基于COMSOL-PHREEQC的CO_(2)+O_(2)地浸采铀反应运移数值模拟

铀资源是的世界上重要的战略资源,如何安全高效开发利用铀资源,对保障国家能源供应和国家战略安全意义重大。CO_(2)+O_(2)地浸采铀是砂岩型铀矿采冶的主要方式,研究CO_(2)+O_(2)溶浸过程中水动力场和化学场的耦合机制是预测地浸采铀过程中铀动态浸出的关键核心。以内蒙古某煤铀共存矿床为对象,通过COMSOL构建地浸过程中溶质运移的对流与弥散模型,通过PHREEQC构建砂岩型铀矿CO_(2)+O_(2)溶浸过程的热力学数据库,利用iCP平台(Interface COMSOL-PHREEQC)建立COMSOL-PHREEQC耦合框架的CO_(2)+O_(2)地浸采铀的反应运移数值模型,模拟了CO_(2)+O_(2)地浸过程中铀矿动态浸出过程。同时,基于参数敏感性分析定量比较了不同参数对铀浸出效果影响的重要性程度。研究结果表明,本模型能够模拟预测CO_(2)+O_(2)溶浸过程中铀的反应运移过程。模拟结果发现CO_(2)+O_(2)地浸采铀过程中,抽、注液孔周围水动力强,溶浸液与铀矿物发生强烈的化学反应,形成高浓度的铀区;在水动力作用弱的地方,溶浸液不能及时到达,形成低浓度铀区。浸出铀的运移过程主要受对流和弥散作用控制。浸出铀可以通过下部煤层采动裂缝进入采煤工作面和采空区内,影响煤矿安全开采活动。参数敏感性分析结果揭示抽液流量、CO_(2)和O_(2)体积分数是铀浸出率的关键控制因素,而铀的浸出率与地层渗透率、地下水流速之间并不是呈单调的递增关系。研究结果对砂岩型铀矿CO_(2)+O_(2)地浸开采具有一定的指导作用。

CO_(2)+O_(2)地浸采铀脉石矿物与浸矿剂相互作用研究

在CO_(2)+O_(2)地浸采铀应用过程中,浸矿剂不仅与载铀物质发生反应,亦与脉石矿物发生反应。为探索砂岩型铀矿主要脉石矿物与浸矿剂的相互作用,在中性条件下(pH分别为6.20、6.40、6.60、6.80和7.00)对脉石单矿物及天然铀矿石进行高压釜静态浸出试验,对比浸出溶液中各种离子浓度变化和反应后渣样的形貌变化特征。发现:1)方解石溶解可产生HCO_(3)^(-)和Ca^(2+),HCO_(3)^(-)升高能加速铀浸出,而Ca^(2+)浓度升高会增加石膏和方解石沉淀风险;2)黄铁矿与浸矿剂反应易产生H+,阻碍CO_(2)与水反应生成HCO_(3)^(-),不利于铀浸出,但当黄铁矿与方解石同时存在,黄铁矿同浸矿剂相互作用会加速方解石的溶解,故对富方解石的矿石来说,黄铁矿的存在有利于铀的浸出;3)钾长石溶解可形成黏土矿物,对溶出的铀酰离子有一定的吸附性;此外,黏土颗粒细小,在地浸工业应用过程中增加黏土物理堵塞的风险;4)高岭石在浸出过程中会释放其所吸附的其他离子,同时吸附铀酰。渣样矿物学分析结果显示,各种矿物在浸出过程中均发生差异性溶解,其中方解石溶解最明显,表面逐步被侵蚀粗糙,钾长石表面溶蚀微弱;黄铁矿表面随着浸矿剂的作用逐步覆盖一层铁氧化物或者铁的氢氧化物;高岭石的微观形貌变化不明显。

