡沫性能、抗盐性、复配性能等方面进行了试验，选择了适合低渗透砂岩铀矿地浸的表面活性剂种类。结果表明：在25g/L硫酸溶浸液中加入0.01g/L的非离子氟碳表面活性剂时，溶液表面活性最高，其表面张力最小值为20.8mN/m，其中FS-3100低泡、抗盐性好、复配型好、对环境无害，优势更为突出。当复配体系FS-3100∶OP-10为3∶7时浸出效果最好，铀浸出率达到94.91%，可作为低渗透砂岩型铀矿酸法地浸开采的增渗剂。

低渗透性砂岩地浸开采溶浸液选择

地浸采铀由于生产成本低，对环境影响相对较小，一直以来是低品位矿产资源开采的重要方法，对于高效利用资源和提高企业的经济效益具有重要意义[1-2]。含矿层的渗透性是地浸采铀能否顺利开展的主要影响因素，我国初步探明的砂岩型铀矿资源中低渗透资源占一半以上，有效地开采这部分资源是铀矿工作者的首要任务。研究发现向溶浸液中加入表面活性剂能降低其表面张力，增强在铀矿石上的吸附、润湿、分散能力，快速渗透到之前不能渗入的微小孔隙和裂隙中，以增强矿体的渗透性，从而提高铀的浸出率和生产效率[3-4]。表面活性剂种类繁多，按亲水基可分为阴、阳、两性和非离子表面活性剂；按所含元素不同又分为含氟、含硅、含硼表面活性剂等，种类不同，物理化学性质相差迥异[5-6]。泡沫性能、抗盐性及复配性是影响表面活性剂性能的关键因素，对表面活性剂种类的选择尤为重要[7-9]，因此，需通过试验研究选择。

1　试　验

(1)主要试剂与仪器。硫酸分析纯；十二烷基苯磺酸钠(SDBS，阴离子)，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，阳离子)，辛基酚聚氧乙烯醚(OP-10，非离子)，均为工业级化学纯；非离子氟碳表面活性剂(美国杜邦公司)；氯化钠分析纯。

JZHY-180型界面张力仪，AL104电子天平，SHB-Ⅲ循环水式真空泵，SHA-BA水浴恒温振荡器，Ross-Miles泡沫仪。

(2)试验方法。用蒸馏水配制25g/L的H2SO4、不同浓度表面活性剂和氯化钠水溶液；用拉起液膜法测定水溶液、酸溶液、盐溶液下表面活性剂的表面张力和不同复配体系下25g/LH2SO4溶液的表面张力；泡沫性能用Ross-Miles法测定；用搅拌浸出试验分析复配表面活性剂对铀矿石浸出的影响；用硫酸亚铁还原钒酸铵滴定铀浓度。

2　结果与讨论

2.1不同亲水基表面活性剂在溶浸液中的表面张力

拉起液膜法测定表面张力[10]的基本原理是在待测表面活性剂溶液中放入一个圆环，提升时拉破圆环下液膜的最小力F，与拉起液体的重力、反抗沿环周围表面张力的向上拉力相等，故：

(1)

式中，m为拉起液体的质量；R为环的平均半径；γ为表面张力。

实际的表面张力值应为试验表面张力值乘以校正因子f：

(2)

JZHY-180型界面张力仪的f值为：

(3)

式中，C为铂金圆环周长； r为铂金丝半径；ρ1为测试溶液密度；ρ2为空气密度。

测定30 ℃下4种不同亲水基表面活性剂在25g/LH2SO4中的表面张力。所用表面活性剂为：SDBS，CTAB，OP-10，FSO，非离子氟碳型。试验结果如图1。

由图1可知，FSO在稀硫酸体系中降低表面张力的能力最强，表面张力最小值为20.8mN/m，其他3种则相对较差。由于矿体表面带有负电荷，容易和带相反电荷的阳离子表面活性剂相吸附，使亲水基朝向固体，亲油基朝向水，致使矿体难被水润湿，所以在酸法地浸采铀中不适于选用。酸法地浸采铀中，pH值为1～2，阴离子表面活性剂会与溶液中H+结合，生成难溶于水的大分子有机物而失效，也不宜选用[11]；非离子表面活性剂在酸条件中都比较稳定, 既能降低水溶液的表面张力，又具有良好的润湿能力。非离子碳氢表面活性剂与非离子碳氟相比，降低水溶液表面张力的能力要低得多，这取决于其独特的结构，碳氢链被碳氟链取代，C-F键比C-C键键能高，使其在酸中更稳定。另外，由于碳氟链不易极化，碳氟化合物分子间的范德华引力小，碳氟链分子间的作用力较小，与碳氢链的表面活性剂相比，具有高的表面活性，其水溶液的表面张力更低，达到21.0mN/m。所以选用非离子氟碳表面活性剂作为低渗透砂岩型铀矿地浸开采的增渗剂。

