基于TOUGHREACT模擬分析黃鐵礦對酸法地浸采鈾的影響

1、基金項目：國家自然科學基金資助項目（酸法地浸采鈾過程中鈾反應性遷移機制與模擬42062017；優(yōu)先流作用下非飽和多孔介質(zhì)中可移動膠體與放射性核素復合共遷移研究41761090，大亞灣海域表層沉積物中放射性核素60Co、137Cs、90Sr的賦存形態(tài)及其富集機制研究11465002，考慮彌散尺度效應的裂隙介質(zhì)中溶質(zhì)運移模型及模擬研究41201500）；江西省教育廳基金項目（非飽和多孔介質(zhì)中可移動膠體特征及對放射性核素遷移活化的影響研究2017ACB20021）；江西省自然科學基金（考慮彌散尺度效應的裂隙介質(zhì)中溶質(zhì)運移問題研究2012BAB206001）；江西省教育廳科技項目(酸法地浸采鈾過程中孔

2、隙度時空演化GJJ180380) ；核資源與環(huán)境重點實驗室（東華理工大學）開放基金項目(生物堆浸采鈾數(shù)值模擬及關鍵參數(shù)識別研究NRE1612)；國家自然科學基金核技術創(chuàng)新聯(lián)合基金（酸法地浸采鈾中鈾礦儲層孔隙與滲透性時空演化規(guī)律U1967209）；江西省自然科學基金項目（青年基金）（裂隙內(nèi)重非水相液體的遷移機制及曝氣修復研究20181BAB213018）Fund:Supported by the National Natural Science Fundation of China（42062017，41761090，11465002，41201500）；Jiangxi Provincial D

3、epartment of Education Foundation Project（2017ACB20021）； National Natural Science Fundation of Jiangxi Province（2012BAB206001）；Science and Technology Project of Education Department of Jiangxi Province（GJJ180380）；Open Foundation Project of Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment (East Ch

4、ina Institute of Technology)（NRE1612）；Nuclear Technology Innovation Joint Fund of National Natural Science Foundation of China（U1967209）；Natural Science Foundation of Jiangxi Province (Youth Fund)（20181BAB213018）；作者簡介：汪潤超（1995-），男，江西景德鎮(zhèn)人，碩士研究生，研究方向：地浸采鈾數(shù)值模擬。通信作者：李尋（1974-），女，博士，教授，從事地下水數(shù)值模擬研究?；赥OUGH

5、REACT模擬分析黃鐵礦對酸法地浸采鈾的影響汪潤超1,李 尋1,羅 躍1,2,王 兵1,2,劉小俊1(1.東華理工大學 水資源與環(huán)境工程學院，南昌 330013；2.東華理工大學 核資源與環(huán)境重點實驗室，南昌330013）摘 要:酸法地浸采鈾過程中，鈾礦的伴生礦黃鐵礦作為非目標礦物會消耗氧化劑和酸。為探明酸法浸鈾過程中因黃鐵礦溶解產(chǎn)生的變化規(guī)律，以巴彥烏拉鈾礦采鈾過程為例，采用六注二抽的“網(wǎng)格式”井型構建二維酸法地浸采鈾模型進行模擬研究，在抽注平衡的條件下，模型中只考慮黃鐵礦（FeS2），瀝青鈾礦（UO2），與石英（SiO2）。結果表明：1）1 000天后模擬結束，在抽注單元控制的地下水流場作

6、用下，邊界處注液井的黃鐵礦溶解范圍呈兩極分化，最遠處抵達抽液孔，為30 m，最近僅距注液井8.4 m，而中間處注液井的黃鐵礦溶解范圍最遠達27.8 m，最近達8 m；2）地浸采鈾中的關鍵因素Fe3+在氧化還原次序中排名靠后，黃鐵礦未完全溶解之時，在缺少Fe3+的情況下，鈾礦的溶解速率極低，直至黃鐵礦完全溶解時，鈾礦溶解速率才迅速增加，模擬結束后，邊界處注液井鈾礦完全溶解范圍為距注液井7.2 12.8 m，中間處注液井鈾礦完全溶解范圍為距注液井7 11 m，此時溶浸液中的六價鈾（UO22+）遷移前端距離抽液孔僅8.4 m；3）鈾礦的浸出經(jīng)過溶解（液相）-沉淀（固相）-再溶解（液相）的多次旋回，根

