某铀矿浸出及回收工艺试验研究（支持资料参考_相关定制）

1 绪论

1.1选题背景其意义

近些年来，随着我国经济发展规模不断的增大以及人民生活水平的不断提升，我国对能源的需求总量也不断的增高，尤其是我国在2021年中下旬发生的“电力危机”和“煤炭危机”，再次将人们的视线集中于能源危机的问题上。在我国当前的能源消费结构当中，据统计有超过70%的能源采用煤炭、石油这些石化资源发电来获得，这不仅会给我国带来严重的环境污染，也为我国能源的可持续供给结构的埋下了隐患。相对于石化资源而言，核能具有环境污染小、安全、可靠和经济效应高等众多优势，而成为解决当前能源危机问题和环境污染问题的一条可靠出路。《中国核能发展报告（2020）》中指出，核能是保障我国能源安全、落实核电强国、推进我国能源产业结构转型升级、发展绿色低碳能源和建设美丽中国的战略需要，也是当前以重大项目建设拉动经济增长的现实举措。近些年随着我国经济长期向好的基本面不会改变，对核能电力的需求量将会不断的增加。在我国的西北地区，藴藏有较为丰富的铀矿，若能其核能中能源进行有效利用，对确保我国能源的可持续发展和改善环境将具有十分重大的意义。鉴于此，本研究的主要目的，就是以北方某铀矿的矿井中的岩芯作为样品，采用浸出工艺，对该岩芯材料中存在的天然铀进行了浸出和回收工艺的研究，从而探讨最佳的浸出和回收工艺参数，为我国核能原材料提取技术做出相应贡献。目前在微生物浸铀研究工作中，主要集中在矿石粒度、温度、酸度、充气量、

细菌的选育与驯化、有毒元素氟的耐受性等方面。在铀矿生物堆浸体系中，溶浸液喷淋流速、细菌接种量和铁浓度等因素对矿石渗透性及铀浸出的影响规律，溶浸液与矿石相互作用对铀浸出的作用机理等方面还有待进一步深入研究。 本文通过设定溶浸液不同喷淋强度的柱浸试验，探讨溶浸液喷淋强度对铀浸出效果的影响；通过细菌接种量及铁浓度变化菌浸摇瓶试验，探讨细菌在不同铁浓度下的铀浸出影响规律；通过溶浸液与矿石相互作用，探讨溶浸液与矿石的作用机理，为铀矿堆浸生产实践提供技术支撑及理论依据。这对铀矿堆浸工艺参数的完善、浸出作用机理的认识具有重要的理论与实际意义。

1.2国内外研究现状

天然铀的提取技术，即原地浸出早出现在 1890 年前，已应用于无机物（如钾盐、硫）的溶浸，但这种方法直至 19 世纪 50 年代中期，才涉及到要用地下井巷收集化学作用后的浸出液的问题，因此发展较为缓慢。 自 1957 年利文斯顿从石油工业液体流动的基本原理中得到启示后，才把它应用于回采固体金属矿物中的有用组分，即通过从地表钻孔将溶浸液注入矿层后，由抽、注液孔定期互换使用，回收有用组分。自此以后，美、法、苏等国相继进行了大量的实验研究，使该法在铀矿山发展十分迅速。

其发展可以分为三个阶段：

第一阶段，在发明和专利基础上，研究改进地浸方法的建议阶段。 这一阶段从 20 世纪 50 年代中期到 1978年， 其主要特点是了解地浸的可行性问题（包括室内和现场研究）。

第二阶段是从 1978 年到 1984 年。 主要内容为基本原理和地浸机理研究， 同时配合取样试验研究，进行小型和扩大试验。

第三阶段是地浸工艺流程更为完善，浸矿方法进入工业性试验阶段。美国和俄罗斯及欧洲国家的浸技术走在世界前列。美国地浸铀矿山全部采用碱法浸出工艺，已形成以CO2+O2为主浸出剂的技术体系，在地下流体监测与控制方面处于领先水平，铀浸出率约 65%。俄罗斯国家地浸铀矿山基本上采用了 H2SO4体系的酸法或微试剂浸出，铀浸出率 75%以上。近年来， 地浸采矿随着现代科学技术的发展，已发生了巨大的变化，无论是理论研究、应用范围、设备的自动化、经济效益和环境保护与监测等方面都取得了令人瞩目的成就。相对于国外，我国在铀的提取研究上起步较晚。最早的研究地浸开采铀技术是在上个世纪的中后期阶段，依据该技术发展，可以将其分为三个阶段：

