1、第 卷 第 期 年 月中国有色冶金 高速渗流对浸铀周期的影响袁嘉懋，周仲魁，史维浚，王世俊，胡中强，（东华理工大学 核资源与环境国家重点实验室，江西 南昌；东华理工大学 水资源与环境工程学院，江西 南昌）摘 要 铀矿堆浸作为我国目前主要的浸出手段之一，具有成本低、对环境无二次污染的优点，但堆浸也存在浸出周期较长、容易造成堵塞等缺点。为改善以往浸铀周期较长的问题，本文对铀矿柱浸过程进行研究，使用 硫酸、作为浸出剂，分别对酸化和加铁浸铀 个阶段考察不同粒径和不同渗流速率对 值、值、铁浓度、浸铀周期的影响。试验结果发现渗流速率对浸铀周期有显著影响，即渗流速率越快，酸化时间越短、浸铀周期越短，同时过高
2、的渗流速率会使溶浸液与矿石无法充分反应，导致浸出率偏低；渗流速率为.、.、.的体系（粒径为 ）浸铀周期逐渐延长，分别为、，最终铀浸出率分别为.、.、.；高速渗流的情况下，粒径越小，反应周期越长，浸出率越高；、粒径体系（硫酸、.渗流速率）的铀浸出率分别为.、.，浸铀周期分别为 、。本研究旨在为绿色高效浸铀提供参考。关键词 铀；渗流；柱浸；渗流速率；铀矿；浸出率；粒径中图分类号 文献标志码 文章编号（）：收稿日期 作者简介 袁嘉懋（），男，四川广汉人，硕士研究生，研究方向为湿法冶金。通信作者 周仲魁（），男，博士，教授，主要研究方向为环境修复。引用格式 袁嘉懋，周仲魁，史维浚，等 高速渗流对浸铀周
3、期的影响 中国有色冶金，（）：引言铀资源是我国重要的战略资源，随着科学技术的快速发展、国民生活水平的提高，其在医疗、航空、军事等领域的运用越来越广泛。堆浸是我国目前铀矿主要浸出手段之一，具有成本低、对环境无二次污染的优点，但也存在浸出周期较长、容易造成堵塞等缺点。柱浸也是一种铀矿的重要浸出方式，一直是领域内科研学者的研究重点。等开展了稀硫酸堆浸铀矿柱氡析出行为的试验，发现在柱浸过程中，浸出率随时间的延长而显著增加，但增长速率趋于平缓。等对酸浸过程中铀矿石的形态变化进行了研究，结果表明，酸浸会导致矿石发生蚀变，充填节理和裂隙的氧化体被溶解，导致矿石粒度减小，细颗粒发生溶胀，使矿石孔隙度发生变化，
4、从而对金属浸出造成影响。在柱浸的相关研究中，渗流速率受到了学者的重点关注，主要是关于其对金属浸出率的影响。等通过柱浸试验对铀钒矿浸出，发现渗流速率越大，铀、钒的浸出率越高。渗流速率对金属浸出的影响主要体现在以下几个方面。高渗流速率会改变矿石体系的孔隙度。等研究发现，在高速渗流的情况下，矿石中细小颗粒会发生迁移，从而使矿石孔隙度增大；同时，等通过使用核磁共振成像技术（）发现，随着孔隙度的增大，渗流速率会进一步地增加，渗流速率与孔隙度相互影响，并表现为正相关性。矿石孔隙可分为有效孔隙与无效孔隙，高渗流速率会将无效孔隙贯通，使之转换为有效孔隙，有效孔隙能够保证溶浸剂更好渗透到矿石颗粒内部。在浸出过程
5、中，溶浸剂通过孔隙或裂隙通道运移至孔隙内部，使矿层与溶浸剂充分接触，从而提升浸出效果。渗流速率的增加会使体系的持液率增加。等使用 识别柱浸中液相的分布发现，将流速从 增加到 ，持液率从.增加到 。王雷鸣对矿堆的持液行为研究发现，更高的持液率会对应更高的金属浸出率。高渗流速率有着更大的固液接触面积，从而影响浸出反应动力学。等通过研究堆浸过程中液体的分布情况发现，随着流量的增大，矿层内河道数量也相应增加，伴随着固液接触面积增大，从而加快反应动力学的进度。根据以上文献可知，渗流速率会直接影响金属的浸出效果，但目前对于铀的浸出，使用高速渗流能否得到更快的反应动力学的研究鲜有报道。本文采用不同渗流速率与
6、不同粒径铀矿石进行柱浸试验，探索浸出过程中关键参数的变化对铀浸出率的影响，以期为提高铀矿浸出率提供参考。试验部分.试验材料试验所用矿石选自纳米比亚某矿床，部分矿样化学成分结果见表。表 铀矿石主要化学成分 成分总（）含量.注：表示极限氧气指数。由表 可知，铀矿石品位为.，（）含量为.，占总铀的，含量为.。铀矿石成分特征表明，此铀矿石主要成分为二氧化硅，可认为是低品位铀矿，铀的存在形式主要为（），含量较低。仅采用酸浸难将矿石中的铀完全浸出，因此，外添加氧化剂是解决浸出率低的必要措施。试验试剂：硫酸铁（西陇科学股份有限公司）、稀硫酸（广东集泰化工股份有限公司）。.试验设备主 要 设 备 包 括 电