7、據(jù)鈾礦的溶解-沉淀量將其劃分為完全溶解區(qū)，有效溶解區(qū)和沉淀區(qū)，模擬結束后，注液孔1完全溶解區(qū)范圍為7.212.8 m，此時沉淀區(qū)已形成一個錐形區(qū)域，范圍為18.6 21.6 m，同樣在抽注作用的影響下，在靠近抽液孔方向上，錐形沉淀區(qū)的尖端鈾礦沉淀量最多；4）在抽注單元控制的地下水流場作用下，黃鐵礦與鈾礦的溶解區(qū)域，均出現(xiàn)靠近抽液孔方向的溶解范圍大于遠離抽液孔方向的溶解范圍。關鍵詞：酸法地浸采鈾；黃鐵礦；氧化還原；TOUGHREACT；數(shù)值模擬TOUGHREACT simulation was used to analyze the effect of pyrite on uranium ext

8、raction by acid leachingWANG Runchao1, LI Xun1, LUO Yue1,2，LING Huilan1, WANG Bing1,2，LIU Xiaojun1(1. School of Water Resource and Environmental Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China; 2. Key Laboratory of Nuclear Resource and Environment, East China Institute of Te

9、chnology, Nanchang 330013, China)Abstract: In the in-situ leaching of uranium, pyrite, the associated ore of uranium ore, as a non-target mineral, will consume oxidants and acids. Therefore, in order to explore the change rule of the dissolution of pyrite in the process of acid leaching of uranium,

10、this paper takes the uranium mining process of Bayanwu la uranium mine as an example, and uses the grid pattern well type of six injection and two pumping to construct the two-dimensional in-situ leaching of uranium for simulation study. Under the condition of pumping equilibrium, only pyrite (FeS2)

11、, pitchblende (UO2) and quartz (SiO2) are considered in the model. Results show that: 1) The simulation ended after 1 000 days, in the pumping unit control injection under the action of groundwater flow field, the border range of pyrite dissolution are polarized liquid injection Wells, the farthest

12、reached draining hole, to 30 m, recently from the liquid injection Wells, only 8.4 m, and dissolution of pyrite fluid injection wells at the centre of the range of 27.8 m, as far as recent up to 8 m;2) the key factors in uranium Fe3 + in REDOX order low-ranking, pyrite is not completely dissolved, i

13、n the case of lack of Fe3+, uranium dissolution rate is extremely low, until completely dissolved pyrite, uranium dissolution rate was increased rapidly, after the simulation, border completely dissolved uranium range for liquid injection Wells, from 7.2 m to 12.8 m, liquid injection Wells, fluid in

14、jection Wells at the centre of the scope of completely dissolved uranium from 7 m to 11 m, liquid injection wells, the leaching liquid of hexavalent uranium (UO22+) pump fluid migration front distance hole is only 8.4 m; 3)Uranium leaching after dissolving precipitation (liquid) - (solid) - to disso

15、lve (liquid) cycle for many times, according to the dissolved uranium - precipitation amount will be divided into completely dissolved, effectively dissolve and precipitation area, after the simulation, liquid injection hole 1 completely dissolved the range of 7.2 m to 12.8 m, the precipitation area

16、 has formed a conical area, range of 18.6 m to 21.6 m, under the influence of smoke injection effect, also near the infusion hole direction, to precipitate the tip of the tapered area biggest uranium deposit ;4) Under the action of the underground water flow field controlled by the pumping unit, the

17、 dissolution range of pyrite and uranium ore close to the direction of the pumping hole is greater than that far away from the direction of the pumping hole.Key words: Leaching uranium by acid method；Pyrite；REDOX；TOUGHREACT;The numerical simulation酸法地浸采鈾作為目前比較成熟的鈾開采工藝之一，在地浸過程中，隨著溶浸液的注入，會與礦層中各組分發(fā)生反應，