阶段一为研究的探索阶段。该阶段，我国铀矿开采工业研究所的科研人员对国外开采铀的技术进行了了解和收集，并在此基础上，对我国开展第浸采铀的技术进行设计，并在上个世纪的70年代初，首次在广东的岩铀矿进行了探索性的开采试验，接着，上个世纪70年代的末期，在我国的黑龙江的某铀矿也开展了天然铀的开采试验。这两次试验虽然未取得较好的实验效果，但是通过这些实际开采，获得了大量实验数据，也为后续的地浸打下了厚实的基础。

阶段二为大量试验阶段。时间阶段为上个世纪的80年代至上个世纪末，我国当时在云南的某铀矿继续开展了铀矿的浸采实验，这次实验获得了较好的实验结果，该试验标志着我国开始初步掌握了天然铀的地浸开采技术，并在此基础上，我国对该铀矿进行相应的扩大开采试验，经过几年的不懈努力，我国初步建立了一座开采铀的小规模试验的矿山。随后，我国依据该成功经验，并在上个世纪80年代分别在我国多个地方进一步开展了地浸开采铀的试验研究。

阶段三为工业化生产阶段。时间阶段为从上个世纪末到现在，上个世纪末到 21 世纪初在伊宁铀矿建设地浸采铀国家重点工业性工程。之后的几年先后开展了吐哈、松辽和鄂尔多斯等盆地地浸采铀试验。在这几十年的探索试验过程中，中国铀矿的工作者通过消化吸收国外的地浸采铀的经验，并结合我国地浸砂岩的特点，对一些常规的技术进行改革创新，取得了令人满意的效果。伊宁等铀矿地浸技术工业性应用成功，成为我国地浸采铀从试验阶段研究转向工业生产的阶段的里程碑，从此地浸采铀成为中国铀矿采冶的主要方式。

地浸全称为原地浸出采铀，即原地浸出采铀矿，它是按一定配方配制的溶浸液，在天然埋藏条件下通过钻孔工程（注液钻孔、抽液钻孔），注入的浸出剂在渗透过程中与矿石中有用的成分接触，经氧化作用、络合作用和铀的活化作用等一系列化学反应生成含矿溶液，进入矿层通过另外的转孔抽至地表，并将其运输到车间进行离子交换等处理工艺，最后得到所需产品的一种铀矿采冶新工艺。地浸技术大大简化了传统矿冶工业系统的工艺过程，采出来的不是矿石，而是含有用组分的溶液，这种溶液称为浸出液，其达到一定浓度就成为产品溶液。地浸采铀和以前常规矿上的生产模式相比，没有昂贵而繁重的井巷或剥离工程，也没有运输矿石、选择矿石、矿石的破碎和尾矿坝建设等工序；被采的是矿石，但采出的是含有有用组分的溶液。地浸采铀具有工艺简单，建设投资少、生产成本低、环境污染小和安防条件好、资源利用率高等优点，这一新工艺已受到世界各国采铀行业的普遍关注。

当前地浸采铀工艺的分类主要分为以下三种：

（一）酸法浸出

使用酸性试剂为浸出剂的地浸过程被称为酸法浸出，也被称作酸浸。现阶段，大规模工业生产所用的酸性浸出剂一般为硫酸，硫酸能被广泛用作地浸中的浸出剂是因为它的特性决定的。在浸出时，由于水力梯度作用硫酸随着地下水的运移，能够改变矿层的地球化学环境，改变其 pH 值，而因为 pH 值的变化，铀可以从沉淀态改变为溶解态，从而可以生成硫酸铀酰，而酸法浸出则是利用酸和铀能够发生化反应的特性，使铀溶解在酸的溶浸液从而成为浸出液，然后把浸出液抽送到回收车间。因为 4价的铀在稀硫酸溶液中的溶解速率远远低于 6价的铀，所以在酸法浸出工艺中必须要加入氧化剂，从而将4价的铀氧化为 6价的铀。而硫酸溶液和6价的铀的化学反应如下所示：

