含泥砂岩铀矿的浸出实验研究

2022-12-12程伟鸿史文革

中国设备工程 2022年22期

程伟鸿, 史文革

（南华大学，湖南衡阳 421001）

铀具有放射性，是发展核能发电、核武器、核反应堆燃料等必不可少的原料，同时也是国家重要的战略资源。我国铀年产量不足世界的3.5%，因此，提高铀产量对我国发展具有重要意义。铀矿资源开采中，原地浸出法成本效益最高。含泥砂岩铀矿浸出分酸性浸出和碱性浸出，酸性浸出法使用硫酸、盐酸、硝酸等强酸作为浸矿剂，对铀矿进行浸出；碱性浸出法使用碳酸钠与碳酸氢钠等碱性试剂作为浸矿剂，对铀矿进行浸出。本文从表面活性剂入手，对含泥砂岩铀矿浸出进行实验研究。

1 含泥砂岩铀矿浸出研究现状分析

1.1 浸矿剂现状分析

酸性浸出法和碱性浸出法在含泥砂岩铀矿浸出中均有广泛应用。在酸性浸出法中，硫酸成本较低，运输、存储方便，对设备腐蚀性小，且作为浸矿剂，在与铀发生化学反应后会产生稳定的硫酸铀酰络离子，有利于后续工艺进行。硫酸作为浸矿剂对含泥砂岩铀矿浸出反应如下：

在碱性浸出法中，碳酸钠、碳酸氢铵、碳酸氢钠等溶液理论上均可作为铀矿浸矿剂，但在实际生产过程中，含铵离子的溶液铀矿浸出会造成土壤、水体污染，因此通常采用碳酸钠、碳酸氢钠溶液进行铀矿碱性浸出，浸出反应如下：

1.2 表面活性剂现状分析

在铀矿浸出中，表面活性剂的主要作用是减少浸矿剂的表面张力，增强浸矿剂的渗透能力，使得浸矿剂能够沿矿石缝隙、空隙进入含泥砂岩铀矿内部，与之充分反应。表面活性剂可分为4种类型，为阴离子型、阳离子型、两性离子型和非离子型，在铀矿浸出中，因使用酸性或碱性浸出液，要求表面活性剂在酸性或碱性溶液中较为稳定，同时又要考虑CMC、环境等因素。近几年，Pluronic P123与Rewopal X1207L联合活性剂、辛基苯酚聚氧乙烯醚等表面活性剂研究迅速，提高溶浸铀矿开采率。

2 矿床地质化学特征

本文含泥砂岩铀矿浸出研究所涉及矿床位于内蒙古草原腹地，地形平坦，地表严重覆盖，矿床厚度较大，品味相对较高，铀矿体位于脑木根组(E1n)，覆盖区之下的二连组中下部，矿床有2个含矿含水层，上部第一含矿含水层厚5～13m，主矿体1号矿体产于该层，含矿主岩为泥岩泥质粉砂岩、含泥粉细砂岩。该研究中采集铀矿山含泥沙岩样本13个，共约130kg，样品清单如表1所示。

表1 铀矿山含泥沙岩样本清单

将采样得到的含泥砂岩铀矿样本进行实验矿样制备：用风机吹干铀矿芯样水分，刮掉表面杂质，用实验锤将其敲碎至自然粒级，通过显微放射性照相检测分析，矿石中的铀矿物主要为沥青铀矿，少量的铀石、钛铀矿物，胶结物中还存在有机质和粘土矿物吸附铀。并且，沥青铀矿、铀石、钛铀矿等铀矿物与石英、黄铁矿、金红石等矿物关系密切，颗粒间和颗粒内部均有铀矿分布。

使用筛套对上述样品各取50g混合，分6个粒级筛分，并对铀元素在各组中分布进行实验分析。实验结果为，粗粒度产铀率最高可达24.07%，细粒度产铀率为23.06%，中等颗粒铀产率在13.13%～14.65%之间变动。同时，由于矿石的胶结物与填隙组分主要为粘土矿物，主要成分为高岭石与伊利石，有利于地浸。各粒级矿石的碳酸盐含量不高，十分有利于酸法浸出。

3 铀矿浸出表面活性剂研究

在含泥砂岩铀矿浸出过程中，浸矿剂渗透性越强，与铀矿石接触越充分，反应后铀的产出率越高。由于浸矿剂为液相，铀矿为固相，浸矿剂液体表面会产生张力，影响浸矿剂与铀矿的充分接触，同时，在反应过程中，细小颗粒会堵塞铀矿表面的缝隙、孔隙，导致浸矿剂无法持续渗透进入铀矿内部；含泥砂岩铀矿中的钙、镁等离子与强酸溶液发生反应，也会生成沉淀，难以溶解。此时需要表面活性剂来减少浸矿剂的表面张力，增强浸矿剂的渗透能力，使浸矿剂沿矿石缝隙、空隙进入含泥砂岩铀矿内部，增大反应接触面，并与之充分反应。一种表面活性剂无法兼顾成本与效果，因此在铀矿实际开采过程中，往往使用多种表面活性剂复配，得出适合浸矿剂的最佳配比。

