某堿性鈾礦石微生物柱浸試驗

代春艷，孫占學，王學剛，陳功新，陳劍朝

（東華理工大學，江西 撫州344000）

據(jù)統(tǒng)計，我國2011年開采鈾礦石共計229．7 Mt，僅占全世界總量的0．68%，60%的鈾礦石U3 O8所占比例為0．1%～0．3%，鈾品位較低，浸出率不高，達不到良好的經(jīng)濟效益［1－4］。如何有效提高鈾浸出率，成為近幾年來鈾礦業(yè)研究重點。微生物浸鈾具有成本低、投資少、流程短、環(huán)境友好等優(yōu)點，能從低品位鈾礦石中有效回收鈾資源，許多室內試驗以及野外生產(chǎn)均取得了一定成果［5－9］。

我國鈾礦床可劃分為火山巖型、花崗巖型、碳硅泥巖型和砂巖型四類，已探明的礦床中火山巖型占重要地位［10］，其中部分礦石含有較多堿性礦物，它們主要是磷酸鹽和碳酸鹽，適于用碳酸鈉等試劑進行堿法浸出，但因其動力過程較為緩慢，浸出率較低，所以改用酸法浸出。然而隨著礦石品位的降低，單純的化學浸出不能滿足日益增長的鈾資源需求，并且堿性礦石耗酸量大、浸出周期長、浸出過程易產(chǎn)生板結，因而選擇在室內進行微生物柱浸試驗，初步探究其試驗周期、耗酸情況和浸出效果，以達到為堿性鈾礦的開采提供科學依據(jù)、為實現(xiàn)工業(yè)堆浸生產(chǎn)提供工藝參數(shù)的目的。因此，對堿性鈾礦進行微生物浸出研究具有重要意義。

1 試驗礦樣與菌種

1．1 試驗礦樣

試驗礦樣為某火山巖型鈾礦床的堿性鈾礦石，礦樣篩分粒徑分為6級，分別為＞5mm、2．5～5 mm、1．25～2．5mm、0．63～1．25mm、0．3～0．63 mm、0．15～0．3mm、0．08～0．15mm，裝柱礦石總 質量為42．4kg，原礦品位為0．188%。

表1 堿性鈾礦石化學分析結果Table 1 Chemical analysisresult of alkaline uranium ore

從表1可以看出，一方面，礦石中所含F(xiàn)e2O3和FeO可為細菌的生長繁殖提供能量，對微生物浸礦有利。另一方面，該堿性礦中Fe2O3、CaO、P2O5質量分數(shù)較高，表現(xiàn)為鈾礦石中赤鐵礦化、方解石化、磷灰石化現(xiàn)象，而磷灰石、方解石都是強耗酸礦物，會加大浸出過程中硫酸的消耗量。礦石中高含量的CaO使得高酸浸出時易產(chǎn)生石膏板結包裹住礦石，削弱細菌作用，減緩難溶四價鈾化合物向易溶六價鈾化合物的轉化過程［11］。

1．2 試驗菌種

細菌采用從該礦山酸性礦坑水中富集、馴化的氧化亞鐵硫桿菌（A．ferrooxidans）與氧化硫硫桿菌（A．thiooxidans）合并培養(yǎng)的混合菌，培養(yǎng)基為尾液（經(jīng)過吸附柱吸附過的浸出液），pH控制在適合細菌生長的1．80左右，菌液總鐵控制在3～5g／L左右，置于水浴鍋中30℃培養(yǎng)，每24h可氧化2～5g／L硫酸亞鐵。

2 試驗裝置與方案

2．1 試驗裝置

試驗所需柱浸裝置主要有浸出系統(tǒng)、生物接觸氧化槽系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、分析測試系統(tǒng)。浸出系統(tǒng)為兩根內徑150mm、高2 000mm的有機玻璃柱。生物接觸氧化槽系統(tǒng)采用5L小型氧化槽充氣培養(yǎng)。噴淋系統(tǒng)由一臺恒流蠕動泵連接一個噴淋高位槽組成，采用體積法進行進出液流量計量。分析測試系統(tǒng)采用990型pH計測量每天分析溶浸液和浸出液的pH、Eh，采用 EDTA 法測量Fe3＋、Fe2＋，亞鈦還原釩酸銨滴定法測U6＋，統(tǒng)計調節(jié)溶浸液加入的硫酸量。

2．2 試驗方案

試驗將浸出所用柱編號為Z1和Z2，其中Z1為對照柱，試驗階段包括酸化階段、菌浸階段和尾液浸出階段。酸化階段采用40g／L硫酸進行初始酸化，往后根據(jù)浸出液情況逐步降低加酸量，酸化介質均為尾液，酸化階段噴淋量為10%，噴淋時間為24h；菌浸階段以及尾液噴淋階段噴淋量均為5%，噴淋時間均為12h。

