中性地浸采铀催化浸出条件研究

第42卷第4期(总第190期)
2
023年8月湿法冶金
H y d r o m e t a l l u r g y o
fC h i n a V o l .42N o .4(S u m.190
)A u g
.2023中性地浸采铀催化浸出条件研究
杨少武1,许 影2,张万亮3
(1.中核北方铀业有限公司,辽宁葫芦岛 125000;
2.核工业北京化工冶金研究院,北京 101149;
3.中核通辽铀业有限责任公司,内蒙通辽 028000
)摘要:在中性地浸采铀中后期,部分采区浸出液的铀浓度低,难以兼顾铀资源回收率与生产成本㊂为提高铀浸出率㊁降低生产成本,以内蒙古某中性地浸铀矿山A 采区为研究对象,将催化浸出技术引入中性地浸采铀,通过添加催化剂N a N O 2提高O 2的氧化性能,提升浸出过程中的氧化作用,实现对铀的强化浸出㊂结果表明:加入N a N O 2浸出7d ,铀浸出率提高16%以上,达到了预期浸出效果;通过正交试验确定最佳催化浸出条件为300m g /LO 2㊁400m g /LC O 2㊁300m g /L N a N O 2㊂研究成果可为目标矿山剩余铀资源强化浸出提供技术支撑,对其他类似采区的开采也具有一定指导意义㊂关键词:地浸;中性;铀;催化剂;氧气;强化浸出中图分类号:T L 212.12 文献标识码:A 文章编号:1009-2617(2023)04-0367-05
D O I :10.13355/j .c n k i .s f y j
.2023.04.008收稿日期:2023-03-27
第一作者简介:杨少武(1972 )
,男,本科,高级工程师,主要研究方向为铀水冶㊂引用格式:杨少武,许影,张万亮.中性地浸采铀催化浸出条件研究[J ].湿法冶金,2023,42(4):367-371.
中性地浸工艺已在中国多个铀矿床实现了工
业化应用[1-4
]㊂但在中性地浸采铀中后期,残余铀资源或处于浸出盲区,或对O 2氧化不敏感,导致浸出液铀浓度降低㊂为提高中性地浸采铀效率㊁
缩短浸出周期㊁提高铀资源利用率,在试剂加入
量[5-6]及加入方式[7
]等方面进行了一些研究,而针
对浸出反应本身的强化浸出研究的较少㊂
O 2作为廉价易得的清洁氧化剂
[8]
,应用范围较广,如可在石油化工领域中采用催化氧气方法[9-10]有效提高O 2氧化性能㊂目前,
可用作提高O 2氧化性能的催化剂有N a N O 2
[11-14
]㊁铜或钯基催化剂[15-18]及其他有机和无机配合物[19-20
]等㊂
内蒙古某中性浸出铀矿床各采区浸采效果不
尽相同㊂以A ㊁B 采区为例,A 采区于2014年投产,随运行时间延长,浸出液铀质量浓度降低,至
2020年10月已降至10m g
/L 以下,2022年铀浸出率仅为78%,未达到预期指标;B 采区于2016年投产运行,2022年铀浸出率仍为98%以上㊂金属量较高的A 采区,铀一直以低浓度缓慢浸出,使运
行成本增加,亟需采取强化手段加快铀浸出速度,
提高铀资源利用率㊂前期已通过改变抽注浸出路径㊁增加抽液井等方式对浸出率相对较低单元进行现场探索试验;但研究的系统性不强,铀浸出率提高幅度有限㊂因此,需进一步探索强化浸出措施,实现铀资源的深度开采㊂
试验针对上述中性地浸铀矿山A 采区,研究
了通过添加催化剂提高O 2氧化性能及浸出反应速率,进而强化铀的浸出,以期实现中后期矿床的经济开采,提高资源利用率㊂
1 试验部分
1.1 试验原料
将砂岩岩芯样按矿层特征和质量关系进行配比,形成混合矿样;将混合矿样破碎至自然粒级,充分混匀后,用二分器缩分成试验矿样,备用㊂取试验矿样1份,研磨至-200目以下并进行化学分析,结果见表1㊂
某铀矿含矿含水层间水(简称地层水)p
H=7.4,
化学成分见表2㊂试验中,配制浸出剂所用溶液由实验室模拟地层水的化学成分配制而成㊂
湿法冶金 2023年8月表1 试验矿样特征组分
%
U
U (Ⅵ)C 总
S
C a
M g
F e
F e O
M n
0.050.0150.6700.3300.2740.1350.8610.6990.019
表2 地层水的化学成分
m g
/L C a 2+
M g
2+
C l
-S O 2-4
H C O -3
29.0
9.0363.0
535.0
2320.0
由表1看出:矿样中残余铀品位约为0.05%,
其中w (U (Ⅳ))/w (U (Ⅵ))约为2.33,w (F e
)为0.861%,以F e
2+为主㊂1.2 试验方法
井场采用C O 2+O 2中性浸出工艺,
残余铀资源或处于浸出盲区,或对O 2氧化不敏感㊂针对
此矿样需选择适宜的催化剂,提高O 2氧化性能,
在不引起矿层渗透性恶化的条件下,促进铀的氧化浸出㊂为满足以上要求,选择4种催化剂
(N a N O 2㊁K I ㊁A l C l 3㊁N a V O 3),以含C O 2和O 2的模拟地层水作浸出剂,进行催化强化浸出试验,考察铀的催化浸出效果㊂
2 试验结果与讨论
2.1 催化浸出铀本底试验
