【正文】 一．前 言 我國的鈾資源概況 : 我國目前已探明的并經(jīng)國家儲委批準(zhǔn)的鈾資源儲量約 ，已經(jīng)正規(guī)設(shè)計開采的約 ，尚有約 13萬噸有待開發(fā)利用。對于已經(jīng)設(shè)計開采的資源，由于受鈾提取加工水平的限制，大多生產(chǎn)企業(yè)長期處于虧損狀態(tài)，有些礦山甚至不得不提前被強制關(guān)停，進行儲量注銷，使得大量寶貴的鈾資源重新被判取“ 死刑 ” ；而對于尚未開發(fā)利用的資源來說，如果仍然采用常規(guī)的破磨 — 浸出 —液固分離工藝進行提鈾處理，按照國際市場現(xiàn)行的天然鈾交易價格，這部分鈾資源幾乎沒有開發(fā)利用的價值。 總體來講，我國可利用 的鈾礦資源相對貧乏，而縱觀我國已探明的鈾礦資源，適合于堆浸處理的硬巖鈾礦不僅種類多，而且儲量比例大。如果能夠通過對鈾礦堆浸工藝技術(shù)進行進一步深入系統(tǒng)的研究，充分發(fā)揮堆浸提鈾技術(shù)投資省、成本低的特點，將堆浸提鈾技術(shù)在我國天然鈾生產(chǎn)領(lǐng)域全面推廣應(yīng)用，無疑將有效地提高我國鈾礦資源的利用水平，拓展我國可利用的鈾資源范圍，促進我國天然鈾產(chǎn)量的提高。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向 在我國，目前大部分鈾礦山采用堆浸法生產(chǎn)，由于部分礦山堆浸的礦石品位較高和采用串聯(lián)堆浸工藝，許多情況下可得到鈾質(zhì)量濃度在 4g/l以上的浸出合格 液，這樣一種浸出液再用離子交換法回收難以達到穩(wěn)定操作，而由于溶劑萃取裝置也不現(xiàn)實，因此，用一種成本低高效率工藝方法來處理高濃度的堆浸浸出液對我國的鈾礦堆浸液具有重要的意義。在礦石濕法冶金過程中，由于礦石物組成及性質(zhì)不同，采用稀硫酸浸出時，除有價組分被浸出外，鐵礦物中的鐵也被浸出，進入浸出溶液中的鐵會造成產(chǎn)品的嚴重污染，必須將鐵從溶液中除去，從鈾浸出液中用沉淀法回收鈾最典型的方法是分步沉淀法即利用鐵礬土 過氧化氫兩步沉淀法，除鐵的目標(biāo)就是將鐵從浸出液中沉淀出來，而鈾不沉淀，從而實現(xiàn)鈾與鐵的分離，鐵礬法除 鐵時溶液仍保持較低的 pH值 ()且產(chǎn)生的鐵礬沉淀為結(jié)晶體而非無定型體或膠體，克服了普通方法沉淀鐵時鈾的載帶嚴重和沉淀物不易過濾和洗滌的弊端，鐵礬法除鐵就是使弱酸性硫酸鹽溶液中的鐵離子在較高的溫度， 壓力和有堿金屬離子或氨離子在的條件下形成礬晶體沉淀，該沉淀易于沉降，過濾洗滌，非常穩(wěn)定且在水中的溶解度很小。 加拿大的 Ritecey J．等提出用過氧化氫在性條件下直從浸出液沉淀出過氧化鈾，該方法可以使鈾與大多數(shù)金屬離子良好分離，但仍須預(yù)先除鐵，而除鐵的方法仍是常規(guī)的化學(xué)沉淀法，因而仍然存在鈾損失率高和沉 淀物過濾洗滌困難等問題。核工業(yè)北京化工冶金研究院也用類似方法對從堆浸浸出液中回收鈾進行過試驗研究。核工業(yè)鈾礦開采研究所曾毅君等人對從鈾浸出液中除鐵做了大量試驗研究工作，并取得重要突破，提出了鐵礬沉淀法除鐵再用堿沉淀鈾的新工藝 ；但沉淀鈾時無法與鋁等雜質(zhì)有效分離，影響產(chǎn)品質(zhì)量。