某鈾礦床主要巖石浸泡試驗(yàn)

馮張生，劉小兵，楊永興，張航飛，張 瑩

(中陜核工業(yè)集團(tuán)二一八大隊(duì)有限公司，陜西 西安 710100)

鈾礦勘查和開(kāi)發(fā)形成的鈾超標(biāo)水和廢(礦)石是輻射環(huán)境治理的主要對(duì)象，其中鈾超標(biāo)水是治理的難點(diǎn)、廢(礦)石是治理的重點(diǎn)。巖石中鈾通過(guò)水巖作用能被水浸出，如鈾尾礦中的鈾能被大氣降雨浸出[1]，以鄒家山鈾礦床為代表的火山巖型鈾礦床的鈾能被蒸餾水浸出[2]，火成巖鈾礦床中的鈾能被地下水浸出[3]，自然環(huán)境下粒徑對(duì)浸泡在地下水層中的尾礦的鈾元素釋放影響最大[4]。在自然狀態(tài)下，一定區(qū)域內(nèi)巖石中的鈾因被大氣降水浸出而進(jìn)入地表水和地下水系統(tǒng)，造成該區(qū)域水環(huán)境鈾濃度與巖石鈾元素含量正相關(guān)[5]344，如陜西地區(qū)飲用天然礦泉水放射性核素濃度與其賦存巖石中的放射性核素含量趨勢(shì)一致[6]。

鈾礦勘查和開(kāi)發(fā)形成廢(礦)石堆，在其堆存過(guò)程中，賦存于其中的鈾元素經(jīng)過(guò)水巖作用淋濾出來(lái)，進(jìn)入堆存區(qū)水環(huán)境，引起水環(huán)境放射性核素污染[7-8]。因此，查明礦床主要巖石的水浸出特征是做好鈾礦區(qū)輻射環(huán)境治理的基礎(chǔ)。

1 巖石特征

某礦床主要出露巖石是黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、黑云母花崗偉晶巖，其中黑云母花崗偉晶巖是礦床礦體的賦礦主巖，依據(jù)鈾含量高低可分為礦化黑云母花崗偉晶巖、非礦化黑云母花崗偉晶巖。

1.1 巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造

黑云母斜長(zhǎng)片麻巖：灰白-灰黑色，中細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，黑云母、石英、長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為25%、30%、45%，片麻理面可見(jiàn)薄膜狀黃鐵礦和硅化。

非礦化黑云母花崗偉晶巖：灰白色，中粗粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，黑云母、石英、長(zhǎng)石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別約為5%、45%、50%，局部長(zhǎng)石見(jiàn)高嶺土化。

礦化黑云母花崗偉晶巖：除黑云母呈團(tuán)塊狀、條帶狀集合體產(chǎn)出，以及棕紅色更長(zhǎng)石呈團(tuán)塊狀產(chǎn)出外，其余特征與非礦化偉晶巖相似。

1.2 巖石化學(xué)組成

主要出露巖石的化學(xué)成分見(jiàn)表1，w(SiO2)為70.67%～77.74%，w(K2O)+w(Na2O)為4.53%～8.30%，w(K2O)/w(Na2O)為1.30%～1.63%，具有富硅、富堿、富鉀、鋁過(guò)飽和的地球化學(xué)特征。

表1 黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、黑云母花崗偉晶巖化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of biotite plagioclase gneiss and biotite granite pegmatite %

1.3 巖石中鈾的賦存狀態(tài)

黑云母花崗偉晶巖中的鈾礦物主要為晶質(zhì)鈾礦，含鈾礦物有鋯石、獨(dú)居石、釷石、鈾石、釷鈾礦[9]29，鈾元素在各鈾礦物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2，巖石鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表3。黑云母斜長(zhǎng)片麻巖中的鈾元素主要賦存于獨(dú)居石、鋯石等含鈾副礦物中[10-11]，鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.49×10-6。

表2 黑云母花崗偉晶巖鈾元素分布Table 2 Uranium element distribution in biotite granitic pegmatite %

表3 黑云母斜長(zhǎng)片麻巖、黑云母花崗偉晶巖的鈾含量Table 3 Uranium content of biotite plagioclasegneiss and biotite granite pegmatite 10-6

2 試驗(yàn)部分

2.1 試驗(yàn)樣品

采用人工刻槽法從1號(hào)坑道原生巖石處采集試驗(yàn)樣品，每種巖石樣品的采集質(zhì)量均為5 kg，其中黑云斜長(zhǎng)片麻巖采集于圍巖，非礦化黑云母花崗偉晶巖采集于8號(hào)黑云母花崗偉晶巖脈，礦化黑云母花崗偉晶巖采集于2號(hào)黑云母花崗偉晶巖脈。

某礦床鈾礦石粒度為-5 mm時(shí)，浸出試驗(yàn)效果較好[12]。因此樣品采用人工破碎、環(huán)錐法混勻、四分法縮分至0.5 kg，試驗(yàn)樣品粒度-5 mm、其中-1 mm的約占50%。

2.2 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)水取自項(xiàng)目部生活水，與礦床地下水水質(zhì)一致，為HCO3-Ca型水，其水質(zhì)見(jiàn)表4。