为表征所选试剂在浸出过程的作用,分别将4种催化剂加入地层水配制成浸出剂,开展搅拌浸出试验㊂试验条件:液固体积质量比5m L /1g ,室温(20ħ),反应时间48h ,摇床转速150r /m i n ㊂试验结果见表3㊂
表3 催化浸出铀本底试验结果
催化剂浸出液中ρB
/(m g ㊃L -1)U
C a 2+M g 2+S O 2-4
浸出渣中
w (U )/%U 浸出率
(渣计)/%无47.230.98.5550.80.031038.0100m g /LK I 48.128.98.8551.30.031137.8200m g
/LK I 47.431.79.2559.80.031836.4100m g /LN a N O 248.732.39.7
580.80.031537.0200m g /LN a N O 248.830.310.1581.70.031237.6100m g /LA l C l 346.929.99.9579.80.030938.2200m g /LA l C l 347.130.58.7568.10.030638.8100m g /LN a V O 346.229.19.1579.30.031337.4200m g /LN a V O 3
47.3
30.7
9.3573.8
0.0312
37.6
由表3看出:4种催化剂分别配成100m g
/L 和200m g /L 溶液,其浸出效果与未添加催化剂时基本一致㊂可见,所选催化剂均不能单独浸出铀,参与铀的浸出反应㊂
2.2 催化中性搅拌浸出效果将C O 2㊁O 2㊁催化剂加入模拟地层水配制浸出剂,进行搅拌浸出试验㊂试验条件:液固体积质
量比5m L /1g ,室温(20ħ),反应时间72h ,搅拌速度150r /m i n
㊂试验结果见表4㊂可以看出:4种催化剂对C O 2+O 2中性体系中铀的浸出均
有一定促进作用;采用N a N O 2作为催化剂,对铀的浸出率提升效果较好,铀浸出率可由未添加催化剂时的45.8%分别提升至54.6%(100m g
/L N a N O 2)和56.8%(200m g /LN a N O 2)
㊂表4 催化中性搅拌浸出铀试验结果
浸出剂组成
催化剂浸出液中ρB
/(m g ㊃L -1)U
C a 2+M g 2+S O 2-4
浸出渣中
w (U )/%U 浸出率
(渣计)/%模拟地层水+
400m g /LC O 2+250m g /LO 2
无77.930.98.3550.80.027145.8100m g
/LK I 78.228.99.8570.30.026746.6200m g
/LK I 78.631.710.2590.10.026547.0100m g /LN a N O 285.232.39.9650.80.022754.6200m g /LN a N O 290.430.311.3
670.30.021656.8100m g /LA l C l 377.229.98.9570.20.026547.0200m g /LA l C l 378.330.59.3591.80.026347.4100m g /LN a V O 379.129.19.7
595.80.026946.2200m g /LN a V O 3
80.4
30.7
10.3600.5
0.0258
48.4
㊃86
3㊃
第42卷第4期
杨少武,等:中性地浸采铀催化浸出条件研究
2.3 催化剂对反应速率的影响
试验条件:液固体积质量比5m L /1g
,室温(20ħ),搅拌速度150r /m i n
㊂试验结果见表5和图1㊂
表5 催化剂强化浸出效果对比
浸出剂组成催化剂ρ
(U )/(m g ㊃L -1)浸出1d 浸出3d 浸出5d 浸出7d 浸出渣中
w (U )/%U 浸出率
(渣计)/%模拟地层水+
400m g /LC O 2+250m g /LO 2
无
69.777.980.482.80.025149.8100m g /LN a N O 278.185.289.795.1
0.0171
65.8200m g /LN a N O 2
83.1
90.4
99.9
104.00.0169
66.2
由表5看出:
浸出液中铀质量浓度均随反应时间延长而提高;与未加催化剂的浸出反应相比,添加催化剂可提高浸出液中铀质量浓度及铀浸出率㊂催化剂加入量为100m g /L N a N O 2时,
反应1d ,浸出液中铀质量浓度为78.1m g
/L ,大于未添加催化剂反应3d 时铀质量浓度(77.9m g /L );催化剂加入量为200m g /L N a N O 2时,
反应1d ,浸出液中铀质量浓度大于未添加催化剂反应7d 的铀质量浓度㊂铀质量浓度随浸出时间变化曲线斜率,可表征铀浸出反应速率
㊂
图1 浸出液中铀质量浓度随浸出时间的变化曲线
由图1看出:添加催化剂N a N O 2可有效提
高铀浸出反应速率,实现铀的强化浸出;且催化剂
质量浓度越高,化学反应速率越大㊂
2.4 催化浸出工艺参数的优化
