山南鈾礦石耗酸機(jī)理初探

劉軍強(qiáng)， 劉金輝， 張衛(wèi)民， 羅定貴

(1.浙江省地球物理地球化學(xué)勘查院，浙江 杭州 310005;2.東華理工大學(xué)，江西 撫州 344000;3.廣州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

山南鈾礦是我國最大的火山巖型鈾礦相山礦田的一個分礦。隨著開采礦石品位的下降，對貧礦采用常規(guī)水冶技術(shù)(純化學(xué)溶浸)已經(jīng)得不到良好的經(jīng)濟(jì)效益。為此，該礦進(jìn)行了堆浸試驗(yàn)，希望通過采用新的采冶工藝來提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。但由于堆浸過程中存在浸出周期長、耗酸量大、易板結(jié)等問題而使新工藝一直不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。隨后，礦山又改用槽浸法(純化學(xué)溶浸)進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該浸鈾方法可以有效避免礦石板結(jié)，試驗(yàn)周期也大大縮短，但酸及氧化劑耗量仍然較大，成本較高，經(jīng)濟(jì)效益不夠理想。因此，研究山南鈾礦石的耗酸機(jī)理對降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文依據(jù)山南鈾礦巖石礦物學(xué)特征及礦石化學(xué)全分析結(jié)果，對山南鈾礦石的耗酸機(jī)理進(jìn)行初步研究，為山南鈾礦的開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 山南鈾礦地質(zhì)條件

山南鈾礦位于相山火山盆地的北邊，構(gòu)造上受區(qū)域性華夏式構(gòu)造與相山盆地火山塌陷構(gòu)造控制(薛振華，1993;吳三亻毛等，2010)。山南鈾礦屬于中低溫?zé)嵋盒外櫟V，礦體主要產(chǎn)于花崗斑巖內(nèi)，部分產(chǎn)于紫紅色砂巖和千枚巖內(nèi)，鈾礦物主要是瀝青鈾礦，礦石構(gòu)造為團(tuán)塊狀。礦石堅硬致密，孔隙率低，滲透性差，破碎成型性較好(薛振華，1993;吳三亻毛等，2010;邵飛等，2011)。

2 山南鈾礦巖石礦物學(xué)特征

為系統(tǒng)研究山南鈾礦石礦物特性，選擇部分鈾礦石進(jìn)行了鏡下巖礦鑒定，鑒定結(jié)果表明(表1)，山南鈾礦含礦主巖以花崗斑巖為主，鈾礦物以瀝青鈾礦為主。富鈾礦石中的主要脈石礦物為方解石(5% ～30%)、磷灰石(15% ～30%)、螢石(5%±)、石英(10% ～18%)、水云母(10% ～25%)、鈉長石(5% ±)、綠泥石(5% ±)等;常見的金屬礦物有黃鐵礦(5% ±)。與貧鈾礦石(花崗斑巖，鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜350×10－6)相比，鈾礦石石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯減少(花崗斑巖為30% ±);斜長石、鉀長石和黑云母基本消失，分別蝕變?yōu)樗颇?、鈉長石和綠泥石。礦石中的方解石、磷灰石和綠泥石是主要耗酸礦物。

3 山南鈾礦石化學(xué)成分特征

為了更好地研究山南鈾礦石的酸耗機(jī)理，對山南鈾礦石化學(xué)成分進(jìn)行了分析測試，分析結(jié)果列于表2。

表1 山南鈾礦石巖礦鑒定結(jié)果Table1 The rock mine characterizes of Shannan uranium ore 10－6

表2 山南鈾礦石化學(xué)成分分析結(jié)果Table2 Chemical analysis of Shannan uranium ores %

從表2可以得到以下認(rèn)識:(1)鈾礦石中的Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.99% ～5.61%、CaO 為 1.519% ～10.81%、P2O5為0.809% ～2.98%、CO2為0.6% ～0.9%。而花崗斑巖中其相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.48% ～0.64%、1.49% ～1.96%、0.08% ～0.18%。與含礦主巖花崗斑巖相比，鈾礦石中的Fe2O3，CaO，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高出花崗斑巖許多。鈾礦石中的 SiO2，K2O，Al2O3，F(xiàn)eO，Na2O，TiO2，MnO等質(zhì)量分?jǐn)?shù)與含礦主巖花崗斑巖較為接近。以往將山南鈾礦石作為酸性鈾礦石來對待，主要原因是只考慮到碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高(小于1%)，而未將磷酸鹽列入耗酸礦物，而磷酸鹽的堿性實(shí)際上比碳酸鹽還強(qiáng)。山南鈾礦石中磷酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于碳酸鹽，它們的總和可達(dá)2% ～3.25%。因而，山南鈾礦石應(yīng)歸屬于堿性礦石。

(2)從鈾礦石和花崗斑巖中的 Fe2O3，CaO，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值圖(圖1)中同樣可看出鈾礦石中的Fe2O3，CaO，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)大大高于花崗斑巖中的Fe2O3，CaO，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這些特征在礦物成分上表現(xiàn)為鈾礦石中赤鐵礦化、方解石化、磷灰石化強(qiáng)烈發(fā)育。而磷灰石、方解石都是強(qiáng)耗酸礦物。由此可以初步認(rèn)為山南鈾礦石耗酸量過大的原因很可能與礦石中含較高磷灰石和方解石有關(guān)。

