循環(huán)經(jīng)濟下新疆地浸采鈾浸出的技術創(chuàng)新

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摘要：從循環(huán)經(jīng)濟角度出發(fā)，介紹了地浸采鈾工藝特點，從浸出工藝方法與礦床的“適宜匹配”、浸出工藝的“減量化”技術、微生物浸鈾及鈾錸綜合回收技術等四個方面闡述新疆地浸采鈾浸出工藝的循環(huán)經(jīng)濟技術創(chuàng)新舉措及應用成果，總結出新疆地浸采鈾浸出工藝具有“低消耗、高利用、綜合回收”的循環(huán)經(jīng)濟特點。

關鍵詞：地浸采鈾；循環(huán)經(jīng)濟；浸出工藝優(yōu)化

循環(huán)經(jīng)濟的核心理念是資源高效、循環(huán)利用，基本原則是“減量化（reduce）、再利用（reuse）、再循環(huán)（recycle）”，即循環(huán)經(jīng)濟的“3R”原則［1］?！皽p量化”是循環(huán)經(jīng)濟的第一法則，它要求從源頭就注意節(jié)約資源和減少投入；“再利用”原則是要求產(chǎn)品和包裝物能夠多次和反復使用，而不是一次性消耗；“再循環(huán)”原則是指產(chǎn)品在完成其自身功能后，能被后續(xù)工藝再使用［2］。在循環(huán)經(jīng)濟理念和思想的指導下，結合礦產(chǎn)資源特性和當前開發(fā)現(xiàn)狀，延伸并發(fā)展成為礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟［3］。新疆有豐富的可地浸砂巖鈾礦資源，自20世紀80年代末地浸開采條件試驗取得成功以來，新疆地浸采鈾得到了快速發(fā)展［4－5］，國內首座千噸級地浸采鈾礦山現(xiàn)已在伊犁盆地建成。推動地浸采鈾浸出工藝不斷創(chuàng)新、大力發(fā)展地浸采鈾循環(huán)經(jīng)濟，是建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、經(jīng)濟效益型地浸采鈾標桿企業(yè)的有效途徑。

1循環(huán)經(jīng)濟視角下的地浸采鈾工藝特點

1．1鈾礦資源循環(huán)經(jīng)濟在循環(huán)經(jīng)濟視角下的礦業(yè)領域中，有學者提出［6］“減量化”的提法難以實現(xiàn)，應以“高回收（recovery）”代替“減量化”（reduce）。也有學者提出［7－8］，礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟應在“3R”基礎上增加“研究（research）”和“替代（replace）”，或“再發(fā)現(xiàn)（rediscover）”和“替代（replace）”原則，即礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的“5R”原則。在鈾礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟研究方面，有學者提出［9］基于物質流的鈾礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟研究，將鈾礦企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營活動視為包含輸入、輸出的物質流動，鈾礦資源循環(huán)經(jīng)濟應遵循“減量化、無害化、資源化”的“3R”原則，體現(xiàn)減少輸入端的投入，將物質流的過程中廢物進行再利用，輸出端污染物排放進行無害化處理。在地浸采鈾礦山的物質流輸入端控制，即浸出工藝的選擇。1．2地浸采鈾工藝特點地浸采鈾技術適用于疏松砂巖型鈾礦床的開采，它通過揭露礦體的鉆孔，向礦層注入浸出劑，對原始埋藏下的含鈾礦石進行溶浸，將含鈾溶液抽至地表水冶廠進行回收。水冶廠利用離子交換樹脂將含鈾溶液中的鈾吸附，廢水（吸附尾液）在補加少量工業(yè)試劑后作為浸出劑再次注入礦層，實現(xiàn)工業(yè)廢水的循環(huán)和再利用；鈾水冶用的離子交換樹脂經(jīng)轉型后也可以循環(huán)利用，除了運轉過程中的機械磨損，整個鈾水冶回收工藝流程不會消耗離子交換樹脂。地浸采鈾的先進性還降低了其對鈾礦石工業(yè)品位的要求，常規(guī)鈾礦山通常以0．05％作為最低工業(yè)品位指標，地浸采鈾的最低工業(yè)品位指標則可降至0．01％。若礦床共（伴）生錸、鉬、硒、釔等稀有元素具有一定工業(yè)價值，地浸開采方法還可實現(xiàn)這些共（伴）生元素的協(xié)同開采，提高資源的綜合利用率。因此，從某種角度上講，地浸采鈾本身符合礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展理念。在地浸采鈾工藝中，推動循環(huán)經(jīng)濟的再發(fā)展，其實質應當是以盡可能小的原材料消耗和環(huán)境代價，實現(xiàn)鈾資源的最大回收和共（伴）生元素的綜合利用，也即浸出工藝滿足鈾礦石的浸出要求，浸出劑濃度低，浸出過程對圍巖組分消耗少，對地下水成分影響小，充分體現(xiàn)浸出工藝過程的“減量化”、“資源回收最大化”和“生態(tài)化”思想。按浸出劑種類，地浸采鈾浸出工藝可分為酸法浸出（以H2SO4為主）、堿法浸出（以鈉或銨的碳酸鹽＋碳酸氫鹽為主）和中性浸出（CO2＋O2）［10］，其中，中性浸出（CO2＋O2）“浸出工藝有“環(huán)境友好型”浸鈾工藝的美稱［11－12］。蘇聯(lián)多采用酸法浸出工藝，美國地浸礦山常采用“CO2＋O2”的中性浸出工藝或堿法浸出工藝。新疆地浸采鈾在生產(chǎn)實踐中，最先采用的是酸法浸出工藝，2000年之后，隨著所開發(fā)礦床的地質工藝類別變化，堿法浸出、“CO2＋O2”浸出工藝相繼在吐哈盆地、伊犁盆地某些礦床使用。各種浸出工藝之間并沒有優(yōu)劣之分，具體選擇哪種浸出工藝，應依據(jù)礦巖組分和鈾礦石的地質工藝特征而定。