本文論述的新工藝是在上述試驗研究的基礎(chǔ)上，對原工藝中鈾的沉淀方法加以改進后提出來的。鈾的除雜工作完成后進行鈾的提取，離子交換技術(shù)作為一種先進而獨特的新型化學(xué)分離技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于鈾的提取工藝中。離子交換法和萃取法是從水相中提取鈾的兩大主 要方法。采用離子交換法既能從鈾礦石浸出液及浸出礦漿中提取鈾，也能從鈾礦山廢水中回收鈾。到目前為止，在我國從礦石提取鈾的全部企業(yè)中 (不含堿法水冶廠 )，離子交換法與萃取法大致上各占一半 (其中尚有部分企業(yè)是采用離子交換、萃取聯(lián)合法 )，并且隨著今后所處理礦石品位的日益下降，必然會使離子交換法所占比例日益上升；而從礦山廢水回收鈾的所有企業(yè)中，則全部采用離子交換法 (這是由于該類廢水中鈾濃度低的緣故 )。離子交換法的工業(yè)應(yīng)用是通過以離子交換設(shè)備為主體組合配套而成的離子交換裝置來實現(xiàn)的。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，當(dāng)今已投產(chǎn)應(yīng)用的離子 交換設(shè)備，種類繁多，特點各異。比如：按操作制度分，有間歇式 (含周期性循環(huán)式 )和連續(xù)式 (含半連續(xù)式 )；按樹脂床層形態(tài)分，有固定床、攪拌床、流化床和密實移動床等。在我國鈾水冶廠和鈾礦山廢水處理廠中應(yīng)用的離子交換設(shè)備種類也很多，并且在有關(guān)廠礦企業(yè)、研究和設(shè)計單位的共同努力下，結(jié)合我國國情做了大量創(chuàng)造性的工作，取得了豐碩的成果，積累了豐富的經(jīng)驗。目前在我國鈾水冶廠和鈾礦山廢水處理廠中應(yīng)用的離子交換設(shè)備主要有以下 5種：水力懸浮床、密實固定床、空氣攪拌床、塔式流化床和密實移動床。[1] 堆浸提鈾工藝具有流程簡單、投資少 、建設(shè)及回收周期短等特點，并且，堆浸尾渣顆粒粗，含水率低，穩(wěn)定性好，易于堆置或回填處理，有利于進行退役治 理。在我國，近年來由于堆浸提鈾技術(shù)的應(yīng)用，天然鈾生產(chǎn)的成本已經(jīng)得到了有效的控制和降低，許多礦山企業(yè)也因此而走出了困境，許多因為品位低、儲量小而曾經(jīng)被認為是呆礦的資源也重新獲得了開發(fā)利用的價值。 我國堆浸提鈾生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀 目前，我國核工業(yè)鈾礦冶系統(tǒng)下屬的礦山企業(yè)中已經(jīng)有七個正在進行堆浸生產(chǎn)（ 794礦、 753礦、 741礦、 771礦、 743礦、 703礦、 719礦），擬采用堆浸技術(shù)進行技術(shù)改造的企業(yè)及擬采用堆 浸技術(shù)進行開發(fā)的鈾礦點還有許多（如 721礦、 745礦、 757礦、新疆巴什布拉克鈾礦、福建毛洋頭鈾礦等）。