图1　表面活性剂在酸溶液中表面张力随浓度变化曲线

2.2非离子氟碳表面活性剂的泡沫性能比较

现场试验时，由于溶浸液配制量比较大，搅动大，表面活性剂会产生大量的气泡，容易堵塞孔壁，会对矿层渗透性造成一定的影响[12]，所以，要选用低泡高效的表面活性剂。非离子表面活性剂由于其亲水基在水中呈曲折型结构，无法形成紧密排列的吸附膜和电离层，所以泡沫性能差。

用Ross-Miles法[12]测定4种水溶性非离子氟碳表面活性剂(FS-3100，FS-30，FSO，FSN)水溶液的泡沫性能，其含量为0.1%，前两种表面活性剂测定时温度设置为25 ℃，后两种设定为41 ℃(低温时为蜡状固体，加热至40 ℃时为液体)。记录0，5，10，15min时的泡高，探讨其泡沫性能。4种表面活性剂的泡沫高度随时间变化曲线如图2。

由图2可知，4种表面活性剂的稳泡性差别不大，但FS-3100的起泡高度为60mL，相比于其他几种起泡性要低的多，具有低泡特性，适合选用。

2.3FS-3100氟碳表面活性剂的抗盐性

在地浸开采低渗透砂岩铀矿的过程中，溶浸液中存在大量钙、镁、铁、钠、磷等无机盐，分析无机盐对溶液表面张力的影响具有现实意义。无机盐对不同类型的表面活性剂水溶液性能的影响并不一样，对于阴离子型表面活性剂，适量的无机盐会使其水溶液表面活性增强，但当其浓度超过一定量时，其溶液会出现一定程度的相分离，使得表面活性剂浓度大大降低，从而影响表面张力值。另外，盐类的存在可导致表面活性剂的溶解度下降，乃至沉淀，所以，阴离子型的耐盐性差，不适合选用[7,13]。而非离子型的由于不能在水溶液中离解为离子，无法生成沉淀，更稳定，受矿化度影响小，抗盐性好。

图2　表面活性剂的泡沫高度随时间变化曲线

研究不同浓度(0，1.0，5.0g/L)氯化钠水溶液对FS-3100水溶液表面张力的影响，试验温度为30 ℃，结果见图3。

由图3可知，FS-3100在盐溶液中的最小表面张力值为19.0mN/m，相对于水溶液中19.5mN/m要低些，且不同浓度的盐溶液下表面张力的变化并不大，说明其具有良好的抗盐性，适用于低渗透砂岩型铀矿地浸开采。

图3　FS-3100在水或NaCl水溶液中的表面张力

2.4FS-3100与碳氢表面活性剂的复配

与单一表面活性剂相比，由于存在协同效应，复配表面活性剂通常具有更好的性能[14-15]。在30 ℃、25g/LH2SO4中测出不同复配体系中在质量浓度为0.01g/L下的表面张力如表1。

由表1可知，不同类型的碳氢与氟碳表面活性剂都可以产生协同作用，可以增强其降低表面张力的能力，阴、阳、非离子碳氢表面活性剂与FS-3100的复配体系分别在3∶7、10∶0和3∶7附近协同作用最强，表面张力最小，其中FS-3100∶OP-10在3∶7达到最小表面张力18.0mN/m。所以，非离子氟碳与非离子碳氢表面活性剂具有良好的复配作用，在实际工程中将FS-3100和OP-10进行复配，以解决氟碳表面活性剂价格高的问题，取得良好的经济效益。

表1　复配体系的表面张力

2.5复合表面活性剂对铀浸出的影响

利用搅拌浸出试验，研究了不同质量配比的复合表面活性剂FS-3100∶OP-10对铀矿石浸出的影响。溶浸液为25g/L的H2SO4溶液，其中溶浸液中表面活性剂的质量浓度为0.01g/L，搅拌浸出时间为24h，转速方式为矿样全部转动，摇床温度为30 ℃。试验结果见图4。

由图5可知，FS-3100∶OP-10复配体系在复配质量比为3∶7时的浸出效果最好，铀浸出率达到94.91%，与单一表面活性剂FS-3100 91%和OP-10 87.02%相比，其对铀浸出的影响要高，这与其表面张力最小相吻合，说明复合表面活性剂能有效提高铀的浸出率。

FS-3100是基于六碳氟链技术开发，不会分解成全氟辛酸及其含铵的主盐(PFOA)而带来环境问题，是一种对环境影响小的增渗剂。但氟碳表面活性剂的价格较高，用复合表面活性剂能够有效降低成本且提高浸出率，所以选用FS-3100∶OP-10为3∶7的复配体系，可以提高低渗透砂岩铀地浸开采的生产效率和经济效益。