(3)從礦石中P2O5，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系圖(圖2，圖3)可以看出，礦石中鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本上與P2O5，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正相關(guān)關(guān)系。表明礦石中鈾與磷、鈣等元素具有共生的特點(diǎn)，從而決定了山南鈾礦石具有耗酸量高的規(guī)律。

4 山南鈾礦石耗酸機(jī)理分析

圖1 鈾礦石及花崗斑巖Fe2O3，CaO，P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)圖Fig.1 The graph of Fe2O3，CaO and P2O5between Shannan uranium ore and granite porphyry

圖2 山南鈾礦石U，PO質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系圖25Fig.2 The graph of content relation of U and P2O5 in the Shannan uranium mineral

圖3 山南鈾礦石U，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系圖Fig.3 The graph of content relation of U and CaO in the Shannan uranium mineral

鈾礦石浸出過程中出現(xiàn)的耗酸量大的現(xiàn)象與鈾礦石中存在的耗酸礦物有關(guān)。山南鈾礦石中的耗酸礦物除了常見的造巖礦物以外，還有≥5.38%的耗酸礦物屬堿性礦石。計算表明，山南鈾礦石總耗酸量為每噸礦石160.5 kg，其中耗酸礦物耗酸量達(dá)102 kg，約占總耗酸量的64%(表3，4)。磷灰石、方解石等脈石礦物都是耗酸礦物，磷酸鹽耗酸量為耗酸礦物之首，占耗酸礦物消耗硫酸質(zhì)量的40%左右，占總耗酸量的26%。造巖礦物耗酸量占總耗酸量的38%。因此，可以初步認(rèn)為山南鈾礦石耗酸量大的根本原因是由于礦石中磷灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)高引起的。方解石對耗酸量雖有一定影響，但由于相山礦田其它礦床的鈾礦石中都含有少量的方解石，浸出過程中未出現(xiàn)耗酸量過大的現(xiàn)象。因而方解石有可能不是山南鈾礦石浸出耗酸量大的主要原因。

自然界最常見的磷灰石為氟磷灰石，天然磷灰石的成分近于Ca5(PO4)3F，但變化較大。相山鈾礦田磷灰石在富鈾礦中以晶體磷灰石和膠體磷灰石兩種形式存在，并以膠體磷灰石為主(溫志堅等，1999;劉正義等，2007)。這種磷灰石很容易與強(qiáng)酸發(fā)生置換反應(yīng)。其反應(yīng)方程式如下:

表3 山南鈾礦石耗酸礦物耗酸反應(yīng)計算表Table3 The acid consuming reaction calculator of acid-consuming mineral of Shannan uranium mineral

表4 山南鈾礦石耗酸礦物耗酸量計算結(jié)果Table4 The acid consumption calculation of acidconsuming mineral of Shannan uranium

根據(jù)化學(xué)成分分析結(jié)果和上述方程式進(jìn)行計算可以得到，每噸含此類磷灰石的鈾礦石中如含有1%的P2O5，那么將會消耗掉硫酸23 kg左右。由表2可知，山南鈾礦石中P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值為1.83%?？梢酝扑?，每噸礦石由于磷灰石的存在將會多消耗硫酸達(dá)42 kg之多，與表4對磷酸耗酸計算結(jié)果相一致?？梢?，鈾礦石中磷灰石的存在應(yīng)該是山南鈾礦石浸出過程中耗酸量高的主要原因。

5 結(jié)語

由巖礦鑒定及化學(xué)全分析結(jié)果可得以下結(jié)論:(1)山南鈾礦石中含有較多的鐵礦物(FeS2，F(xiàn)eO，F(xiàn)e2O3)、碳酸鹽、螢石、綠泥石和磷灰石等耗酸物質(zhì)，其中主要耗酸礦物為磷灰石、FeO、Fe2O3、碳酸鹽。

(2)方解石不是山南鈾礦石浸出耗酸量大的主要原因，鈾礦石中磷灰石的存在是鈾礦石浸出耗酸量大的主要原因。有關(guān)磷酸鹽(磷灰石)耗酸特征還有待于進(jìn)一步研究。

劉正義，杜樂天，溫志堅.2007.相山鈾礦田特富礦中鈾磷關(guān)系的模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].東華理工學(xué)院學(xué)報，30(2):101-106.

邵飛，范衡，夏菲，等.2011.相山礦田斑巖型鈾礦床地球化學(xué)特征及成礦機(jī)制探討[J].東華理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，34(4):308-314.

溫志堅，杜樂天，劉正義.1999.相山鈾礦田磷灰石與富礦形成的關(guān)系[J].鈾礦地質(zhì)，15(4):217-224.

吳三亻毛，邵飛，唐湘生.2010.相山礦田山南鈾礦區(qū)富礦體空間分布規(guī)律及其找礦方向[J].鈾礦冶，29(2):105-108.

薛振華.1993.721兩鈾礦床的花崗斑巖體特征[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，16(1):7-15.

鄭志宏，張衛(wèi)民，劉亞潔，等.2002.721礦山南鈾礦石微生物槽浸的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)研究[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，25(3):190-194.