但是由于前期我國對于鈾礦堆浸技術(shù)研究的認識不足，研究水平不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需要，使得大部分堆浸企業(yè)目前仍然只能進行粗放的堆浸作業(yè)，大部分工藝都是盲目照搬，技術(shù)配套不合理，浸出工藝與回收工藝脫節(jié)，有的企業(yè)外排尾渣品位甚至不能達到國家的環(huán)保要求，不僅制約了金屬回收率，影響了企業(yè)的經(jīng)濟效益，浪費了鈾礦資源，而且加大了退役治理工作的難度 [2]。 國內(nèi)鈾礦石堆浸均是以硫酸作浸出劑，浸出的選擇性較差，在浸出鈾的同時，其它 一些非目標(biāo)元素如鐵、鋁、硅以及重金屬等也溶解到浸出液中。從硫酸浸出液中純化回收 鈾的傳統(tǒng)工藝方 液中。從硫酸浸出液中純化回收鈾的傳統(tǒng)工藝方法有直接沉淀(包括分步沉淀法 )、離子交換法、溶劑萃取法或由后兩者結(jié)合而成的淋萃流程。從鈾浸出液中用沉淀法回收鈾 最典型的方法是分步沉淀法，即用堿 (苛性鈉、氧化鈣、氨水等 )首先控制 pH 在 ，再將 pH 調(diào)到 ～ 。在這種工藝中，由于鐵沉淀時的載帶造成鈾損失量大，且生成的沉淀是無定形的氫氧化鐵，難以過濾和洗滌；而沉淀鈾時仍有其它雜質(zhì)如鋁和少量鈣等 一起沉淀出來，沉淀產(chǎn)品的質(zhì)量不高，往往需要進一步精制。在鈾礦冶中也用過其它一些沉淀方法 ,磷酸鹽沉淀法和綠泥法等，但前者三價鐵、鈾酰和鋁離子的 pH 沉淀范圍部分重合在一起，而不能有效地進行分離；而后者沉淀以后的分離工作過于復(fù)雜。采用傳統(tǒng)的沉淀法從浸出液回收鈾不可避免地存在以下問題： 1)如果直接沉淀鈾，大量的雜質(zhì)也會同時沉淀； 2)當(dāng)用選擇性沉淀分離雜質(zhì)時，鈾會載帶沉淀，降低了鈾的回收率。兩者所得的 鈾濃縮物純度都不高，不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求；因此，自從樹脂離子交換法和溶劑萃取法應(yīng)用到鈾的濕法冶金中以后，上述沉淀 法幾乎完全被取代。但離子交換法和溶劑萃取法對品位高、規(guī)模小的礦點而言，存在投資高、工藝流程長、鈾的濃縮作用不明顯等問題。 可以肯定，要改變我國天然鈾供應(yīng)緊張的被動局面，出路只有兩個：一是盡快找到大量的可地浸開采的砂巖鈾礦資源，改變這部分資源目前只占總儲量不到 5% 的現(xiàn)狀，這在短期內(nèi)顯然是難以實現(xiàn)的；二是加緊進行鈾礦堆浸工藝技術(shù)的研究，開發(fā)出適應(yīng)我國礦性多變、品位相對較低的硬巖鈾礦堆浸技術(shù)。 只有通過進行深入系統(tǒng)的鈾礦堆浸工藝技術(shù)的研究，加緊提高我國天然鈾堆浸生產(chǎn)的技術(shù)水平，才有可能有效地擴大我國鈾礦資源可開發(fā) 利用的范圍，降低我國天然鈾生產(chǎn)成本，從而提高我國天然鈾產(chǎn)量，滿足我國國防建設(shè)的需要 [3]。 國外堆浸提鈾工藝現(xiàn)狀 世界上的各產(chǎn)鈾大國包括加拿大、美國、澳大利亞以及非洲、中亞和東歐的一些國家，無一不是立足于本國的鈾資源特點，來研究和開發(fā)適合本國國情的鈾堆浸提取工藝與裝備。美國、中亞的烏茲別克斯坦、哈薩克斯坦、東歐的捷克等國家的砂巖鈾礦資源豐富，所以主要采用地浸提鈾工藝。加拿大的鈾礦不僅資源量大（可回收的鈾資源量達 ），而且品位高（平均生產(chǎn)開采品位為 %，其中麥克阿瑟河礦床的鈾品位達 %，西加湖礦的品位也高達 %），因此，他們研究重點是輻射防護和環(huán)保，通過將礦石的破磨工序轉(zhuǎn)入井下和提高操作的自動化程度等手段，將礦石的放射性對環(huán)境及人體的危害降低到最低限度。