3.1 新型表面活性剂原料研究

阴离子型在酸性或碱性溶液中较为稳定，且成本较低，有羧酸盐型、硫酸型等种类，该种表面活性剂在溶液中可以形成阴离子，具有憎水性，在乳化剂、化妆品等领域应用广泛。阴、阳离子型表面活性剂无法同时使用，但阴离子型表面活性剂可以与非离子型表面活性剂配合使用。

阳离子型表面活性剂的研发和应用相对而言起步较晚，主要成分是含氮的有机胺衍生物，包括胺盐型、啰盐型等。阳离子型表面活性剂在碱性介质中易析出从而丧失活性；然而在酸性介质中，它的表面活性却不会受到影响，因为阳离子型表面活性剂的氢键能够与酸分子中的氢相结合，从而带有正电荷。阳离子型表面活性剂一般具有较好的洗涤、杀菌、乳化以及抗腐蚀等性能，而这些性能的发挥主要归功于它的结构特点。

非离子型表面活性剂在溶液中稳定性极高，受溶液酸碱性、无机盐影响较小，适合与其他类型表面活性剂复配使用。主要有多元醇型、非离子氟碳型等种类，近年来在特殊洗涤剂工业领域发展迅猛，常见产品有聚乙二醇辛基苯基醚、辛基酚聚氧乙烯醚等。

加入适当的表面活性剂可以增加润湿与增渗作用，从而使浸矿剂与含泥砂岩铀矿充分接触反应。评价润湿与增渗的标准可用铺展速度衡量，计算如下：

从该公式可以得出，表面张力越大，铺展速度越快；接触角在0度至90度之间时，随角度增大，接触角余弦值减小，铺展速度变慢。在实际工业生产过程中，使用某一种表面活性剂难以同时使得表面张力与接触角同时达到最优值，因此需对2种或多种表面活性剂进行复配，使其达到性能最优。

3.2 表面活性剂复配研究

结合上述对新型表面活性剂原料的分析，本文选取辛基酚聚氧乙烯醚（OP-10）、含氟非离子表面活性剂FS-3100进行复配研究。因含氟非离子表面活性剂FS-3100市场价较高，为节约成本，在复配过程中应尽量减少其用量，增加辛基酚聚氧乙烯醚用量。影响OP-10与FS-3100复配功效原因有摩尔分数、分子结构、混合胶团等，其中摩尔分数对其影响最大。实验采用酸性浸出法，使用硫酸溶液作为浸矿剂，浓度10g/L，按照FS-3100摩尔分数分别为0.37、0.47、0.61、0.78添加表面活性剂，进行溶液表面张力测定，结果如图1所示。

由图1可见，4种表面活性剂摩尔分数配比溶液的表面张力均介于单独使用辛基酚聚氧乙烯醚（OP-10）与FS-3100之间，计算可知，在摩尔分数配比小于0.47时，增加辛基酚聚氧乙烯醚配比，复配后的表面活性剂张力减小程度加快；在摩尔分数配比等于0.47时，表面张力为17.9，此时几乎为最低值；在摩尔分数配比大于0.47时，无论是否增加FS-3100配比，对复配表面活性剂张力影响可以忽略不计。从该实验可知，按照辛基酚聚氧乙烯醚与FS-3100摩尔分数为0.47配比硫酸浸矿剂，既能节约成本，又能最大发挥表面活性剂功效。

4 实验分析

通过含泥砂岩铀矿的浸出实验，测定浸出过程中使用复配表面活性剂对铀活度比（ARS）和铀浓度的影响，进而应用到铀矿浸出开采生产中。实验中将浸出柱水平放置，两端采用过滤网遮挡矿石样品；使用编号为K4-5矿样，质量1.27kg，横截面积698.15mm2，长0.75m，孔隙度24%；浸矿剂选择硫酸溶液，浓度为10g/L，共用2L。该实验共持续40天，每2天取一次浸出液检测分析，实验中ARS和浸出率随时间变化，结果如图2所示。

随着实验持续进行，逐步增大复配剂用量，浸出率、固液比随之增大。实验开始到实验进行到第6天期间，不加入复配剂，此时含泥砂岩铀矿矿样的浸出液中铀浓度变化程度较小，浸出率维持在20%左右；在实验进行到第6天至第20天期间，逐步增大复配剂用量，矿样浸出液中铀浓度急剧增大，在第20天时，浸出率达到80%左右，此后增加速度开始减缓。ARS可用于衡量铀浸出速度，铀活度比越低，铀浸出速度越快，反之越慢。同样，在实验进行到第6天至第20天期间，铀活度比迅速下降，其值小于1，此时铀快速浸出，20天之后，铀活度比上升至1以上，标志溶浸进入后期阶段。

通过上述含泥砂岩铀矿的浸出实验结果分析可知，在硫酸浸矿剂中加入辛基酚聚氧乙烯醚（OP-10）与FS-3100复配表面活性剂（配比系数为0.47），可有效降低浸矿剂溶液表面张力、降低铀活度比、加快铀浸出速度、提升铀矿石中铀浸出率。