颗粒计数器在地浸采铀中的应用研究

高 尚，廖文胜，王立民，谭亚辉

(核工业北京化工冶金研究院，北京 101149)

原地浸出采铀(In-situ leaching of uranium)是一种在天然埋藏条件下通过浸出剂与矿物的化学反应选择性地溶解矿石中的有用组分，而不使矿石产生位移的集采、冶于一体的高效开采方法[1]。原地浸出采铀通过钻孔抽注进行采矿，在浸采流程中循环的溶液会积累污染物，当该溶液注入井口时可能会导致钻孔堵塞。原地浸出采铀的溶浸化学反应发生在地下，具有不易观测、反应复杂、环境情况多变等特征，因此对溶液性质的分析与监测是控制地浸工艺实施的重要任务之一。

目前，对井场浸出过程的分析主要是测定洗井返排液、浸出液等现场采样的pH、氧化还原电位及化学元素等。这一过程需要的时间较长，从送样到得到监测结果大概需要3～4 h，这对于正常生产运行的影响较小；但对诸如洗孔等高频次且流程短的工作，会造成调控不及时等问题。另外，对一些诸如空气中CO2与O2的释放与溶解等，分析时间过长将导致分析结果与实际情况产生偏差[2]。

因此有必要找到一种快捷、有效的方法对浸出过程中的取样进行分析，作为对浸出或洗井状况判断的有力依据，实现对过程的及时把控。颗粒物的计量检测属于新兴发展方向，对液体中颗粒粒度及数量浓度进行表征的仪器为液体颗粒计数仪。常见的液体中悬浮固体颗粒的检验方法有库尔特计数法、显微镜计数法和光学计数法，其中光学计数法由于计数速度快、操作难度低已成为目前应用最广泛的液体颗粒计数法[3]。

本研究使用罗根科技生产的KB-3A便携式颗粒计数器，在新疆某矿床的水文与地浸试验中对浸出与洗井过程水样进行分析研究，以便为该类仪器在地浸采铀生产中的应用提供参考。

1 便携式颗粒计数器在地浸采铀中的应用要求

世界上很多国家主要用光学液体颗粒计数器来测量高黏度与浓度的油液，也用于检测强腐蚀性的酸液和碱液[4-5]。与之相比，国内的光阻法粒子计数器发展稍显滞后，只能用于腐蚀性弱、中低黏度的液体体系，这大大限制了颗粒计数器在某些领域的应用。

因此，研究此类在线测量和方便野外使用的分析仪器成为地质环境监测中的热点[6-7]。当前使用的自动颗粒计数器主要分为遮光型(光阻型)、光散射型和电阻型等几种，被广泛应用于采冶、制药、半导体、医疗、电厂、汽车、航空等领域[8-10]。其各自的应用原理与适用范围见表1。

表1 液体颗粒计数器的分类[11]

罗根科技KB-3A便携式颗粒计数器外形如图1所示。该计数器可在实验室或现场对容器中的油液进行取样检测，其应用参数见表2。

表2 KB-3A便携式颗粒计数器部分技术指标

图1 KB-3A便携式颗粒计数器实物图

KB-3A便携式颗粒计数器属于遮光型(光阻型)，原理如图2所示[12]。该颗粒计数器具有如下特点：1)自动化程度高、操作简便、计数准确、测量速度快、适用范围广，在生产研究中应用广泛；2)具有冲洗功能，冲洗体积可任意设置；3)取样系统计量精密，可实现取样速度恒定和取样体积精确控制；4)内置NAS 1638、ISO 4406—1999、ISO 4406—2017、ISO 406—87等多种颗粒污染度等级标准，并可根据要求内置所需标准。

图2 光阻法颗粒计数原理

在地浸采铀领域中，注孔处的堵塞物积累会造成井口堵塞，并在整个管路循环中影响其他过程，导致过滤系统频繁更换滤袋、水冶系统效率下降等问题。可以通过颗粒计数器对管路样品的实时分析来实现对井场生产的监测控制[13]。

考虑到CO2+O2中性浸出井场环境与分析对象的性质，光阻法液体颗粒计数器更符合试验要求。针对地浸井场需要经常变换场所的实际情况，选用KB-3A便携式颗粒计数器，对新疆某矿床包括洗井在内的浸出各阶段的水样进行检测，并根据检测结果对浸出变化规律进行研究。