澳大利亞 西部公司所屬的奧林匹克壩鈾礦屬于多金屬共生礦，他們采用的處理工藝是在經(jīng)過浮選分離并富集后再進行浸出提鈾。目前，俄羅斯唯一的天然鈾生產(chǎn)企業(yè)是位于赤塔洲的紅石鈾礦，礦石開采的平均品位約為 %，年生產(chǎn)天然鈾能力為 2600噸，其中地浸產(chǎn)鈾約 2025噸，地表堆浸產(chǎn)鈾約 400噸，常規(guī)浸出產(chǎn)鈾約 100噸，在不易開采的礦體邊角采用原地 爆破浸出產(chǎn)鈾約 75噸。對于細菌氧化提鈾，葡萄牙、西班牙、加拿大、法國等國家都先后進行了研究并已經(jīng)部分投入生產(chǎn)，據(jù)初步統(tǒng)計，作為世界上第一產(chǎn)鈾大國的加拿大，細菌浸鈾的規(guī)模最大，已經(jīng)占其目前鈾生產(chǎn)總量的 10～ 20% 。 總的來說，盡管受資源特性和其他一些因素的影響，近年來國外對于鈾礦堆浸工藝技術(shù)的研究力度有所減弱，但是，由于起點較高，并且在其他相關(guān)行業(yè)研究的帶動下，國外在鈾礦堆浸的設(shè)備及材料研制開發(fā)、多金屬伴生鈾礦的綜合利用、堆浸的規(guī)模和自動化控制、堆浸礦山的環(huán)境保護等方面均已經(jīng)達到了較高的研究水平 [4]。 對于難處理硬巖鈾礦的堆浸研究 由于以前長期采用常規(guī)攪拌浸出工藝進行提鈾生產(chǎn)，在難處理硬巖鈾礦堆浸研究方面，我國的起步時間較晚，而在我國已探明的鈾資源中，難處理硬巖礦不僅種類多，而且儲量比例大。目前，除了已經(jīng)對相對容易處理的花崗巖鈾礦進行了較好的堆浸生產(chǎn)和一定的研究之外，浙江大茶園鈾礦的流紋巖、粵北地區(qū)下莊礦田的輝綠巖、黃斑巖等的堆浸研究工作才剛剛著手進行，而贛南地區(qū)的會昌、尋鄔、瑞金等鈾礦的安山巖、玄武巖等的堆浸研究及開發(fā)則還是一片空白，這些鈾礦的品位相對較高，礦床規(guī)模也屬中等偏上，但由于礦石中 Ca、 Al、 Fe、 Mg的含量過高，浸出酸耗大，堆浸過程中發(fā)生結(jié)垢板結(jié)，降低礦堆的滲透性，因此也長期被認定是難處理礦而得不到有效的利用。 對于含泥鈾礦的制粒堆浸研究 在含泥鈾礦制粒堆浸研究方面，核工業(yè)第六研究所從二十世紀八十年代末期就開始對有色金屬的含泥氧化礦進行酸法制粒堆浸研究，到目前為止已經(jīng)取得了一定的突破，從制粒粘合劑的合成開發(fā)到制粒工藝研究，均已經(jīng)達到了國際先進水平。在此基礎(chǔ)上對含泥鈾礦的制粒堆浸進行研究，重點是根據(jù)鈾礦浸出的特點，對粘合劑的適應(yīng)性及制粒工藝條件進行必要的改進。在我國已探明的鈾資源中，含泥量 高、過濾或滲透性能差的難處理礦占有相當(dāng)?shù)谋壤?，如廣東的希望礦床、江西的鄒家山礦床和山南礦床、東北的下馬塘礦床、廣西的雙滑江礦床和大新礦床、云南的臨滄礦床、新疆的巴什布拉克礦床等，有些因為處理成本高，企業(yè)長期虧損而不得不被迫關(guān)停注銷，有些資源則長期沒有得到開發(fā)利用 [5]。 