位于吐鲁番坳陷南部的艾丁斜坡带上的十红滩矿床, 从水文地质因素上分析基本上都有利于地浸。但是十红滩矿床含矿层地下水中矿化度很高 (8~12.16g/L) , 氯离子、钙离子和镁离子质量浓度高, 其水质类型以Cl·SO4-Na型为主地下水中各成分已达到过饱和状态, 地浸过程中易产生各种沉淀, 此外, 矿化度和氯离子浓度太高, 不仅严重影响树脂的吸附能力, 增加浸出液处理工序和难度, 还会降低产品的质量。氯根有强烈的腐蚀作用, 能大大降低潜水泵、孔口和溶液输送管道上的阀门、流量计以及、化工泵等金属部件的使用寿命, 增加设备更新维修费用和产品成本[1]。因此, 含矿含水层地下水水质直接影响地浸开采的浸出效率及地浸开采井点系统的正常运行, 是决定十红滩铀矿床开采成败的关键因素。该问题不加以解决, 最终将使地浸工作难以继续进行。
1 溶浸过程中Ca CO3、Ca SO4沉淀的两个基本水文地球化学原理
1.1 碳酸钙 (Ca CO3)
重碳酸根和碳酸根离子是天然水化学成分极重要的组成部分, 均由碳酸衍生而来。在溶液中碳酸和它们之间存在着一定的数量关系[2]。根据理论计算得出的碳酸各组分间的平衡与PH之间关系。因为H2CO3→H2O+CO2, 故在酸性水中, 碳酸以及碳酸分解出的CO2占主导地位, 特别是当PH<5时, HCO3-几乎等于零;在中性和碱性水中HCO3-占主导地位。碳酸根CO32-在PH>8的水中出现, 并在强碱性水中占主导地位。水中HCO3-的积累受到水中Ca2+的限制, Ca2+与HCO3-形成的盐溶解度小。CO32-与Ca2+、Mg2+形成溶解度很低的碳酸钙、碳酸镁。碱法地浸中的碱即可以溶解大量钙质夹层中的Ca CO3, 产生大量Ca2+, 又使PH升高, 从而产生大量碳酸盐沉淀。
1.2 硫酸钙 (Ca SO4)
在酸法地浸过程中, 溶浸液中的H2SO4即可以使水中SO42-大量增加, 当SO42-与Ca2+结合时, 便会产生大量Ca SO4沉淀, 此外, H2SO4可以溶解地层中的Ca CO3, 使其增加水中的Ca2+, 又增加SO42-, 使Ca2+、SO42-处于过饱和状态, 从而更进一步增加了Ca SO4大量沉淀的可能性, 使含水层被堵塞。
2 酸法、碱法不适用于十红滩地浸采铀的原因
2.1 地下水质条件分析
地下水矿化度高 (8~12g/L) , 硫酸根、钙离子含量高, 方解石和石膏已经处于过饱和、极易产生沉淀的临界状态。根据水化学分析结果对十红滩铀矿床含矿含水层地下水中的碳酸盐、石膏、沥青铀矿的饱和指数进行计算, 结果表明地下水中方解石和石膏的饱和指数都略大于零, 分别为0.33~0.53和0.17~0.23, 说明碳酸盐在水中已处于饱和状态, 石膏处于很易产生沉淀的临界状态, 若水中Ca2+、SO42-、CO32-、PH值等稍有增高, 便会产生碳酸盐和石膏沉淀, 导致含水层与管道的严重化学堵塞[3]。
2.2 酸浸造成地下水中SO42-、Ca 2+含量增高, 导致石膏沉淀的永久性堵塞