2 试验结果与讨论

2.1 过滤效果监测

某矿床已运行5～6年，随运行时间延长，现有的滤袋过滤系统效果不理想，导致杂质积累，浸出液量持续下降。这也使得大量杂质随浸出液进入水冶系统并积累，进而出现树脂床层堵塞、树脂被包裹、树脂性能下降等一系列问题；部分杂质还会随吸附尾液返回井场，造成钻孔堵塞。本试验采用液体颗粒计数器对注液过滤前后样品中的颗粒进行监测，并通过监测结果对比分析石英砂过滤器与袋式过滤器的过滤效果。

表3 过滤器性能比较

针对正常运行的井场，对袋式过滤器过滤前后的注液进行取样，并利用KB-3A便携式颗粒计数器对样品进行颗粒数分析，计量5 μm以上的颗粒数量，通过比较各区间颗粒数变化来反映管路中注液的堵塞物变化情况，进而验证过滤效果，结果如图3所示。

图3 某采区注液袋式过滤前后颗粒数对比

由图3可看出，过滤后各个粒径区间的颗粒数皆有显著下降；但仍存在较多堵塞物，20 μm以上颗粒的残留数为过滤前的70%，仅有30%的大粒径颗粒被成功过滤。这说明袋式过滤器虽然有过滤效果，但效果不佳。

使用颗粒计数器对采用石英砂过滤器过滤的采区进行采样分析，结果如图4所示。可以看出，过滤前后颗粒数变化明显，污染度显著下降，砂滤系统对大粒径粒子的过滤效果更好，可以有效减少堵塞物在全流程中的积累。因此可利用颗粒计数器对井场过滤系统作周期性的分析，以便更好地掌握井场生产情况。

图4 某采区注液砂滤前后颗粒数对比

2.2 洗井效果监测

在地浸采铀钻孔堵塞时，通常进行洗井操作。新疆某矿床一般采用盐酸洗井，排除准备阶段与设备装卸时间，开始的加酸浸泡阶段大约持续4 h，反排洗井约持续12 h。在洗井结束前，需经常取样分析诸如氯根含量等参数，确定是否延长反排时间。

本试验使用颗粒计数器在洗井过程进行取样并监测，并辅助水质仪对洗井过程中的堵塞物与水质变化情况进行分析。试验结果如图5所示。

图5 某采区洗井过程中各参数变化

从图5可看出，在洗井结束前，颗粒数与TDS、ORP的变化情况在一定程度上呈现一致性；在洗井过程中，各参数值不断下降。当TDS稳定至2.1 g/L左右，ORP稳定在170 mV左右时，样品中的颗粒数基本达到最低值。

研究表明，样品颗粒数的变化情况可以在一定程度上反映反排洗井液的清洁度，可以通过颗粒计数器快速判断洗井的阶段与效果。

2.3 管路监测

在地浸采铀过程中，流体通过管路在井场与水冶厂之间构成了大循环，管路上安装仪表对流体的流量、压力等参数进行监测。当大循环的某一环节出现异常时，如何精确、快速地找到这一区域十分重要。

针对实际情况，对砂滤前注液、砂滤后注液、井口注液进行颗粒数测量，并对比分析过滤系统与管路输送系统对注液污染度的影响。试验结果见表4。

从表4可看出，虽然砂滤可以除掉大部分堵塞物，但对小粒径颗粒的过滤效果尚不理想；井口注液中各粒径区间的颗粒数均明显下降。这可能是由于颗粒在随溶液流动过程中附着在管壁上造成的，可以通过对管路进行清洁来缓解管路内堵塞物的积累。

表4 某采区各阶段颗粒数比较

2.4 颗粒计数器使用中存在的问题

尽管本试验结果与实际生产过程表现出了较好的一致性，但在试验过程中也发现一定问题：1)颗粒计数器的分析参数单一，分析结果不能体现井场水样的详细情况，更适用于对现有分析方式的补充，以及需要快速得出结果的场合；2)颗粒计数器的现场分析结果受外界因素的影响较大，如仪器取样时气泡对试验结果会造成巨大的影响。

3 结论

1)颗粒计数器操作简便、测量速度快，在重复性、高频次的地浸采铀井场例行维护分析中有一定的应用价值；但需要提高仪器的稳定可靠性，以适应地浸采铀日常监测的需求。

2)结合颗粒计数器对地浸采铀溶液运移流程的污染度分析，可以高效判断过滤系统的滤袋更换周期和砂滤的反冲周期，对井场日常工作具有指导作用。

3)针对井场洗井全过程，颗粒计数器得到的颗粒数变化情况与ORP、矿化度等参数具有相同的变化趋势，因此有可能通过颗粒计数器的快速分析实现对洗井进度的判定，进而对参数变化较剧烈的洗井过程进行调控。