2新疆地浸采鈾浸出工藝循環(huán)經(jīng)濟技術創(chuàng)新舉措

2．1浸出工藝方法與礦床的“適宜匹配”新疆地浸采鈾礦山目前主要分布在伊犁盆地和吐哈盆地，已規(guī)模開發(fā)的鈾礦山有5個。根據(jù)浸出工藝與礦床的“適宜匹配”原則，酸法浸出、堿法浸出和“CO2＋O2”浸出工藝在新疆地浸采鈾實踐中均有規(guī)模應用。1）酸法浸出，浸出劑的ρ（H2SO4）為5～20g／L，適宜于碳酸鹽含量（按CO2計）＜0．5％，以伊犁盆地某礦床Ⅴ旋回礦體為代表。2）堿法浸出工藝，新疆地浸的堿法浸出工藝以NH4HCO3為主，用于碳酸鹽巖含量＞2％、硫化物含量＜2％的礦床，以伊犁盆地某礦床Ⅶ旋回礦體為代表。3）“CO2＋O2”浸出工藝，用于伊犁盆地某碳酸鹽巖含量高（2．4％～16．6％）、黃鐵礦含量較高（接近2％）、礦層水類型為SO4•Cl－Ca•Na的礦床。酸法和堿法浸出工藝都因為浸出過程中的化學堵塞而無法在此礦應用，運用“CO2＋O2”浸出工藝，并嚴格控制CO2和O2的加入量，將體系pH值、Ca2＋、HCO－3、SO2－4等引起沉淀堵塞的敏感因子嚴格控制在邊界條件之內，化解了該礦床浸出過程中的堵塞問題。注入的CO2與礦層中的碳酸鹽巖反應生成浸鈾所需的HCO－3，O2能有效氧化四價鈾礦物，從而使鈾得到有效浸出。2．2井場浸出工藝的“減量化”技術在地浸采鈾浸出工藝中，不僅需要研究浸出工藝方法與礦床的“適宜匹配”，在特定浸出方法下，還應研究浸出劑濃度與浸出效果的最佳匹配，即以盡可能小的原材料消耗，獲得盡可能高的鈾資源回收率；同時減少無礦圍巖與浸出劑的化學反應，從而減少進入浸出液中的雜質離子，降低后續(xù)鈾水冶回收成本，提高產(chǎn)品質量?！癘2預氧化＋低酸浸出”工藝，就是在上述指導思想下，在微酸地浸采鈾技術［13］和前述幾種浸出工藝的基礎上提出的。它適用于常規(guī)酸法浸出、堿法浸出和“CO2＋O2”浸出工藝都不能獲得良好浸出效果、碳酸鹽巖含量較低（按CO2計，0．5％～2％）、慢耗酸物質較高（如黏土礦物、鐵鋁氧化物等）的礦體。該方法在新疆伊犁盆地某礦床Ⅰ旋回礦體的浸采中獲得了較好的效果：使用氧氣氧化，浸出液中Eh可達400～420mV，抽液量較常規(guī)酸法浸出高20％～40％，浸出過程中的礦體堵塞程度比采用常規(guī)酸法浸出輕。主要作法：浸出前期，在礦層循環(huán)水中加入O2對礦層實施預氧化；酸化期，利用微酸（pH值為4～5的硫酸溶液）＋O2進行一次酸化；后暫時停加O2，提高浸出劑ρ（H2SO4）至2～3g／L進行二次酸化；酸化期結束，控制ρ（H2SO4）為3～5g／L＋O2進行浸出。該工藝的O2預氧化過程是使層間氧化帶飽含氧，模擬層間氧化帶型砂巖鈾礦成礦前的鈾的原始遷移環(huán)境。一次酸化階段是對礦層進行預酸化，微量硫酸與碳酸鹽反應生成HCO－3，為鈾的浸出提供配位體，浸出液中出現(xiàn)較高的鈾濃度。當?shù)V巖中的碳酸鹽逐漸消耗，浸出液中鈾濃度下降，進行二次酸化。二次酸化過程中，鐵、鋁礦物隨鈾礦物一起浸出，浸出液中的鐵、鋁離子快速上升。由于一次酸化期間礦巖中的碳酸鹽礦物大部分已消耗，酸化期間不會出現(xiàn)明顯的氣堵。二次酸化采用低酸，礦層可溶解物與浸出劑的反應較緩慢，不至于生成可堵塞礦層的大量沉淀物。這樣可最大限度的維持含礦層的滲透性，減少礦層堵塞和避免鈾礦物被沉淀結垢包裹，對后續(xù)鈾的高效浸出起到至關重要的作用。