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时间:2008-10-31
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核能作为目前最清洁的一种能源,在其发展过程中,我们必须从矿石中提取铀—一种能够发生核裂变并产生核聚能的金属,而铀在矿石中含量是相当低的。铀在地球上的平均含量比较低,且很分散,这就要求我们不能像火法冶金一样,直接从矿石中提取,必须进行湿法冶金——其中包括浸出、分离、纯化、浓缩、沉淀等多个工序,制取发展核能所必须的铀制剂。因此首先必须针对矿石的特性进行浸出,将大多数无用的杂质分离出来。浸出就是用化学试剂将与众多矿物伴生的矿石中的有用组分—铀转化为可溶性化合物,并选择性地溶解出来,得到含金属铀的溶液,实现铀组分与杂质组分的分离过程。

  随着核电的发展,需要愈来愈多的铀作为核反应堆的核燃料,因此我们要从各种不同铀矿石中采取浸出的方法提取铀,来获得我们所需要铀产品,这也是制取核燃料的第一步。接着通过离子交换或萃取的方法制取铀的化合物,并通过沉淀的方法制取铀的浓缩物,然后通过纯化、氧化还原制取铀的氧化物,再通过冶金制取铀金属,最后制成我们所需要的核燃料。

  这里所提到的浸出就是将含有溶剂的水溶液,例如酸溶液或碱溶液等,直接与矿石按一定的比例进行搅拌混合接触,使之在矿石中的铀有选择性地溶解在含有酸、碱的水溶液中,而与其它不溶解的矿物进行分离,得到含有绝大部分的铀而只含有极少部分溶解的其它矿物成分的水溶液,从而实现铀与其它矿物的分离。

  浸出技术经过长期的发展,特别是我国核工业经历几十年的发展,产生许多不同的浸出的方式和方法。浸出过程根据固液接触方式和形式是多种多样的。

  影响浸出效率的高低取决于许多因素,其中最主要的就是我们所常说的浸出六大因素的研究:

  1)矿石的粒度;2)浸出液固比;3)浸出试剂的浓度;4)浸出时的温度;5)浸出时间的长短;6)氧化剂的用量。

  浸出的机理主要是当含有浸出剂(如硫酸或碱)的溶液与含有铀的矿物接触时,溶液中的溶剂不断地通过矿石中孔隙向铀矿物表面扩散,当溶液中的溶剂与所要取得的铀矿物接触时,铀矿物就不断地扩散到溶液中与溶剂进行结合生成新的化合物,同时含有溶解铀的溶剂也不断地向矿物外的溶液中扩散,此时进入溶液中的铀矿物即是我们所要取得的目标物——铀化合物。

  目前,无论是按浸出技术还是按浸出过程分类,我们所常采用的方法有搅拌浸出、堆浸、地浸(包括爆破浸出)、渗滤浸出、流态化浸出、薄层浸出。但是目前回收核燃料铀最主要采用的方法有搅拌浸出、堆浸、地浸。其它方法应用的范围比较窄,如爆破浸出只适应于硬岩铀矿石和矿石储量比较小的矿床。

  搅拌浸出顾名思义就是磨细的矿石与浸出剂在槽中进行充分地搅拌混合。铀矿石的搅拌浸出是指将矿石破磨成粉状——一般情况下矿石破磨到-100目到-200目左右——与浸出剂在搅拌槽中进行混合,在强化浸出条件下(如增加温度、提高浸出剂浓度、选择适当的浸出剂种类、延长搅拌浸出时间、提高搅拌速度等六大条件)通过搅拌所进行的浸出方式。其搅拌方式有机械搅拌(如机械搅拌槽)与空气搅拌两种(如巴丘克搅拌槽)。

  搅拌浸出原理:搅拌浸出也是固液传质的过程,通过磨细的物料增大固相的接触表面,使被包裹的铀矿物充分地暴露出来,从而增大了铀与浸出剂的接触几率,同时在搅拌条件下,强化固相表面铀浸出剂的更新几率,不断保持铀表面浸出剂在比较高的浓度下,保证固液表面的浸出剂有比较大的浓差,从而达到提高浸出率的目的。