3 試驗結果與分析

試驗共進行170d，其中酸化37d，菌浸23d，尾液浸出110d，翻柱3d。試驗過程

Z1和Z2浸出液pH、Eh情況、試驗耗酸率、液計鈾浸出率等的具體情況如下所示。

3．1 浸出液pH、Eh值情況

Z1和Z2浸出液pH、Eh值變化情況見圖1。

圖1 浸出液pH、Eh變化圖Fig．1 Variation of pH and Ehof leaching liquid

由圖1可以看出，酸化階段過后，浸出液pH值基本維持在2左右，根據(jù)反應方程FeS2＋7Fe2（SO4）3＋8H2O ＝15FeSO4＋8H2SO4［12］可知，細菌在代謝過程中會產(chǎn)生硫酸，在一定程度上節(jié)約試驗總酸耗。浸出液Eh值從菌浸階段開始在550～650mV波動，當菌液Eh值大于500mV時說明體系內二價鐵氧化速率達到要求，通過圖形可以判定菌在柱子中的活性很好，滿足微生物浸鈾要求。從試驗第158d開始，Eh值逐漸降低至400mV，原因是在這期間停噴數(shù)日導致菌活性降低，浸出作用減弱。

3．2 耗酸率與液計鈾浸出率

Z1和Z2耗酸率與液計鈾浸出率見圖2。

圖2 耗酸率、液計鈾浸出率變化圖Fig．2 Acid consumption and liquid meter leaching rate of uranium ore

由圖2可以看出，因為Z1和Z2進液條件基本相同，所以耗酸率情況幾乎一致。耗酸率主要集中在酸化階段（6．8%），菌浸階段和尾液浸出階段總耗酸（Z1為2．3%，Z2為2．34%），進一步說明采用微生物浸出可以降低酸耗。截至試驗結束，液計鈾浸出率Z1為73．86%，Z2為76．75%，Z2比Z1高出2．89%，結合圖1可知，從噴菌開始到尾液浸出結束，Z2浸出液氧化還原電位普遍高于Z1，說明菌在Z2中的生長情況優(yōu)于Z1，因而Z2浸出率較高。

3．3 浸出液鈾濃度

Z1和Z2浸出液所含鈾濃度變化見圖3。

由圖3可知，0～27d的酸化階段和27～60d的菌浸階段都會出現(xiàn)波峰，60～170d的尾液浸出階段出鈾濃度逐漸降低。當出鈾濃度降到20mg，停止噴淋，試驗結束。Z1出鈾最大值（604．03mg／L）出現(xiàn)在酸化階段，Z2出鈾最大值（658．91mg／L）出現(xiàn)在菌浸階段，其中個別異常點可能是由分析誤差造成。整個試驗過程共進行了三次翻柱，分別在第26、78、150d，結合圖2、3，翻柱過后，出鈾量顯著增加，會出現(xiàn)新的波峰，液計鈾浸出率曲線增幅變大，第一次翻柱最為明顯，第二、三次翻柱也能提高浸出率，但作用逐漸減弱。

圖3 浸出液鈾濃度變化圖Fig．3 Uranium concentration of leaching liquid

3．4 浸出過程翻柱情況

圖4清晰地表明試驗過程三次翻柱情況：第一次礦石板結嚴重，呈20～30cm高的柱狀，不易擊碎；第二次板結情況有所緩解，結塊厚度為5～10 cm；第三次翻柱礦石干燥稀松，板結現(xiàn)象消失。隨著礦石的翻攪、拌勻，不斷增大溶浸液與噴淋不完全礦石的接觸概率，使得浸出更加充分。由此可知，翻柱可以保持浸出柱內鈾礦石的均勻性、良好的滲透性，為細菌的生長和鈾的浸出創(chuàng)造有利的條件，最終提高鈾的浸出率，縮短浸出周期。

圖4 三次翻柱情況對比圖Fig．4 Comparison of three column turnings

4 結論

1）堿性鈾礦石中磷酸鹽、碳酸鹽含量高，耗酸大，試 驗 過 程 總 耗 酸 4 122．1kg，耗 酸 率 達 到9．14%。生產(chǎn)中可以采用除碳酸鈣預處理等手段減少硫酸使用量，降低生產(chǎn)成本。

2）細菌在柱中代謝活躍，生產(chǎn)狀況良好，通過連續(xù)噴淋菌液能有效節(jié)約酸耗，提高液計鈾浸出率，試驗證明微生物浸出在堿性礦石中的應用是可行的。

3）浸出過程翻柱不僅能消除板結現(xiàn)象，而且在一定程度上能提高液計鈾浸出率，考慮翻柱的經(jīng)濟成本，每個階段翻柱1次為宜。

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