基于渗流-化学-应力多场耦合的砂岩型铀矿CO_(2)+O_(2)地浸开采的数值模拟

为探明不同影响因素对CO_(2)+O_(2)地浸采铀效果的影响规律和影响机理,首先建立了适合CO_(2)+O_(2)地浸的渗流-化学-应力多场耦合数值模型,其次,结合实际现场工况,开展了注液速率、渗透率、O_(2)配加浓度、HCO3-配加浓度和铀矿石平均品位对CO_(2)+O_(2)地浸采铀影响的数值模拟研究。研究表明:CO_(2)+O_(2)地浸过程中,抽液井铀浓度呈现“缓慢上升-快速上升-缓慢下降-趋于稳定”的阶段性变化趋势;矿层渗透率、铀矿石平均品位、O_(2)配加浓度、HCO3-配加浓度与抽液井铀浓度呈现线性正相关关系,溶浸液的注入速率与抽液井铀浓度呈现线性负相关关系;CO_(2)+O_(2)地浸过程中应该选择初始渗透率大且铀品位高的矿层,同时应该适当加大O_(2)和HCO3-的配加浓度,并控制好溶浸液注入速率,可实现铀资源的高效开采。本研究对CO_(2)+O_(2)地浸矿层的选择和地浸工艺的优化具有重要的指导意义。

CO_(2)+O_(2)地浸采铀中CaCO_(3)沉淀堵塞条件模拟

CO_(2)+O_(2)地浸工艺是我国第三代铀矿采冶技术,地浸过程中溶浸液与含矿层矿物反应后,在将铀从矿石中浸出的同时,由于地下水矿化度增高又会产生化学沉淀,导致含矿层堵塞。CaCO_(3)沉淀是CO_(2)+O_(2)地浸采铀过程中含矿层堵塞的重要原因。为探索CaCO_(3)沉淀堵塞条件,根据内蒙古纳岭沟铀矿CO_(2)+O_(2)浸铀过程中浸出液化学成分数据,通过水文地球化学模拟,对含矿层堵塞的水文地球化学条件进行了系统研究。结果表明,CaCO_(3)沉淀是造成CO_(2)+O_(2)地浸中含矿层化学堵塞的重要原因。当溶浸液pH>6.5时,CaCO_(3)将发生沉淀,溶浸液的pH、HCO_(3)^(-)浓度、Ca^(2+)浓度是影响CaCO_(3)沉淀的主要因素,过高的pH与HCO_(3)^(-)浓度、Ca^(2+)浓度都会造成CaCO_(3)沉淀的产生。根据模拟结果获得了不产生CaCO_(3)沉淀条件下pH、HCO_(3)^(-)浓度、Ca^(2+)浓度三者之间的关系,并由此认为,维持溶浸液较低的Ca^(2+)浓度与较低的pH是预防与缓解CaCO_(3)沉淀堵塞的有效途径。

CO_2+O_2两孔法地浸采铀现场试验探索

新疆某铀矿床于2002年开始勘探,并于年底提交了361～ 373勘探线之间首采段的储量.为加速开采,尽早利用已探明资源,探索地浸开采的可行性,2004～ 2005年在首采段369勘探线附近开展了地浸采铀现场试验.试验采用两孔法,试验中抽液量是注液量的5倍.试验证明,两孔法浸出液铀浓度及其它离子变化趋势反映了矿层地下浸出特性,矿床采用地浸方法开采在技术上是可行的.虽然两孔法在我国首次应用,但两孔法计算公式完整,科学性强,试验时间短,费用低,值得推广应用.

CO_2+O_2地浸采铀工艺的废水处理方法

我国北方某地浸采铀矿山采用CO2+O2的浸出工艺,通过采用水循环与再利用、反渗透和天然蒸发的综合水处理工艺,最大限度地减少了水的消耗以及废水的产生与排放,并节约了工业试剂。可用于循环和再利用的工艺水包括吸附尾液、饱和树脂冲洗水、沉淀母液和黄饼过滤液。树脂再生废水送反渗透处理,反渗透处理后的浓水连同贫树脂洗涤废水送蒸发池蒸发。

内蒙古某铀矿床CO_2+O_2地浸采铀工业性试验

介绍内蒙古某铀矿床矿体地质和水文地质条件。重点介绍了在室内CO2+O2加压浸出试验及现场条件试验基础上进行的工业性试验结果。结果表明,该铀矿床适用于CO2+O2原地浸出工艺开采。