UO3 + 2H+ → UO22+ + H2O

UO22+ + SO42- → UO2SO4

UO2SO4+ SO42-→[UO2(SO4)2]2-

[UO2(SO4)2]2-+ SO42-→[UO2(SO4)3]4-

由全世界数十年地浸采铀工艺实践可以知道，通常来说，酸法地浸工艺里溶浸液和铀矿石的化学反应很强烈，铀的浸出速率比较快，浸出液中铀的浓度含量高，浸出周期比较短，而铀的回收率比较高(和碱法地浸相比一般高10%～15%)，而且硫酸价格很低廉，设备材料十分容易选购，因此，硫酸最早用作浸出剂。可是酸法地浸溶解铀的同时溶解其它脉石矿物，选择性较差，浸出液成分复杂；地下水环境恢复很困难；而且对设备仪器管路也有一定腐蚀作用。

（二）低酸浸出

对于浸出工艺中酸法和碱法存在的不足之处，浸出剂方面展开了研究中性(或弱酸碱性)浸出的工作。浸出时其条件为 pH 范围在 6.5～8.0，实际中则是使用碳酸氢盐做浸出。在此地浸环境中的近地开采不但具有正常碱浸的优点，而显著的优点就是地下水治理起来比较容易，所用费用较低。同时，使用酸法地浸采铀而著称的国家，对于碳酸盐含量较高的铀矿床展开了低酸浸出的研究：使用低浓度的硫酸溶液使空气中的氧与矿石中的碳酸盐反应，从而生成碳酸氢盐，然后其与矿石中的铀矿物发生反应，从而生成碳酸铀酰。此工艺已经在乌兹别铀矿床地浸开发之中使用，其生产规模已经达到年产 1000tU。从而看出，低酸浸出其实就是碳酸氢钠浸出，和使用 CO2作浸出剂、氧气为氧化剂的碱法地浸，其发展是一致的。因此可以看出，低酸浸出工艺是结合了酸法地浸工艺与碱法地浸工艺。

（三）碱法浸出

碱法浸出是基于 6 价铀在弱碱性的介质内可以形成比较容易溶解的络合物的原理。和 Na+、K+、NH4+、Ca2+和 Me2+离子起阳离子作用，而阴离子以三碳铀酰[UO2(CO3)3]4-或二碳酸铀酰[UO2(CO3)2]2-形式存在于溶液中。4价铀的化合物不加氧化剂时运用碳酸盐试剂不能回收，氧化剂则应和碳酸盐一起直接注入矿带后，通过加入重碳酸（HCO3-）盐和二氧化碳气体进行浸出工艺。二氧化碳则和主岩中天然存在的碳酸盐发生反应产生出重碳酸盐和碳酸盐，而它们可以在中性或弱碱性条件下溶解。碱性浸出的腐蚀性较小；其可以使用在碳酸盐含量较高的矿床。但是碱浸的浸出率较低，浸出液铀的浓度较低，浸出的时间较长。

1.3研究内容

本文通过对某铀矿中几组岩芯样品的静态浸出回收和动态浸出回收的研究，探讨了不同氧化剂、不同的矿石的粒径、不同的浸出剂和浸出剂的浸出时间以及动态柱的串联对浸出效率的影响及影响程度，对浸出及回收工艺进行了优选和优化，并结合实际浸出液的实际浓度，提出了某铀矿中铀资源化技术的关键参数，为制定现场条件试验浸出方案和铀回收工艺提供依据。