影响催化浸出的因素主要有O 2㊁N a N O 2㊁
C O 2㊂以铀浸出率为试验目标,选择O 2㊁N a N O 2㊁C O 2为影响因素,
以正交试验法对铀的催化浸出工艺参数进行优化㊂
中性地浸采铀所用浸出剂O 2和C O 2质量浓
度范围分别为200~300㊁300~500m g
/L ,将该区间作为优选试验中O 2和C O 2质量浓度范围㊂由于催化剂在地浸采铀中尚无应用,因此,借鉴其他工业领域中催化剂用量,结合对催化剂的初步筛选结果,将N a N O 2质量浓度范围设定为
ρ(
N a N O 2)=100~300m g /L ,进行9组正交试验,O 2㊁N a N O 2㊁C O 2对应的因素水平见表6㊂试验条件:液固体积质量比5m L /1g ,反应温度为室温(20ħ),搅拌速度150r /m i n
,反应时间7d ㊂正交试验结果见表7㊂
表6 正交试验因素水平
因素水平A ρ(O 2/(m g ㊃L -1)B ρ(N a N O 2)/(m g ㊃L -1)C
ρ(C O 2)/(m g ㊃L -1)120010030022502004003
300
300
500
表7 正交试验结果
试验编号
因素水平
浸出液中
A
B
C
ρ
(U )/(m g ㊃L -1)ρ
(N O -2)/(m g ㊃L -1)浸出渣中
w (U )/%U 浸出率
(渣计)/%111298.6
106
0.017066.02133112.03100.016267.63121109.02020.016966.24232107.03080.016068.05223113.02060.016966.26211110.01030.019161.87322113.02030.016167.88313100.01070.016966.2
9
3
3
1
124.0
302
0.0157
68.6
㊃
963㊃
湿法冶金2023年8月
由表7看出:第9组试验,即300m g/L O2㊁300m g/L C O2㊁300m g/L N a N O2条件下,铀浸出率最高(68.6%)㊂
为筛选最优工艺参数,对试验结果进行极差分析㊂A㊁B㊁C不同水平下K i及极差值(R)计算结果见表8,其中:K i(i取1㊁2㊁3)为该因素对应水平i下,不同浸出率的平均值;R为该因子各水平平均值中最大值和最小值的差㊂从R大小来看,对于催化强化浸出反应影响强弱的顺序为B>C>A㊂极差分析结果表明,铀浸出率随氧气浓度及催化剂浓度的升高而升高;极差分析优选的最佳因素水平为:A3B3C2㊂
表8铀浸出率的极差分析结果%项目A B C
K166.6064.6765.53
K265.2765.3367.26
K367.5368.0766.67
R2.273.401.13
影响大小较高显著较弱进一步开展极差最佳工艺参数浸出试验研究,以验证极差分析结果㊂试验条件同上,试验结果见表9㊂
表9极差优选工艺参数下的浸出试验结果
试验编号
因素水平浸出液中
A B Cρ(U)/(m g㊃L-1)ρ(N O-2)/(m g㊃L-1)
浸出渣中
w(U)/%
U浸出率
(渣计)/%
93311243020.015768.6 103321323070.014270.6
由表9看出:在极差分析优选工艺参数下,铀浸出率为70.6%,浸出效果最好㊂因此,确定最佳催化浸出工艺条件为O2㊁C O2㊁N a N O2质量浓度分别为300㊁400㊁300m g/L㊂
3结论
在中性地浸采铀过程中,加入催化剂N a N O2反应7d时的铀浸出率可提升16%以上㊂N a N O2㊁O2㊁C O2对浸出反应影响程度从高到低依次为N a N O2㊁O2㊁C O2,最佳催化浸出工艺参数为300m g/L O2㊁400m g/L C O2㊁300m g/L N a N O2㊂催化浸出可有效提高浸出剂的氧化性能及浸出反应速率,实现对铀的强化浸出㊂
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㊃073㊃
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C a t a l y t i cL e a c h i n g C o n d i t i o n s o fN e u t r a l I n -s i t uL e a c h i n g U
r a n i u m Y A N GS h a o w u 1,X U Y i n g 2,Z H A N G W a n l i a n g
3
(1.N o r t hU r a n i u m C o .,L t d .,C NN C ,H u l u d a o 125000,C h i n a ;
2.B e i j i n g R e s e a r c hI n s t i t u t e o f C h e m i c a lE n g i n e e r i n g a n d M e t a l l u r g y ,
