循環(huán)經(jīng)濟(jì)下新疆地浸采鈾浸出的技術(shù)創(chuàng)新

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摘要：從循環(huán)經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，介紹了地浸采鈾工藝特點(diǎn)，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(shù)、微生物浸鈾及鈾錸綜合回收技術(shù)等四個方面闡述新疆地浸采鈾浸出工藝的循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)創(chuàng)新舉措及應(yīng)用成果，總結(jié)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(jì)特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：地浸采鈾；循環(huán)經(jīng)濟(jì)；浸出工藝優(yōu)化

循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(jì)的“3R”原則［1］?！皽p量化”是循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(fù)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(jì)理念和思想的指導(dǎo)下，結(jié)合礦產(chǎn)資源特性和當(dāng)前開發(fā)現(xiàn)狀，延伸并發(fā)展成為礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)［3］。新疆有豐富的可地浸砂巖鈾礦資源，自20世紀(jì)80年代末地浸開采條件試驗(yàn)取得成功以來，新疆地浸采鈾得到了快速發(fā)展［4－5］，國內(nèi)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(jì)，是建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型、經(jīng)濟(jì)效益型地浸采鈾標(biāo)桿企業(yè)的有效途徑。

1循環(huán)經(jīng)濟(jì)視角下的地浸采鈾工藝特點(diǎn)

1．1鈾礦資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)在循環(huán)經(jīng)濟(jì)視角下的礦業(yè)領(lǐng)域中，有學(xué)者提出［6］“減量化”的提法難以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)以“高回收（recovery）”代替“減量化”（reduce）。也有學(xué)者提出［7－8］，礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)應(yīng)在“3R”基礎(chǔ)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(jì)的“5R”原則。在鈾礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究方面，有學(xué)者提出［9］基于物質(zhì)流的鈾礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(zhì)流動，鈾礦資源循環(huán)經(jīng)濟(jì)應(yīng)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(zhì)流的過程中廢物進(jìn)行再利用，輸出端污染物排放進(jìn)行無害化處理。在地浸采鈾礦山的物質(zhì)流輸入端控制，即浸出工藝的選擇。1．2地浸采鈾工藝特點(diǎn)地浸采鈾技術(shù)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(jìn)行溶浸，將含鈾溶液抽至地表水冶廠進(jìn)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(bǔ)加少量工業(yè)試劑后作為浸出劑再次注入礦層，實(shí)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(zhuǎn)型后也可以循環(huán)利用，除了運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的機(jī)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(jìn)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(biāo)，地浸采鈾的最低工業(yè)品位指標(biāo)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(shí)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(jì)發(fā)展理念。在地浸采鈾工藝中，推動循環(huán)經(jīng)濟(jì)的再發(fā)展，其實(shí)質(zhì)應(yīng)當(dāng)是以盡可能小的原材料消耗和環(huán)境代價，實(shí)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(shí)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(zhì)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(yīng)依據(jù)礦巖組分和鈾礦石的地質(zhì)工藝特征而定。

2新疆地浸采鈾浸出工藝循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)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(shí)踐中均有規(guī)模應(yīng)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?yàn)榻鲞^程中的化學(xué)堵塞而無法在此礦應(yīng)用，運(yùn)用“CO2＋O2”浸出工藝，并嚴(yán)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(yán)格控制在邊界條件之內(nèi)，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(yīng)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(shù)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(yīng)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(xué)反應(yīng)，從而減少進(jìn)入浸出液中的雜質(zhì)離子，降低后續(xù)鈾水冶回收成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。“O2預(yù)氧化＋低酸浸出”工藝，就是在上述指導(dǎo)思想下，在微酸地浸采鈾技術(shù)［13］和前述幾種浸出工藝的基礎(chǔ)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(zhì)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(dá)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(shí)施預(yù)氧化；酸化期，利用微酸（pH值為4～5的硫酸溶液）＋O2進(jìn)行一次酸化；后暫時停加O2，提高浸出劑ρ（H2SO4）至2～3g／L進(jìn)行二次酸化；酸化期結(jié)束，控制ρ（H2SO4）為3～5g／L＋O2進(jìn)行浸出。該工藝的O2預(yù)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(jìn)行預(yù)酸化，微量硫酸與碳酸鹽反應(yīng)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(dāng)?shù)V巖中的碳酸鹽逐漸消耗，浸出液中鈾濃度下降，進(jìn)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(yīng)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(jié)垢包裹，對后續(xù)鈾的高效浸出起到至關(guān)重要的作用。酸化期結(jié)束后，控制ρ（H2SO4）為3～5g／L＋O2進(jìn)行浸出，有效減少了礦層中慢耗酸物質(zhì)的溶解，提高了浸出劑的有效利用率。2．3微生物浸鈾技術(shù)國內(nèi)外有大量的研究表明，依靠微生物浸礦技術(shù)，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(yīng)用和發(fā)展，它一般應(yīng)用于礦床鈾資源質(zhì)量較差或當(dāng)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(jìn)行開采已沒有經(jīng)濟(jì)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(nèi)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(diào)節(jié)pH值至1．55～1．8，在生物氧化槽或塔內(nèi)進(jìn)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(bǔ)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(shí)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(yīng)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(shù)的提出和應(yīng)用，馴化出耐低溫（12．2℃）、活性強(qiáng)（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(yīng)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(yàn)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(yàn)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(shù)當(dāng)前國內(nèi)的地浸采鈾實(shí)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(shù)研究較少。新疆伊犁盆地某砂巖型鈾礦，伴生元素錸達(dá)到綜合利用價值。該礦床開展綜合回收錸技術(shù)研究之前，國內(nèi)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(xué)、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(shè)計和合成ZGT75弱堿性陰離子交換樹脂，實(shí)現(xiàn)了多雜質(zhì)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(shí)驗(yàn)，摸索出一套回收伴生元素錸的工藝［16］，為實(shí)現(xiàn)地浸采鈾過程中錸的綜合回收提供了技術(shù)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(yàn)。結(jié)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(yàn)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(yīng)用成果

1）根據(jù)礦床不同的地質(zhì)工藝特點(diǎn)，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(nèi)地浸采鈾浸出工藝和現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，同時也是符合礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(yīng)用的“O2預(yù)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(jìn)行酸化，避免或減緩了因浸出劑與礦巖劇烈反應(yīng)生成沉淀堵塞礦層、包裹礦物表面，最大限度地保護(hù)了礦層滲透性和鈾礦物的后續(xù)浸出，同時，也為實(shí)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(shù)的提出和應(yīng)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(nèi)研究走向地浸采鈾工業(yè)應(yīng)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(yīng)用成果值得借鑒和推廣。微生物浸鈾技術(shù)是地浸采鈾礦山循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中實(shí)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(jìn)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(nèi)地浸采鈾資源綜合回收利用的研究內(nèi)容。

4結(jié)語

本文所述的新疆地浸采鈾浸出工藝創(chuàng)新舉措和應(yīng)用成果，在一定程度上豐富了地浸采鈾循環(huán)經(jīng)濟(jì)的技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)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(jì)特點(diǎn)。地浸采鈾礦山是鈾礦業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(jié)合實(shí)際，總結(jié)和提出符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(jì)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(yīng)在地浸采鈾科研和實(shí)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(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院 新疆中核天山鈾業(yè)有限公司