表4 浸泡試驗(yàn)用水水質(zhì)Table 4 Water quality for immersion test

2.3 浸泡試驗(yàn)方法

巖石浸泡試驗(yàn)?zāi)M礦床地下水對(duì)巖石中鈾的浸泡作用過(guò)程[5]334-337，主要依據(jù)《放射性水文地球化學(xué)找礦》巖石中鈾的浸泡試驗(yàn)開(kāi)展，即用與礦床同類型的地下水常溫浸泡礦床主要巖石，定期分析浸泡液的鈾濃度，研究礦床主要巖石中的鈾被水浸出的特征。

取100 g樣品置于盛有1 000 mL水的燒杯中，用玻璃棒攪勻，燒杯表面蓋表面皿后放置于室內(nèi)自然浸出，試驗(yàn)時(shí)間40天，室內(nèi)溫度15～26 ℃。每5天將浸出液攪勻后，將上清液過(guò)濾并取100 mL用于分析浸出液鈾濃度，取樣剩余的上清液和濾渣返回?zé)?/p>

2.4 樣品分析

巖石中的鈾含量在中陜核工業(yè)集團(tuán)分析測(cè)試有限公司進(jìn)行分析，依據(jù)《環(huán)境樣品中微量鈾的分析方法》(HJ 840—2017)，使用iCAPQ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(檢測(cè)限2 μg/L)。

浸泡水中鈾濃度由項(xiàng)目部分析，依據(jù)《水中微量鈾分析方法》(GB 6768—86)中的分光光度法，使用722S分光光度計(jì)(檢測(cè)限2 μg/L)。

3 浸泡試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 浸泡時(shí)間對(duì)浸泡液鈾濃度的影響

雖然試驗(yàn)巖石種類和鈾元素賦存狀態(tài)不同，但巖石中的鈾元素都可浸出。巖石浸泡液鈾質(zhì)量濃度見(jiàn)表5。

表5 巖石浸泡液鈾質(zhì)量濃度Table 5 Uranium mass concentration in rock immersion solution μg/L

由于3種試驗(yàn)巖石的鈾礦物組成和鈾礦物浸出性能的差異[9]31，在相同試驗(yàn)條件下，隨浸泡時(shí)間增加鈾質(zhì)量濃度變化有差異。礦化黑云母花崗偉晶巖浸泡液鈾質(zhì)量濃度在5～15 d增加較快，在15～25 d增加緩慢，在25～40 d增加最快。非礦化黑云母花崗偉晶巖浸泡液鈾質(zhì)量濃度在5～15 d和20～30 d增加緩慢，在15～20 d增加較快，在30～40 d增加最快。黑云母斜長(zhǎng)片麻巖浸泡液鈾質(zhì)量濃度在5～10 d和30～35 d增加較快，在10～30 d增加緩慢，在35～40 d幾乎沒(méi)有增加。相同試驗(yàn)條件下，巖石鈾含量越高，巖石中的鈾礦物與浸泡液反應(yīng)的比表面積越大，浸出液鈾濃度越大。

根據(jù)表3、表5可知，試驗(yàn)巖石鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)與浸泡液鈾質(zhì)量濃度呈正相關(guān)關(guān)系，礦化黑云母花崗偉晶巖鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)和浸出液鈾質(zhì)量濃度最高，非礦化黑云母花崗偉晶巖鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)和浸出液鈾質(zhì)量濃度居中，黑云母斜長(zhǎng)片麻巖鈾質(zhì)量分?jǐn)?shù)和浸出液鈾質(zhì)量濃度最低。

3.2 浸泡時(shí)間對(duì)鈾浸出率的影響

利用浸泡液中的累計(jì)鈾質(zhì)量與試驗(yàn)巖石鈾質(zhì)量之比，計(jì)算各類巖石浸泡鈾浸出率，見(jiàn)表6。

表6 浸泡時(shí)間對(duì)各類巖石鈾浸出率的影響Table 6 Influence of immersion time on uranium leaching rate of various rocks %

從表6可看出，相同試驗(yàn)條件下，隨浸泡時(shí)間增加，3種試驗(yàn)巖石的鈾浸出率變化也有差異。礦化黑云母花崗偉晶巖浸泡鈾浸出率在5～15 d增加較快，在15～25 d增加緩慢，在25～40 d增加變快。非礦化黑云母花崗偉晶巖浸泡鈾浸出率在5～20 d增加較快，在20～30 d增加緩慢，在30～40 d增加變快。黑云母斜長(zhǎng)片麻巖浸泡鈾浸出率，在5～15 d增加較快，在15～30 d增加緩慢，在30～40 d增加變快。

根據(jù)表3、表6可知，巖石中鈾含量與浸出率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在相同試驗(yàn)條件下，礦化黑云母花崗偉晶巖鈾浸出率最低，黑云母斜長(zhǎng)片麻巖鈾浸出率最高，非礦化黑云母花崗偉晶巖鈾浸出率居中。

4 結(jié)論

自然條件下，礦床主要巖石中的鈾都易被水浸出，這是導(dǎo)致礦區(qū)地表水中鈾質(zhì)量濃度高的原因之一，礦區(qū)水環(huán)境中的鈾元素來(lái)源于流域內(nèi)的巖石。浸泡時(shí)間、巖石鈾含量與浸泡液鈾質(zhì)量濃度呈正相關(guān)關(guān)系，與浸出率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。礦區(qū)水環(huán)境中的鈾質(zhì)量濃度，主要取決于該區(qū)域地質(zhì)體中的鈾含量和其浸出性能。研究結(jié)果可為礦床輻射環(huán)境治理提供依據(jù)。