2 相关理论基础

2.1 铀矿开采的方法

能源是经济、社会发展和提高人民生活水平的重要物质基础。现代社会的能源消耗量日益增大，而煤、石油等不可再生能源却在日益减少，随着能源危机的加深，人们越来越清醒地认识到依赖石油等能源的脆弱性。自从上世纪 90 年代以来，我国能源供应和需求之间的矛盾不断加大，能源短缺的问题随之产生。据有关部门计算，为了保证 GDP 年均增长 7%以上，能源供应保持每年递增 4%。到 2050 年，能源年消耗量将达到 38 亿吨标煤，成为世界第一能耗大国。目前，我国乃至全球都在为能源“坐吃山空”而忧虑，另外一方面，化石能源的大量使用也给生态环境带来了日益严重的破坏，环境污染和资源枯竭已成为制约我国发展的重大问题。从历史的发展中我们深刻意识到，科学的发展应保证人和自然相协调,不能以大量消耗自然资源，破坏环境为代价。要走可持续发展的道路必须改变目前的能源消费模式，开发安全、环保的新能源，于是大力推行节能计划，积极开发新能源，成为世界各国政府制定能源政策的重点。核能作为一种经济、安全、环境污染小、可靠的能源成为许多国家挽救能源危机的出路之一。铀作为目前核能开发的主要原料，各国都在加大对天然铀的开采的同时，也掌握了系列天然铀的提取技术和工艺。铀矿开采除和有色金属开采方法基本相同外，由于铀具有放射性，尤其是放射性气体（氡气），铀品位较低，矿体分散和形态复杂的特点，所以铀矿开采又带有自己的特性，即在开采时，要求有良好的通风设施和一系列放射性防护措施，要有尽可能大的回收率，最大限度地降低损失和贫化；其次，为了避免大量围岩混入，降低铀矿石的贫化率，减少处理矿石的数量，可以用放射物探方法在现场边采边探，来确定矿体的边界和形状，从而确定采掘方向。铀矿的开采方法取决于矿床的类型，矿石与围岩的物理性质，环境保护等因素。目前对于品质较高的铀矿，通常采用搅拌浸出的方式对铀资源进行采冶，而对于品味较低的铀矿，各国进行采冶的方法如下[：铀矿开采是生产铀的第一步，它是在地质勘探确定了铀矿床的基础上进行的，它的任务是把工业品位的铀矿石从铀矿床中开采出来。铀矿开采与其它有色金属矿的开采一样，主要分为三个步骤：

（1）开拓 开拓是通过从地面到矿床开掘的一系列巷道（井筒、平硐等），使矿床与地面之间形成完整的提升、运输、通风、排水、供水、供风、供电等必要的系统，以便在矿床内进行采准和回采工作。 矿山开拓的方法可以分为：平硐开拓、斜井开拓、竖井开拓和采用两种以上方法的联合开拓。在我国20座铀矿所采用的开拓方法中，平硐开拓占15 %，斜井开拓占45 %，竖井开拓占40 % 。

（2）采准和切割 采准是回采的前期准备工作，它的任务是在开拓好的矿床中，根据矿体和围岩的特点选择合适的采矿方法后，按照采矿方法的要求和具体情况，沿矿体和在矿体内开掘一系列运输、通风、人行井巷，把矿体划分成采场，为回采建立必要的工作环境。 切割工作是在采准完毕的矿块中为大规模回采矿石开辟自由面和补偿空间，例如：拉底巷道、切割天井（或切割上山）等。

（3）回采 回采是在已做好采准工作的采区里，从矿床中大量开采出矿石的所有过程，包括：崩矿、搬运、支护和采空区处理等。

1）开拓和采准的原则

铀矿开采过程中，开拓和采准应当遵循以下原则：

（1）开拓巷道一般布置在脉外，必须穿过矿体的巷道数量应当尽可能少。

（2）采用后退式回采顺序，使采空区尽量保持在回风系统一侧，避免采空区释放的氡及其子体污染新鲜风流。

（3）井田范围不宜过大，有良好的通风系统。

（4）主要的行人和运输巷道、提升机房、机修室、矿石检查站、炸药库等应布置于新鲜风流中。地下储矿仓和水仓应有单独的回风道。

（5）坚持采探结合，并尽可能以钻探代替坑探，减少氡析出量。

2）对采矿方法的要求

选择开采铀矿的方法除了考虑矿石和围岩的稳固性、矿体的厚度和倾角以外，还应当考虑所选择的方法能保证氡的析出量最小，开采的矿石损失率和贫化率小，回采中有利于辐射取样和围壁探矿，并考虑铀矿床的形态。铀矿开采方法主要有露天开采、地下开采和原地浸出采铀三种方法。 露天开采是按一定程序先剥离表土和覆盖岩石，使矿石出露，然后进行采矿，这种方法一般用于埋藏较浅的矿体。地下开采是通过掘进联系地表与矿体的一系列井巷，从矿体中采出矿石，地下开采的工艺过程比较复杂。一般在矿床离地表较深的条件下采用这种方法。原地浸出采铀是通过地表钻孔将化学反应剂注入矿带，通过化学反应选择性地溶解矿石中的有用成分--铀，并将浸出液提取出地表，而不使矿石绕围岩产生位移。这种采铀方法与常规采矿相比，生产成本低，劳动强度小，但其应用有一定的局限性，只适用于具有一定地质、水文地质条件的矿床。