  影响搅拌浸出效率的因素有:矿石粒度;浸出剂的浓度;浸出液固比;氧化剂;浸出温度;浸出时间等等。

  搅拌浸出适合于各种不同类型的铀矿石,根据矿石性质,可选择酸法浸出和碱法浸出。但搅拌浸出水冶厂的建设周期长,投资大,生产成本高,特别是磨矿费用在搅拌浸出中占有很大的比重,对某些矿石的固液分离也是一个比较难的问题。因此在上世纪80年代到90年代,为了简化流程,节省投资,一般不采用搅拌浸出。目前从节省国家资源的角度出发,为了充分利用有效资源,我们又在开始进行搅拌浸出的研究。一般在矿石铀含量比较高的情况下,大多采用搅拌浸出。虽然它的磨矿费用和固液分离费用所占的比重较高,但由于铀的回收率比其它几种浸出方法的浸出率高出近10%以上,所以搅拌浸出仍然是浸出铀的首选方式。

  搅拌浸出的示意图如图1所示:

 

图1  搅拌浸出示意图

 

  堆浸是堆置浸出法的简称,是指将稀的化学溶剂喷洒到预先堆置好的矿石堆上,有选择性地溶解(浸出)矿石中的目标成分——铀,使铀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。堆浸的矿石仅需粗碎即可,根据情况一般仅需破碎到-5~-8mm,如果浸出性能比较好,有时可能只要破碎到-10mm左右即可,而溶液在矿堆中总是处于非饱和流状态的流动。

  堆浸法的原理:借助于喷洒于矿堆上含有化学溶剂的水溶液流经矿堆时,缓慢流动的处于非饱和流状态的溶液,经过矿石孔隙与矿石表面接触,易溶解的铀即溶解在溶液中,这样永远保证固液相表面溶剂有比较大的浓差。

  堆浸常用的浸出剂是硫酸,适合于处理氧化条件好的次生矿,对于含有硫化物和铁含量比较高的矿石还可结合细菌浸出,以减少浸出剂的用量。另外,堆浸的时间较长,自然环境的氧化作用可以满足一定要求,一般不需加氧化剂或者只需要很少的氧化剂。

  矿堆的构筑一般为2000到4000吨矿石构成一堆,有时一堆高达5000吨,高度一般在2.5米到3米,喷淋强度一般在30~50升/m2?h,大多数每天24小时均匀喷淋,一堆喷淋在一个半月左右,即可以达到将铀完全浸出的目的,虽然渣品位一般比搅拌浸出高一些,但是浸出率可以基本上保持在70~75%左右。对于边缘品位的矿石和其它一些品位比较低的铀矿石足以达到目的。

  与搅拌浸出相比,堆浸有较多的优点:

  1)投资少,成本低;

  2)省去了能耗大的细磨和固液分离工序,简化了工艺过程;

  3)灵活性大,适合于处理偏远地区的小矿点;

  4)矿堆可在地表,也可设在井下,尾渣返回充填,减少了环境污染,

  5)堆浸只适用于不适合进行搅拌浸出的贫矿、表外矿、尾弃矿等。

  但堆浸的浸出速率低,浸出效率低,很难达到水冶厂的浸出效果,更加不适合于处理难浸矿石和非氧化矿,另外还要求有适宜的气候条件。一般情况下浸出率比搅拌浸出低10%左右,如果对于含量较高的铀矿石使用堆浸则对资源是一个较大的浪费。因此对于难处理的矿石,对于气候恶劣的地区以及对于比较富裕的矿不采用堆浸的方法,只对那些边缘矿、比较贫的矿和废弃的尾矿进行适当的处理以回收有用的资源。

  与堆浸法类似的还有槽式渗滤浸出。它是将浸出剂与矿石一起置于一个槽内,在常温下浸泡数次,以达到浸出铀的目的。槽浸可使用较高的浸出剂浓度,浸出时间相对堆浸要短一些。

 

图2 堆浸示意图

 

图3 槽式渗滤浸出示意图

 

文章来源:北京科普之窗(发布时间:2008.06.07)

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