18、而其中非目標礦物會消耗溶浸液的酸與氧化劑，導致溶浸液的pH與Eh達不到預期目標，極大的影響了鈾礦的浸出率與浸出速率1，甚至會產(chǎn)生含鈾廢水2，造成環(huán)境污染。在鈾礦的成礦之初，伴生礦主要包含方解石，黃鐵礦和赤鐵礦等，而這些非目標礦物也是消耗酸和氧化劑的主要因素之一，如方解石會消耗大量氫離子3，黃鐵礦會消耗大量氧化劑4。而在實際生產(chǎn)中，為了達到最佳經(jīng)濟的投入比，往往會對礦物進行回收5，消耗的酸與氧化劑也會控制在一定的范圍。因此，對于礦層中非目標礦物的消耗還需要更精確的計算。室內(nèi)實驗的結論雖然揭示了地浸采鈾中，非目標礦物的變化及其對鈾浸出的影響，但是受限于實驗條件，對鈾浸出的大范圍內(nèi)的時空演化結果還未

19、知，無法定量的對非目標礦物的消耗進行計算，只能通過增加耗酸和氧化劑，或者延長工期達到預期的浸出效果。在地浸采鈾中，地球化學過程通常是大范圍的時空演化，但由于受限于監(jiān)測技術，非常缺乏那些無法觀察記錄到的水文地球化學過程的信息，這些信息對于認識和理解地浸采鈾是至關重要的，而通過數(shù)值模擬技術便可以詳細的監(jiān)測記錄到水文地球化學過程的演化，對于認知地浸采鈾有著極大的幫助。隨著數(shù)值模擬技術的發(fā)展，通過構建地浸采鈾模型6，還原實際生產(chǎn)過程，探明礦層中發(fā)生的變化，預測礦物溶解-沉淀反應發(fā)生的具體時間與空間，或者調(diào)整礦層自然因素（如孔隙度、滲透率、礦石平米鈾含量、含礦巖石密度及其膠結程度、鈾元素在含礦層中的存在

20、形式等）與生產(chǎn)工藝因素（鉆孔的井距與井型、氧化劑的類型與濃度、液固比、鉆孔的抽注流量等），找到最適合該礦區(qū)的生產(chǎn)方式，達到最佳的投入產(chǎn)出比，并將其運用到實際生產(chǎn)中，提高礦層中鈾元素的浸出率與浸出速率，在目前已成為一種成熟的評估方法。陳經(jīng)明7等運用數(shù)值模擬軟件，探究地浸采鈾中化學沉淀出現(xiàn)的具體時間與空間；何智8等基于GMS軟件，預測某地浸鈾礦地下水中鈾的遷移狀況；利廣杰9等通過Visual MODFLOW軟件，建立鈾礦山水文地質(zhì)模型，對研究區(qū)地下水進行數(shù)值模擬計算和預測,調(diào)整了鉆孔的抽注液量,優(yōu)化了井場設計,提高了采鈾效率。而黃鐵礦作為鈾礦的常見伴生礦，目前在地浸采鈾中對鈾浸出的影響數(shù)值模擬研究

21、較少，本文基于前人的研究，構建酸法地浸采鈾二維模型，采用“網(wǎng)格式”井型（六注二抽），探究伴生礦物黃鐵礦在地浸采鈾中的時空演化，探明伴生礦黃鐵礦對鈾浸出的影響。1研究方法1.1 反應溶質(zhì)運移模擬1.1.1 控制方程承壓含水層的水流方程：基于達西定律，在包含源匯項的情況下，二維模型中的地下水滲流方程為10： （1）式中，T為滲透系數(shù)；S為單位體積的儲水系數(shù)；w為單位體積的源匯項，kg/s；H為水頭，m；t為時間，d。多孔飽和介質(zhì)內(nèi)的地下水滲流連續(xù)性方程：二維模型中溶質(zhì)運移控制方程10: （2）式中，為液體密度；為滲流速度分別在x，y，z三個方向上的分量；為孔隙度；為單元體的邊長。1.1.2模型概化