7、热 鼓 风 干 燥 箱（），电感耦合等离子体发射光谱仪（，），计（），计（），自行设计制作的有机玻璃柱（高 、直径 ），蠕动泵。.试验过程.注水阶段在玻璃柱内装入 铀矿石（粒径 ），底部装入 石英砂，从下向上，以不同的渗流速率（.、.、.）向柱内注水。在低渗流速率的情况下，水力坡度与渗流速率符合达西定律，如式（）所示，此时起主导作用的是黏滞力。若水力坡度过大，则会发生高速非达西渗流，适用 方程，如式（）所示，此时起主导作用的是惯性力。（）（）式中：为渗流线速率，；为水力坡度；为渗透系数，；为重力加速率，；为流体密度，；为非达西渗流因子，。随着时间的延长，高速非达西渗流会缓慢转变为达西渗流，此时
8、渗流速率趋于稳定。间隔 取样，当渗流速率稳定时，注水阶段结束。.酸化注水阶段结束后，使用 稀硫酸，以不同的渗流速率（.、.、.）进行酸化，间隔 取样，当浸出液 值低于.时，酸化阶段结束。.加铁浸铀酸化结束后，向柱内注入溶浸剂（硫酸、），设置不同渗流速率（.、.、.），间隔 取样，测定每小时浸出液体积、值、浓度、浓度、浓度。其中，用 计（）测定 值、计（）测定、络合滴定铁、电感耦合等离子体发射光谱仪（，）测定 浓度。浸出液铀浓度低于 时，试验结束，通过渣计计算浸出率，计算方法采用硅酸盐岩石化学分析方法第 部分。年 月第 期 袁嘉懋等：高速渗流对浸铀周期的影响.试验原理在矿石中，铀的主要存在形式为
9、 （）与（），其中（）难溶，需要 将其氧化成易溶的（）。（）化合价高，争夺水中氧离子（）的能力强，因此，铀在水中会从氢氧根离子（）中夺取 ，形成铀酰离子（）。涉及到的反应方程见式（）（）。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）结果与讨论.渗流速率对酸化时间的影响浸铀过程分为酸化浸出与加铁浸出 个步骤，铀的浸出主要发生在加铁浸出阶段。由于此过程中 为溶浸氧化剂，当溶液 .时，溶浸液中产生铁矾沉淀，不仅会造成 的损失，而且铁矾沉淀包裹在矿粒表面上会导致浸出速率大幅减小，对浸铀效果极为不利，所以在加铁浸出前，应使整个体系 值低于.。酸化时间的长短将会影响浸铀周期的长短，酸化时间越短，浸铀周
10、期也越短。在一定的试验条件（硫酸、粒径）下，开展渗流速率对酸化时间的影响试验，试验结果如图 所示。图 渗流速率对酸化时间的影响 图 显示了加铁浸出前，值随时间变化的情况。从图中可以看出，不同体系 值变化情况基本相同，值均随时间的延长而快速下降，随后下降速率减慢直至平衡。但不同渗流速率体系的酸化时间不同，渗流速率为.、.、.的体系的酸化时间分别为 、，表明渗流速率越快，酸化时间越短。不同的是.体系 值迅速下降，而随时间的延长.、.体系 值下降缓慢一些。值迅速下降是因为酸碱中和反应十分迅速，高渗流速率可以使整个体系酸度维持在一个较高的浓度水平，从而得到较快的反应速率。随着反应的进行，矿石中碳酸盐逐
11、渐消耗，产生大量，反应速率减小。酸化阶段 值的变化情况表明，提高渗流速率能够大幅缩短酸化时间，从而缩短整个浸铀周期。.渗流速率对浸铀过程 值的影响在浸铀过程中，溶液中 值的变化至关重要。首先，会根据溶液 值的不同呈现出不同的存在形式，当 值低于.时，主要表现为离子状态；当 值为.时，在溶液中有阳离子存在的情况下，会形成黄钾铁矾矿物；当 值高于.时，会形成复杂铁的氧化物。其次，铀酰离子的存在形式也与 值密切相关，当 值过高时，铀酰离子会形成氢氧铀酰沉淀，不利于铀的浸出。在一定的试验条件（硫酸、粒径）下，开展溶浸剂渗流速率对 值的影响试验，结果如图 所示。从图 可以看出，不同体系 值变化趋势大致相