基于HAZOP的CO_2+O_2原地浸出采铀工程供气系统危险性分析

采用HAZOP分析方法对某铀矿CO2+O2原地浸出采铀工程的CO2+O2供气系统进行分析,识别设备和操作过程中存在的潜在危险,分析其可能导致的后果。在此基础上,提出建议措施。这些措施可使系统安全得到优化,降低系统发生事故的可能性,从而保证地浸采铀系统的正常运行。

CO_2+O_2地浸采铀主要工艺参数及化学沉淀堵塞问题分析

根据地浸液pH、ρ(HCO-3)及UO2+2与CO2-3的3级配合常数和HCO-3的二级电离常数,计算了地浸液中3级碳酸铀酰配合形态的生成摩尔分数与地浸液组成关系;明确了pH、ρ(HCO-3)两者对UO2CO3沉淀量和UO2(CO3)4-3/UO2(CO3)2-2物质的量的比的影响规律,指出了地浸液在pH为7.0左右、ρ(HCO-3)约为1g/L时,UO2CO3沉淀率仅为六价铀物质的量的1%,可确保好的浸出率。当矿床的地下水本身pH及ρ(HCO-3)较高、不易导致产生化学沉淀堵塞地浸液流通时,为了强化铀浸出,地浸液的上述2个主要组分浓度可适当高些。此外,讨论了地浸过程中可能的化学沉淀、堵塞及其影响因素;指出CO2+O2地浸采铀仅适宜于碳酸盐含量较高的砂岩铀矿床,否则需增加HCO-3,以强化铀的浸出。

CO_2+O_2地浸采铀污染物的产生及SRB治理探索试验

CO2＋O2地浸与酸法地浸相比，具有显著的环保优势，但也会对地下水造成一定的影响，如在生产过程中可能产生SO4 2-、Mnn和其他重金属离子．本文阐述了CO2＋O2地浸采铀污染物的产生机理，开展了SRB治理污染物的探索性试验．主要研究了不同pH、不同氮气压力下SRB处理还原硫酸根的效果，结果表明，pH值对SRB还原硫酸根有很大影响，当pH值为6～8时，SRB还原硫酸根的效果最好；与氮气加压条件相比，没有氮气加压的情况下，SRB还原硫酸根的效果更好；SRB能在一定的溶解氧水平下存活，并且还原硫酸根的效果更好．

CO_(2)+O_(2)地浸采铀工艺对含矿层渗透性的影响

CO2+O2地浸采铀工艺是一种适合较高碳酸盐含量含矿层地层的技术方法,在该工艺生产过程中会产生不同类型的堵塞,从而降低矿层渗透性。对影响渗透性的矿物因素,碳酸盐矿物、黏土矿物、铁矿物等化学堵塞因素进行了系统分析,认为碳酸盐和黏土矿物以及CO2+O2地浸过程中的化学堵塞是影响含矿层渗透性的主要因素。

新疆某铀矿酸法和CO_(2)地浸采区地下水的污染特征及机理

为研究酸法和CO2地浸采铀对地下水的影响,对新疆伊犁盆地的酸法和CO_(2)地浸采区的地下水水质进行采样分析。结果表明,酸法地浸开采时地下水中绝大部分组分含量均明显高于地下水本底值和国家地下水Ⅲ类质量标准,总矿化度超过国家地下水Ⅲ类标准11倍左右,超标的组份主要有硫酸根、锰、镍、铁、铅、锌、镉、砷等重金属元素和钍等放射性元素。CO_(2)地浸对地下水各个组分浓度影响要小得多,pH基本不变,总矿化度高出国家地下水Ⅲ类质量标准2.6倍左右,地下水中主要的污染因子为硫酸根离子、硝酸根离子、氯离子、锰离子和镍离子,而铜、锌、镉、铅、铁、砷等其它组分浓度未发生显著变化。酸法采区中的单项污染指数依次为Fe>Mn>Ni>Pb>SO_(4)^(2-)>Zn>As>Cd,CO_(2)采区中单项污染指数依次为NO_(3)^(-)>Mn>Ni>SO_(4)^(2-)>Cl^(-)。酸法采区地下水综合污染指数比CO_(2)采区高3~384倍。污染物主要来源于人为注入的化学试剂和含矿层中矿物反应释放的组分,两种地浸方法由于加入的溶浸剂不同导致地下水的地球化学环境和污染特征存在显著差异。