当用硫酸作溶浸剂时, 在硫酸的作用下, 碳酸钙将大量溶解, 产生大量Ca2+, 硫酸使水中SO42-浓度增高, 从而使石膏的饱和指数增高, 造成硫酸钙沉淀的永久性堵塞。根据饱和指数计算, 当含矿地下水用硫酸酸化到PH为2.4、1.7时, SO42-浓度相应增加到5g/L、10g/L, 石膏的饱和指数由原来的0.17相应地增高为0.36、0.45, 而碳酸盐的饱和指数大幅度降低 (由+0.6 2 7下降为-10.277) 。因而当这种溶浸液进入含矿层时, 会致使矿层和夹层中的碳酸盐大量溶解, Ca2+、Mg2+增高, 促使石膏的饱和指数明显升高, 石膏大量沉淀。
2.3 碱法地浸会导致碳酸盐大量沉淀
由于碱法地浸过程将使溶液的PH值提高, 当这种溶浸液与具有较高C O32-、HCO3-、Ca2+含量的地下水相混合时, 其结果将引起碳酸盐的饱和指数明显增高, 占优势的CO32-就会与水中Ca2+结合, 产生Ca CO3沉淀, 发生碳酸盐堵塞[4]。
试验表明, 当用碳酸钠将溶浸液碱化至PH为10.6时, 碳酸钙的饱和指数由原来的0.627迅速增至3.464, 此过程将发生强烈的碳酸盐沉淀。碱化不仅使碳酸盐沉淀作用增强, 而且当P H增高到一定程度时 (PH>9) , 还会使沥青铀矿的饱和指数由原来的负数转变为正值, 即沥青铀矿由原来的溶解状态转变为沉淀状态, 导致含水层与管道的严重化学堵塞, 使铀的地浸效率大大降低。
3 结语
通过对十红滩地浸地下水质条件的分析, 可以看出, 吐哈盆地十红滩矿床水文地质条件非常复杂, 地下水矿化度高, 水中钙、镁、硫酸根等离子含量已达到或已接近饱和状态。这些因素会导致矿床采用常规酸法地浸和碱法地浸工艺时消耗大量的酸碱试剂, 特别是不可避免地出现不可逆的化学堵塞, 使抽液量大幅度下降, 影响浸出效果, 使地浸工作难以进行。含矿含水层和抽液管的严重堵塞以及由此引发的地浸效率低的问题直接影响到地浸工艺的确定进而影响到整个铀矿床的开采。
4 解决方案
针对十红滩矿床地浸存在的水文地质条件问题, 可以采取提出了淡化少试剂地浸采铀工艺。通过淡化可以降低矿化度, 消除石膏或方解石沉淀堵塞的可能, 为溶浸液中加入一定试剂创造条件;同时, 将矿层地下水淡化既可较好地避免堵塞, 又可以提高铀资源回收率, 是使十红滩铀矿床成为可地浸砂岩铀矿床的合理的工艺技术。该工艺是一种在高矿化度地下水分布区地浸采铀工作的新思路, 其成果有可能使十红滩矿区的铀矿资源获得较好开发利用, 并对我国北方其他相似条件的砂岩型铀矿的开采将具有重要指导意义。
摘要：高矿化度地下水分布区地浸采铀工作是一项世界性的难题, 目前试验主要存在浸出试剂用量受到限制的问题:本文主要从溶浸液选择的角度上, 对于传统的酸法、碱法不适用于十红滩地浸采铀的原因进行分析, 并提出解决方案。
关键词：溶浸液,高矿化度地下水,CaCO3、CaSO4沉淀,矿层地下水淡化
参考文献
[1] 姚益轩, 等.砂岩铀矿床原地浸出开采条件评价[J].2002, 11 (21) :4.
[2] 乔海明, 等.吐哈盆地十红滩铀矿床水文地球化学特征[J].铀矿地质, 2005, 11 (21) :6.
[3] 胡宝群, 等.十红滩地浸试验块段矿体地质地球化学条件的研究内部资料.
[4] 苏学斌, 等.新疆某铀矿床CO2地浸采铀试验研究[J].铀矿冶, 2005, 8 (24) :3.
[5] 铀碱法地浸论文汇编.中国核工业总公司矿冶局, 1995.
[6] 姚益轩, 等.地浸采铀工程技术经济分析[J].铀矿冶, 1999, 18 (4) :230～236.