國內(nèi)外天然鈾需求分析及預(yù)測 由于天然鈾的消費量長年持續(xù)超過生產(chǎn)量，到 1998年，世界天然鈾的產(chǎn)量只能滿足需求的 60% ，因此，目前各國的天然鈾庫存量急劇減少，超庫存量即將全部用完，使得近年來天然鈾的國際交易價格不斷回升。據(jù) E/MJ提供的 資料介紹， 到 1999年初，國際市場的天然鈾期貨價已經(jīng)上漲到 $/lb，相比 1998年上漲了 23% 。美國能源信息所的調(diào)查信息表明，近幾年來，世界天然鈾消費量的年增長速度約為 %，并且在未來的幾年中還將保持 1% 以上的增長。在生產(chǎn)量持續(xù)不足，鈾價不斷上揚的形勢下，目前世界各國都在增加對天然鈾生產(chǎn)的投入，致力于尋找新的鈾資源和擴大天然鈾的產(chǎn)量。加拿大是世界最大的鈾生產(chǎn)國，預(yù)計在相當(dāng)長的時期內(nèi)仍將保持這種地位，因為位于薩斯喀徹溫省的一個規(guī)模大、品位高、費用低的天然鈾生產(chǎn)中心已經(jīng)開工建設(shè)；澳大利亞自從工 黨下臺以后，保守聯(lián)盟政府很快取消了 “ 三礦 ” 政策，并且通過采取擴展蘭杰礦水冶廠、對奧林匹克壩鈾礦再投入 10億美元資金等手段，有望將其天然鈾年產(chǎn)量在目前約 5000噸的基礎(chǔ)上再進一步作大的提高；此外，納米比亞的羅辛廠正致力于擴大生產(chǎn)規(guī)模，美國的 Kingsville Dome工程也已經(jīng)重新開工，哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦等國則正致力于大范圍的低品位礦床的原地浸鈾工程。隨著印巴核試驗的進行和中東及巴爾干半島局勢的持續(xù)緊張，世界各國對于天然鈾生產(chǎn)的重視程度已經(jīng)上升到了一個新的高度。據(jù)統(tǒng)計，美國地浸提鈾的成本約為 15$/lb，已經(jīng)高于國際市場鈾的交易價格，但他們?nèi)栽谂U大自己的天然鈾生產(chǎn)能力；烏克蘭的情況更有代表性，盡管目前他們的天然鈾生產(chǎn)成本甚至已經(jīng)超過國際市場鈾交易價格的兩倍以上，但卻并不影響他們發(fā)展自己鈾礦冶工業(yè)的決心。因此可以認為，各國對于天然鈾生產(chǎn)的認識，已經(jīng)完全超出了經(jīng)濟概念的范疇 [6]。 在我國，除了已經(jīng)投產(chǎn)發(fā)電的秦山和大亞灣核電站以外，十 .五期間還將有約 660萬 kW的核電站陸續(xù)投入運行，并且此后還將繼續(xù)建設(shè) 67個裝機容量 100萬kW左右的新核電站，所有這些，都將極大地削弱我國的核戰(zhàn)略儲備。因此，在未來較長 的一段時間內(nèi)，我國對天然鈾的需求量將保持一個較大的增長速度，并且，按照通常情況，天然鈾的生產(chǎn)還應(yīng)當(dāng)比使用需求提前兩年左右。照此預(yù)計，到 20xx年，我國天然鈾的產(chǎn)量至少應(yīng)達到 1500t/a ，到 20xx年，則應(yīng)當(dāng)達到 2350t/a以上，這對于我國目前的生產(chǎn)能力來說，缺口非常大。面對國際鈾交易市場日漸微妙的緊張局勢，靠購買來滿足需求顯然是不現(xiàn)實的，唯一的出路是通過技術(shù)與機制的創(chuàng)新，改變我國鈾水冶的落后面貌，提高我國鈾礦資源的利用水平，拓展我國鈾礦資源的范圍，降低提鈾成本，