某砂岩型铀矿CO_(2)+O_(2)地浸采铀试验

为探索CO_(2)+O_(2)地浸采铀工艺在西北某砂岩型铀矿床应用的技术可行性,开展了地浸采铀现场条件试验。试验表明,向矿层水中注加O_(2),浸出液残留的溶解氧含量明显增加,但浸出液c(U)未见明显升高;在矿层水中原始c(HCO_(3)^(-))为300 mg/L的条件下,向矿层水中同时注加CO_(2)+O_(2),浸出液中c(HCO_(3)^(-))仅上升至300~350 mg/L,c(U)未见明显升高;补加NH_(4)HCO_(3)使浸出剂中c(HCO_(3)^(-))达到1000 mg/L时,浸出液的c(U)随c(HCO_(3)^(-))上升呈直线上升态势,c(U)峰值达到31.5 mg/L,c(U)与c(HCO_(3)^(-))相关系数达0.95,呈强正相关性。研究表明,该砂岩型铀矿仅采用CO_(2)+O_(2)进行浸出,不能获得满足地浸工业要求的c(U);通过补加NH_(4)HCO_(3)并保持浸出液中c(HCO_(3)^(-))达到800 mg/L时,浸出液c(U)出现明显上涨(峰值31.5 mg/L,平均25 mg/L以上)。该矿床技术可行的浸出工艺为“CO_(2)+O_(2)+NH_(4)HCO_(3)”地浸。

内蒙古某铀矿CO_2+O_2地浸采铀浸出试验研究

内蒙古某铀矿床开展了地质与水文地质条件评价、室内试验、条件试验。室内试验表明:含矿层的岩性、渗透率及铀的存在形式等因素有利于铀的浸出;采用组成为ρ(CO_2)=400mg/L、ρ(O_2)=300mg/L的浸出剂,浸出液中峰值铀质量浓度可达424mg/L,浸出液中平均铀质量浓度达34.6mg/L,浸出率为64.8%。地浸现场条件试验表明:浸出液平均铀质量浓度达到43.05mg/L,单孔注液量3.47m^3/h,单孔抽液量8.98m^3/h,证实了该矿段采用CO_2+O_2地浸采铀工艺的可行性。

CO_(2)+O_(2)浸出工艺氧气加入及计量技术的研究与应用

CO_(2)+O_(2)地浸采铀方法是我国北方砂岩型铀矿床的重要开采方法,其中氧气的加入方式和计量方法一直以来都是技术人员的研究对象。本文在分析CO_(2)+O_(2)地浸采铀领域中氧气混合和计量的技术现状及存在问题的基础上,对比了国内各铀矿山氧气加入和计量方式的优势和缺点,基于氧气在溶液中的溶解机理,通过静态混合器溶氧,实现了在气、液压力连续变化的复杂条件下提高氧气转移速率和气液混合效率;采用气体质量流量控制器计量达到了氧气加入量实时调节和显示的目的,氧气计量误差控制在2%以内,降低了员工作业强度;同时气体质量流量控制器未来可通过自动化程序控制,实现远程控制氧气的加入浓度和计量,为砂岩型铀矿床开采的地浸生产企业提供精益化控制方式。