酸化期結束后，控制ρ（H2SO4）為3～5g／L＋O2進行浸出，有效減少了礦層中慢耗酸物質的溶解，提高了浸出劑的有效利用率。2．3微生物浸鈾技術國內外有大量的研究表明，依靠微生物浸礦技術，不僅可從低品位鈾礦石中回收鈾資源，且其所耗成本僅是前述地浸采鈾浸出工藝的一半或更低。近幾年，微生物浸鈾工藝在新疆地浸采鈾礦山也得到了一定規(guī)模應用和發(fā)展，它一般應用于礦床鈾資源質量較差或當采區(qū)回采率已較高、礦石工業(yè)品位接近最低工業(yè)品位，即采用前述地浸采鈾浸出工藝進行開采已沒有經(jīng)濟效益的情況。主要作法：從地浸采鈾工藝尾液中分離、富集及純化后得到微生物菌種（以氧化亞鐵硫桿菌為主的混合菌種）；在地浸采鈾現(xiàn)場建立內裝有可以附著微生物載體（如生物膜彈性填料或陶粒）的生物接觸氧化槽或快速接觸氧化塔；以地浸采鈾工藝尾液為溶劑，加入一定量的工業(yè)FeSO4作為微生物的養(yǎng)料，加入H2SO4調節(jié)pH值至1．55～1．8，在生物氧化槽或塔內進行曝氣，加速菌種的培養(yǎng)和生長；微生物在氧化槽或塔中，將溶液中的Fe2＋快速氧化為Fe3＋，獲得其生長所需能源，并生產(chǎn)出浸鈾所需的生物高鐵菌液。將含高鐵的菌液補加一定H2SO4注入礦層，使之與殘余鈾礦物或難浸鈾礦物發(fā)生作用，實現(xiàn)殘余鈾礦物或難浸鈾礦物的浸出。微生物浸鈾在新疆地浸采鈾的工業(yè)化應用中，遇到的主要問題是低溫和菌液生產(chǎn)能力小。近幾年，通過多級、回流式連續(xù)培養(yǎng)技術的提出和應用，馴化出耐低溫（12．2℃）、活性強（對Fe2＋的氧化速率約為0．045g／L•h）的菌種，解決低溫條件下的菌液生產(chǎn)效率問題，滿足了現(xiàn)場微生物浸鈾工業(yè)應用對菌液量的需求［14］。在伊犁盆地某礦床翼部礦體及卷頭礦體殘礦回收試驗中，微生物浸鈾發(fā)揮了其特有的解決難浸礦石的功效，對殘余礦石中的鈦鈾礦、鈾的磷酸鹽表現(xiàn)出較好的浸出效果，成功將試驗區(qū)浸出液鈾濃度由10mg／L提升至20mg／L以上，提高了難浸鈾礦石的回收率。2．4鈾錸綜合回收工藝技術當前國內的地浸采鈾實踐中，由于鈾礦床中伴生元素的儲量較小、工業(yè)價值有限，對鈾伴生組分的浸出技術研究較少。新疆伊犁盆地某砂巖型鈾礦，伴生元素錸達到綜合利用價值。該礦床開展綜合回收錸技術研究之前，國內對地浸采鈾過程綜合回收鈾伴生元素的研究尚屬空白。2010～2016年，該礦山通過搭建產(chǎn)、學、研平臺，借助高校和研究院所研發(fā)力量，建立了兩種微量錸的測定方法：①測定浸出液中微量錸的富集硫脲光度法；②測定解吸液中微量錸的陽離子交換樹脂微柱分離硫氰酸鹽光度法。創(chuàng)建了一條從酸法浸鈾工藝的貧樹脂中回收錸的“N1923－TBP協(xié)同萃取”工藝路線［15］；設計和合成ZGT75弱堿性陰離子交換樹脂，實現(xiàn)了多雜質浸出液微量錸的高效吸附。開展了酸法地浸采鈾中的錸回收聯(lián)動實驗，摸索出一套回收伴生元素錸的工藝［16］，為實現(xiàn)地浸采鈾過程中錸的綜合回收提供了技術支撐。該礦還開展了堿法和酸法兩種浸出工藝下的鈾、錸同時浸出試驗。結果表明：酸法和堿法浸出條件下（都需加入氧化劑），鈾、錸均可被浸出，但酸法浸出條件下的鈾、錸的浸出濃度高于堿法；錸須在加入氧化劑之后方可被浸出（由四價氧化為七價ReO－4被浸出），在試驗塊段礦體中錸的平均含量0．00012％，酸法浸出錸的峰值濃度為0．06mg／L。