2.1.1铀矿堆浸

    美国联合碳化物公司(UCC) 1971年才开始认真地对待用堆浸法回收铀。当时，在怀俄明州加斯希尔斯铀工厂周围各料场上堆积了约160万吨铀矿石，其品位为0.4公斤UsOs/吨矿石。我们曾考虑选择一种合适的方法，以便处理这些积存的矿石。看来堆浸方法最有吸引力。当时，西部核子公司正在离我们不远的地方搞堆浸。他们用硫酸浸出低品位矿石，浸出液在就地的萃取系统中处理。萃余相经再酸化后返回使用。那里的操作人员带我们参观了他们的堆浸场地，并共同讨论了堆浸的有关问题。他们的经验使我们确信:对常规水冶方法来说，品位太低的矿石采用堆浸的方法是非常适宜的。以西部核子公司的经验为基础，我们制定了一个研究计划。其中包括:①矿石料堆特性对堆浸的影响的实验室研究，②在加斯希尔斯水冶厂附近进行半工业规模堆浸的研究。半工业规模的浸出堆和浸出过程，基本上与文献相似，只是在操作的监测方面有些改进。1972年5月决定建一个试验性浸出堆。我们选择怀俄明州加斯希尔斯的UCC工厂作为最合适的建堆基地。其理由是:①建造浸出堆的必需设备容易取得，②此地堆存着从各采场运来的大量矿石，③浸出堆可薄造在废弃的尾矿堆上面，有利于环境保护，④浸出液可以由当地水冶厂现有的加工系统进行处理，⑤必需的用品易得，⑧现有加工系统的废水可以用于堆浸。制定半工业规模堆浸计划的主要目的是:①验证台架单项目试验取得的有关铀回收率、酸用量和矿石渗透性的数据;②评价浸出堆基底塑料衬垫的可靠性;③研究浸出堆形状的各种参数，④确定各种不同矿石堆浸的适应性，⑤确定低品位矿石堆浸的经济指标。W-1号浸出堆为西加斯希尔斯料场积存的矿石，约689吨，L12.4米的厚度堆放在场地的一端。第二个堆，E -1号，则为东加斯希尔斯料场积存的矿石，约794吨，放在场地的另一端，与W-1号堆相对，两者距离7.6米。第三个堆是E -2号，是从东加斯希尔斯新开采出来的矿石，约685吨，置于E -1和W-1之间的空地。W-1和E -1的内侧坡上铺以聚乙烯衬垫，借以与E -2的矿石隔开。上述三个浸出堆之外形图如图2.1所示。