CO_(2)和O_(2)共注入下方解石溶解对黄铁矿氧化固铀的影响

我国大型可地浸砂岩型铀矿床普遍存在黄铁矿和方解石与铀矿物密切共生现象。中性地浸采铀过程中O_(2)和CO_(2)的共注入会诱导黄铁矿氧化和方解石溶解,目前针对二者共存体系中方解石溶解对黄铁矿氧化固铀的影响尚不明确。本文通过静态批实验和数值模拟的方法对比研究了CO_(2)和O_(2)条件下方解石溶解对黄铁矿氧化固铀的影响。结果表明:无CO_(2)分压下中性Tris缓冲体系中黄铁矿氧化对U(VI)的吸附率高达90%,有CO_(2)分压下碳酸铀酰体系中铀的固定率明显降低,约有32%的铀被吸附。在方解石和黄铁矿共存体系中,单独通O_(2)条件下铀的吸附率为27%,CO_(2)和O_(2)共通时黄铁矿氧化对铀的吸附率仅为2%,结合数值模拟结果表明O_(2)+黄铁矿+方解石体系和CO_(2)+O_(2)+黄铁矿+方解石体系中Ca_(2)(UO_(2))(CO_(3))_(3)质量比分别为80%和95%。X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)和傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared,FT-IR)结果表明黄铁矿表面发生微氧化形成针铁矿和纤铁矿会增加U(VI)的吸附,方解石溶解促进Ca-UO_(2)-CO_(3)络合物的形成影响了黄铁矿及其氧化产物对U(VI)的固定,提高了U(VI)的迁移能力。

新疆蒙其古尔矿床铀矿石CO_(2)+O_(2)中性浸出试验

采用新疆某砂岩铀矿石为原料,在实验室开展了分别以矿床地下水和地浸尾液配制浸出剂的CO_(2)+O_(2)中性浸出试验,研究不同铀矿石的铀浸出差异,以及对地浸具有影响的Fe、S的氧化与碳酸盐的溶解沉淀状况。结果表明,地下水和地浸尾液配制的浸出剂对相同矿石的浸出结果没有明显差异,矿石铀含量是最主要影响因素,浸出铀浓度与矿石铀含量显著正相关;静态浸出过程中,铀在体系中的扩散不充分,底部铀浓度显著高于上部,通常静态浸泡比搅拌浸出的铀浸出率低与此有一定关系;Fe的氧化较显著,浸后矿石FeO含量下降37%~62%,S也有所氧化;碳酸盐处于接近饱或超饱和状态,应将体系pH控制在6.5以内,以避免方解石和白云石发生饱和沉淀。

新疆某砂岩铀矿CO_2+O_2加压滚瓶浸出试验研究

根据CO_2+O_2地浸采铀工艺技术特点,选取新疆某铀矿山取得的砂岩岩芯铀矿石,自行设计了CO_2+O_2加压滚瓶浸出试验装置,并进行了室内CO_2+O_2加压滚瓶浸出试验。结果表明,当CO_2+O_2总压为2.0 MPa,液固比10:1时,金属铀浸出率达到70%,采用多级浸出和后期加氧化剂强化浸出,铀浸出率达90%以上。说明该矿床铀矿石适合CO_2+O_2浸出工艺,试验结果可为CO_2+O_2现场浸出试验和工程设计提供依据和指导。

某砂岩铀矿石CO_2+O_2柱浸试验

在实验室开展了某砂岩铀矿石CO_2+O_2浸出工艺的柱浸试验。当液固体积质量比达到5.20(mL/g)时,铀浸出率可达到67.05%;HCO_3^-浓度是影响铀浸出浓度的关键因素,保持HCO_3^-浓度不低于800mg/L时浸铀效果较理想;浸出中后期铀浓度随矿石中铀的消耗而降低;溶浸液与矿石中碳酸钙、黄铁矿相互作用导致浸出液中Ca^(2+)、SO_4^(2-)浓度升高,pH在6.6以上时方解石和白云石都处于过饱和状态,为避免发生沉淀,应将pH控制在6.6以下;试验中石膏虽未达到饱和,但地浸实践中应关注Ca^(2+)、SO_4^(2-)浓度持续升高趋势,避免发生石膏沉淀堵塞。

CO_(2)+O_(2)浸铀体系铀的Eh-pH优势场分布特征

铀的存在形式是决定铀的水迁移能力的重要条件。基于不同CO_(2)和O_(2)压力条件下的浸铀试验和地球化学模式软件PHREEQC计算,研究各浸铀体系中铀的Eh-pH优势场图特征及其影响因素。在CO_(2)+O_(2)浸铀体系中,碳酸铀酰络合物是铀在水中的主要存在形式,水的pH影响碳酸铀酰络合物优势域临界pH,HCO_(3)^(-)浓度则是铀的氧化还原临界电位变化的主控条件,而CO_(2)是这些影响产生的根本因素。