3應用成果

1）根據(jù)礦床不同的地質工藝特點，采用不同的浸出工藝，做到了浸出工藝與礦床的“適宜匹配”，這不僅豐富了國內地浸采鈾浸出工藝和現(xiàn)場應用經(jīng)驗，同時也是符合礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的再研究、再思考思想，提高了鈾礦資源的回收率。2）從“減量化”原則出發(fā)，研究浸出劑濃度與浸出效果的最佳匹配，創(chuàng)新應用的“O2預氧化＋低酸浸出”工藝，是通過在地浸采鈾工藝源頭減少浸出劑投入，減少無礦圍巖的溶解和浸出，分階段進行酸化，避免或減緩了因浸出劑與礦巖劇烈反應生成沉淀堵塞礦層、包裹礦物表面，最大限度地保護了礦層滲透性和鈾礦物的后續(xù)浸出，同時，也為實現(xiàn)資源的最大化利用和快速浸采提供支撐。3）微生物浸鈾現(xiàn)場多級、回流式連續(xù)培養(yǎng)技術的提出和應用，以及馴化出的低溫、高活性菌種，使微生物浸鈾從理論研究、室內研究走向地浸采鈾工業(yè)應用，其在伊犁盆地某礦床翼部礦體及卷頭礦體殘礦回收中應用成果值得借鑒和推廣。微生物浸鈾技術是地浸采鈾礦山循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展過程中實現(xiàn)資源最大化利用、提高資源回收率、降低資源開采成本的有力保障。4）對鈾錸同時浸出工藝進行了探索性研究，創(chuàng)建了一條從地浸采鈾貧樹脂和浸出液中回收錸的工藝路線，豐富了國內地浸采鈾資源綜合回收利用的研究內容。

4結語

本文所述的新疆地浸采鈾浸出工藝創(chuàng)新舉措和應用成果，在一定程度上豐富了地浸采鈾循環(huán)經(jīng)濟的技術創(chuàng)新內容，充分體現(xiàn)了地浸采鈾工藝的“低消耗、高利用、綜合回收”的循環(huán)經(jīng)濟特點。地浸采鈾礦山是鈾礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的有力踐行者，不僅僅需要遵循經(jīng)典、核心的“3R”原則，還需要結合實際，總結和提出符合循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展理念的一切可行性舉措和理論。一切有利于提高資源利用率、減少投入，獲得最佳經(jīng)濟效益的方法都值得深入研究，如“再回收（recovery）”、“替代（replace）”、再研究（restudy）等原則都應在地浸采鈾科研和實踐生產(chǎn)中思考。

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作者:陳梅芳 花明 陽奕漢 周義朋 單位:東華理工大學水資源與環(huán)境工程學院 新疆中核天山鈾業(yè)有限公司