图4　复配质量比与铀浸出率的关系

3　结　论

通过比较4种不同类型的表面活性剂在硫酸溶浸液中的表面张力，选择表面活性最好的非离子氟碳型，又通过泡沫性能的比较选择FS-3100，研究表明，此种表面活性剂具有优良的抗盐性和复配性能，且得到最佳复配体系(FS-3100∶OP-10=3∶7)。将之应用到低渗透砂岩铀浸出试验研究，可以有效提高铀的浸出率，作为低渗透砂岩型铀矿酸法地浸开采的增渗剂。

[1]AbzalovMZ.Sandstone-hosteduraniumdepositsamenableforexploitationbyinsituleachingtechnologies[J].AppliedEarthScience,2012,121(2):55-64.

[2]胡鄂明,谭凯旋,王清良,等.低品位低碳酸盐砂岩型铀矿石低酸浸出工艺[J].金属矿山,2007(6):39-40.

[3]丁武.表面活性剂应用于低渗透砂岩铀矿酸法地浸采铀的实验研究[D].衡阳：南华大学，2014.

[4]谭凯旋,董伟客,胡鄂明,等.表面活性剂提高地浸采铀渗透性的初步研究[J].矿业研究与开发,2006,26(4):10-12.

[5]骆春,王琴.氟表面活性剂的应用及研究进展[J].日用化学品科学,2015,38(9):42-45.

[6]代士郁.耐温抗盐-非离子表面活性剂SH乳化性能研究[J].石油天然气学报,2014,36(4):152-156.

[7]韩利娟，王蓓，陈洪涛，等.耐温抗盐表面活性剂溶液与原油的界面张力[J].应用化工,2012,41(5):807-810.

[8]SawickiGC.Impactofsurfactantcompositionandsurfactantstructureonfoamcontrolperformance[J].Colloids&SurfacesAPhysicochemical&EngineeringAspects, 2005,263(1-3)226-232.

[9]张可,任艳滨,卢祥国.复配表面活性剂对复合驱油体系性能影响研究[J].日用化学工业,2007,37(5):305-308.

[10]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T5549—2010表面活性剂-用拉起液膜法测定表面张力[S].北京:中国标准出版社,2010.

[11]吴爱祥,艾纯明,王贻明,等.表面活性剂强化铜矿石浸出[J].北京科技大学学报,2013,35(6):709-703.

[12]国家技术监督局.GB/T7462-94表面活性剂发泡力的测定-改进Ross-Miles法[S].北京:中国标准出版社,1994.

[13]赵涛涛,宫厚健,徐桂英,等.阴离子表面活性剂在水溶液中的耐盐机理[J].油田化学,2010,27(1):112-118.

[14]李远翔,安娜,乔建江.氟碳-碳氢表面活性剂复配及其灭火性能[J].华东理工大学学报:自然科学版,2015(4):502-507.

[15]王晶,丁丽芹,王小泉.氟表面活性剂对驱油剂复配体系性能的影响[J].油田化学,2011,28(1):74-77.

SelectionoftheSurfactantsforIn-situLeachingofLowPermeableSandstoneUraniumDeposits

HuPei1TanKaixuan1LiChunguang1XiaLiangshu2

(1.SchoolofNuclearResourcesEngineering,UniversityofSouthChina;2.SchoolofNuclearandTechnology,UniversityofSouthChina)

Inordertoconductin-situleachingminingoflowpermeabilitysandstoneuraniumdepositswithhighefficiencyandimprovethesurfaceactivityofleachingliquid,theexperimentsoftheinfluenceofsurfacetension,foamperformance,saltresistanceandcompoundingcharacteristicsareconductedtoselectthesuitablesurfactantsforin-situleachingoflowpermeablesandstoneuraniumdeposits.Theexperimentalresultsshowthatthesurfaceactivityofleachingliquidhasthemaximumvalueandtheminimumsurfacetensionis20.8mN/mwhentheaddingthe0.01g/Lnon-ionicfluorocarbonsurfactantinto25g/Lsulfuricacidleachingliquid.FS-3100hasthecharacteristicsoflowerfoaming,bettersaltresistance,bettercompoundingcharacteristicsandenvironmental-friendliness,so,theadvantagesofFS-3100issignificant.Theleachingeffectisperfectandtheleachingrateofuraniumcanbereachedto94.91%whenthemassratioofFS-3100andOP-10is3:7inthemixedsurfactantsystem,whichisverysuitabletoimprovethepermeabilityoflowpermeablesandstoneuraniumdepositsbyacidleachingminingmethod.

Lowpermeablesandstone,In-situleachingmining,Selectionofleachingliquid

2016-03-02)

*衡阳市科技局一般项目(编号：2013KS28)。

胡佩(1991—)，女，硕士研究生，421000 湖南省衡阳市常胜西路28号。