12、同，即反应前期 值迅速下降，随着反应的进行逐渐趋于平衡。体系中，值的变化主要与以下两个因素有关：矿石中的耗酸物质；浸铀产生的。前期 值迅速下降表明不断注入的溶浸剂迅速消耗矿石内的耗酸物质，使得浸出液 值不断下降；随着反应的进行，浸铀产生的 会与空气中的氧气反应，此过程耗酸，如式（）所示。（）从 值的变化可以看出，在整个浸铀周期中，值一直维持在一个较低的水平，不仅不会造成铀的沉淀，也不会形成铁的沉淀物堵塞矿石内部孔隙。中中 国国 有有 色色 冶冶 金金试验研究图 渗流速率对 值的影响 .渗流速率对 的影响氧化还原电位（）是酸浸过程中的一个重要参 数，主 要 由 、离 子 对 控制。等研究发现，将
13、 从 提升到 ，后的铀浸出率显著提高。等研究发现，将体系中的 从 提高到，后，铀浸出率从 提高到。在一定的试验条件（硫酸、粒径）下，开展渗流速率对 值的影响试验，结果如图 所示。图 渗流速率对 的影响 从图 可以看出，不同体系的 变化趋势大致相同，都表现为前期迅速上升，随后出现一个短暂的平台期，接着继续迅速上升，最后维持在 左右。渗流速率越快，平台期出现得越早。前期 迅速上升是由于酸化开始，不断地向体系内注入稀硫酸，使浸出液 不断上升；随后出现平台期是由于酸化后期，矿石内耗酸物质减少，酸碱中和反应减慢，此时 主要为稀硫酸的；平台期过后，再次迅速上升是因为加铁浸出开始，仅 后，便达到 左右，表明
14、此时 比值相对稳定，整个体系一直维持高，有利于铀的浸出。.渗流速率对 离子浓度的影响采用氧化剂把 氧化为 ，可以成为提高铀浸出率机理的研究重点。单独的酸浸只能将矿石中的 溶出，对于 溶解能力较弱，导致浸出率较低，因此需要额外添加 来提高浸出率，反应如式（）所示。浸出体系中 浓度的变化至关重要，不仅会与矿石中的铀反应，而且会影响体系中的。如果 浓度过低，不利于 氧化，影响铀浸出，但若 浓度过高，其会与体系中的阳离子形成铁矾，附着在矿石裂缝中，阻止铀的浸出。等研究了铁离子与铀酰离子的作用机理。周义朋等的研究结果表明，在 的氧化作用下，铀浸出率与浸出液中 向 转化的速率存在正相关的指数函数关系；体系
15、中 浓度转化越快，矿石中铀的氧化溶解也越快，当 转化速率趋近于零时，向 转化达到平衡临界点，铀从矿石向溶浸液中的迁移亦基本停止，体系中的铀浓度达到稳定。李德平等通过研究地浸过程中的热力学发现，提高溶浸剂中 的浓度，能够加速矿物相 的氧化并溶解，从而提高铀浸出率。在一定的试验条件（硫酸、粒径）下，开展加铁浸铀过程中渗流速率对 离子浓度的影响，结果如图 所示。图 渗流速率对铁离子浓度的影响 从图中可以看出，不同体系 浓度变化趋势大致相同，即前期迅速上升，随后达到平衡。前期 年 月第 期 袁嘉懋等：高速渗流对浸铀周期的影响 内不同体系 浓度从.迅速上升到.，可能是因为前 ，体系 值较高，发生沉淀。随
16、着反应的进行，不断向体系内注入 的硫酸，不断消耗矿石内耗酸物质，值下降，随后注入的 不发生沉淀，所以 之后 浓度一直维持在.左右。从图中还可以看出，渗流速率越快，总铁浓度与 浓度达到平衡的时间越短。其中，浓度的变化趋势表明高渗流速率可使整个体系 浓度一直处于高浓度水平，从而可以得到更快的反应动力学；总铁浓度的变化趋势表明在高速渗流的情况下，只有极少量的铁发生沉淀，有利于矿石内部孔隙的畅通。.渗流速率对浸铀周期的影响在一定的试验条件（硫酸、粒径）下，开展渗流速率对铀浸出率和浸铀周期的影响，试验结果如图 所示。图 渗流速率对浸铀周期的影响 从图中可以看出，不同渗流速率体系的变化趋势大致相同，都表现为前期迅速上升，随后下降，紧接着迅速上升，随后缓慢下降至平衡。渗流速率为.、.、.的体系的最终铀浸出率分别为.、.、.，浸铀周期分别为 、，表明渗流速率越快，浸铀周期越短，但对应的浸出率却越低。前期每小时铀浸出量迅速上升是因为酸化阶段会将矿石中易溶的（）浸出，随着反应的进行，矿石中（）含量减少，单一的酸难将矿石中的（）浸出，所以每小时铀浸出量减少。随后铀浸出量上升是由于加铁浸出开始，能将矿石中难溶