图2.1 半工业规模浸出堆的外形图

浸出系统的操作允许有灵活性。出自浸出堆的浸出液，可直接送到工厂用离子交换柱去处理，亦可打到调节槽，供堆浸再循环使用。浸出用的酸溶液是用尾液池的废水或调节槽中再循环溶液配制的。将尾液池废水或再循环溶液打到7570升的木槽中，加入硫酸，调至所需之酸度，即可使用。记录打入每个堆浸池酸溶液总量同时，还要记录浸出堆每天硫酸的实际添加量。认真监测每个排水管浸出液的流速、铀含量、铁含量、pH值和剩余酸度。为了得到溶液的全面平衡，还要通过对池面蒸发和毛细蒸发的测量估算每天损失的水量。根据这些数据，加上已知的矿石水分，进行溶液衡算，得到的溶液平衡值为102% 。堆浸是堆置浸出法的简称，是将配制好的溶浸液喷洒到预先堆置好的矿石堆上，选择性地溶解矿石中的目标成分，形成离子或络合离子并让其转入溶液，便于进行进一步的提取或回收的浸出方法；堆浸的矿石仅需粗碎即可，溶液在矿堆中处于非饱和状态。 堆浸是堆置浸出法的简称，是通过将稀的化学溶剂喷洒到预先堆置好的矿石堆上，选择性地溶解（浸出）矿石中的目标成分，形成离子或络合离子并使之转入溶液，以便进行进一步的提取或回收的浸出方法；堆浸的矿石仅需粗碎即可，溶液在矿堆中处于非饱和流状态。我国堆浸提铀技术研究始于上世纪60年代，经过几代铀矿冶科技工作者的不断努力探索，已经在许多技术领域取得了突破，一大批科研成果已成功应用于堆浸提铀工业生产，并且取得了显著的经济效益。堆浸提铀工艺是中国铀矿冶生产的主要工艺之一。
（1）浓酸熟化高铁淋滤堆浸技术
该技术的特点是首先将破碎矿石进行浓酸熟化预处理，使矿石中的铁氧化为三价，铀大部分转化为可溶性盐，然后采用含硫酸高铁的清水进行淋浸。此工艺既缩短了矿石的浸出周期．也提高了浸出合格液的铀浓度。经多年的工业应用表明，采用浓酸熟化—高铁淋滤技术进行强化堆浸，矿石浸出周期仅60～100d，浸出合格液铀浓度可达7～9g/L。
（2）低渗透性矿石制粒堆浸技术
低渗透性含泥矿石化学粘合进行酸法制粒，该粘合剂通过参与化学反应，可在矿粒内部形成以水化物晶核为基础的结晶结构网，从而大幅度提高了矿堆的渗透性。工业生产表明，矿石经过制粒预处理以后进行堆浸，金属的浸出率95%以上，与直接堆浸相比较，浸出周期缩短70%，浸出合格液铀浓度提高50%。
（3）细粒级矿石堆浸技术
经过对堆浸传质机理及浸出过程进行深入分析研究，提出了细粒级矿石堆浸的概念，认为堆浸矿石的破碎应该存在一个最佳经济粒度，在充分试验的基础上，推导出了堆浸矿石破碎的经济粒度计算模型。目前，该研究成果已经在多个堆浸铀矿山得到了应用。
（4）串联堆浸技术
为了尽可能提高矿石堆浸合格液铀浓度，降低原材料消耗，针对多种铀矿石进行了系统的串联堆浸技术试验研究，开发了计算矿石串联堆浸各阶段操作参数的数学模型。多个堆浸提铀矿山的应用结果表明，在使用该技术以后，堆浸合格液的铀浓度可提高2～3倍，浸出过程的酸、氧化剂以及金属回收工序的材料消耗可降低20%～30%。
（5）细菌氧化堆浸技术
中国对于细菌氧化堆浸提铀技术的研究始于20世纪60年代，主要是利用氧化亚铁硫杆菌对矿石中的黄铁矿或吸附尾液中的Fe2+进行氧化使Fe2+转变成Fe3+，从而完成对矿石中低价铀的氧化浸出。已进行了4000t规模的工业试验。工业试验结果表明，采用细菌氧化堆浸与常规氧化堆浸相比，硫酸消耗可降低12.5%，浸出时间可缩短32%～45%、浸出液铀浓度可提高88.2%。
（6）伴生铀矿综合堆浸回收技术
目前已探明的铀矿资源中，铀钼共生矿床占有一定的比例，此类型矿床在常规浸出时往往浸出时间长、钼的浸出率低，并且浸出液中铀钼的分离效果不够理想。采用拌酸熟化及活化浸出技术对矿石进行堆浸处理，使矿石的浸出周期缩短了一半以上，铀的浸出率达到90%，钼的浸出率达到70%以上，并采用新型的离子交换树脂从浸出液中同时吸附铀钼，通过分步淋洗使铀钼的分离系数达到2000以上。
（7）渗滤浸出提铀
对于一些铁、镁、钙、铝等杂质含量高的复杂铀矿，常规堆浸过程中，堆内溶液的酸度随着溶液的运移会不断消耗，导致铁、镁、钙、铝在堆内不断地迁移一积累一沉淀，使矿堆板结，降低了矿堆的渗透性。渗滤浸出工艺由于改变了溶