C NN C ,B e i j i n g 1
01149,C h i n a ;3.T o n g l i a oU r a n i u m C o .,L t d .,C NN C ,T o n g
l i a o 028000,C h i n a )A b s t r a c t :I n t h em i d d l ea n d l a t es t a g e so fn e u t r a l l e a c h i n g u
r a n i u m ,t h eu r a n i u mc o n c e n t r a t i o no f t h e l e a c h a t e i ns o m e m i n i n g a r e a si sl o w ,a n di ti sd i f f i c u l tt o b a l a n c et h er e c o v e r y r a t eo fu r a n i u m r e s o u r c e s a n d p r o d u c t i o n c o s t .I n o r d e r t o i m p r o v e t h e u r a n i u ml e a c h i n g
r a t e a n d r e d u c e t h e p r o d u c t i o n c o s t ,t a k i n g t h eA m i n i n g a r e ao f an e u t r a l l e a c h i n g u r a n i u m m i n e i nI n n e r M o n g o l i aa s t h e r e s e a r c h o b j e c t ,t h ec a t a l y t i cl e a c h i n g t e c h n o l o g y w a s i n t r o d u c e di n t ot h en e u t r a l l e a c h i n g u r a n i u m ,a n dt h e o x y g e no x i d a t i o n p e r f o r m a n c ew a s i m p r o v e db y a d d i n g t h ec a t a l y s tN a N O 2,
a n dt h eo x i d a t i o n i nt h e l e a c h i n gp r o c e s s w a si m p r o v e dt oa c h i e v ee n h a n c e d u r a n i u m l e a c h i n g
.T h er e s u l t ss h o w t h a tt h e l e a c h i n g r a t e o f u r a n i u mi n c r e a s e s b y m o r e t h a n 16%a f t e r a d d i n g N a N O 2f o r 7d a y s ,a n d t h e e x p e c t e d l e a c h i n g e f f e c t i sa c h i e v e d .T h eo p t i m a lc a t a l y t i cl e a c h i n g c o n d i t i o n p r e f e r r e di no r t h o g o n a l t e s t i s 300m g /LO 2,400m g /L C O 2,300m g /L N a N O 2.
T h e r e s e a r c hr e s u l t sc a n p r o v i d e t e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e e n h a n c e d l e a c h i n g o f t h e r e m a i n i n g u r a n i u mr e s o u r c e s i n t h e t a r g e tm i n e ,a n d a l s o h a v e g u i d i n g s i g n i f i c a n c e f o r t h ed e v e l o p m e n t o f o t h e r s i m i l a rm i n i n g a
r e a s .K e y w
o r d s :i n -s i t u l e a c h i n g ;n e u t r a l ;u r a n i u m ;c a t a l y s t ;o x y g e n ;e n h a n c e d l e a c h i n g ㊃
173㊃。