22、根據(jù)鄭和秋野11對于巴彥烏拉鈾礦現(xiàn)場地浸條件試驗與地浸場水動力模擬以及陳萬利12對巴彥烏拉鈾礦地浸過程中含礦層化學堵塞機理的研究可知，含礦含水層頂?shù)装宸植歼B續(xù)、穩(wěn)定、隔水性良好，不計地面滲水和降雨以及地下水對含礦含水層的補給，酸法地浸采鈾中，隨著溶浸液的浸入，礦層中的各組分與之反應，從固相轉(zhuǎn)入液相，在人工抽注與天然流場的共同作用下，運移至抽液孔，通過吸附，萃取，濃縮，干燥等工藝，完成地浸過程。本文通過將實際生產(chǎn)過程概化成二維抽注模型，研究在抽注平衡的條件下，模型中黃鐵礦與鈾礦的時空演化，探明黃鐵礦在地浸采鈾中對鈾浸出的影響。1.1.3 模型條件本模型根據(jù)巴彥烏拉實地生產(chǎn)資料構建，模型數(shù)據(jù)來源于

23、鄭和秋野11等對于巴彥烏拉鈾礦現(xiàn)場地浸條件試驗與地浸場水動力模擬以及陳萬利12等對巴彥烏拉鈾礦地浸過程中含礦層化學堵塞機理的研究。模型只考慮黃鐵礦（FeS2），瀝青鈾礦（UO2），與石英（SiO2）考慮其在含礦含水層中為均質(zhì)分布，含量取平均值，分別為1%，0.1%與58%。其中模型的抽注液孔間距為30 m，含礦含水層厚度為58.3 m，采用“網(wǎng)格式”井型（六注二抽）（圖1），確定模型大小為200 m200 m58.3 m。模型按網(wǎng)格等間距剖分（2 m2 m58.3 m），設置注液孔流量為0.5 kg/s，抽液孔流量為1.5 kg/s。整個模擬過程中，流量均勻恒定，溫度恒定25 ，模擬總時長10

24、00 d，礦層孔隙度為0.2，滲透率為8.09*10-12 m2，初始條件為含礦含水層內(nèi)部的礦層水，邊界條件為注入含礦含水層中的溶浸液，其中各離子成分及濃度見表1。圖1模型概念圖Fig.1 Model concept diagram表1 模型中各離子成分及濃度Table 1 The composition and concentration of each ion in the modelIonInitial condition/(molL-1)Boundary condition/(molL-1)Fe2+0.001 777 420SO42-0.003 43 490.102O2(aq)00.0

25、1UO22+00H+1x10-70.2041.1.4 化學反應根據(jù)模型內(nèi)礦石成分及注入液的條件，列出化學方程式及其對應的平衡常數(shù)如表2。表2 化學方程式及其平衡常數(shù)Table 2 Chemical equations and their equilibrium constantsCategoryChemical equationEquilibrium constant lgKSolidphase compositionUO2+4H+=U4+2H2O-4.669FeS2+H2O+3.5O2=Fe2+2H+2SO42-217.4UO2+2H+0.5O2=UO22+H2O32.534Liquidph

26、ase compositionU4+2H2O=UO22+2e-+4H+-9.216Fe2+0.25O2+H+= Fe3+0.5H2O8.489注：數(shù)據(jù)取自ToughReact_ThermoddemV1.10_06Jun2017。1.2 TOUGHREACT簡介TOUGH（Transport of Unsaturated Groundwater and Heat）在二十世紀80年代早期由美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)，最初主要用于地熱開發(fā)模擬。如今，該系列軟件在核廢料處置、環(huán)境污染修復、地熱能源開發(fā)、油氣開發(fā)和天然氣水合物開發(fā)、二氧化碳地質(zhì)儲存、包氣帶水文學以及其他包括熱-水動力-地球化學過程等

27、方面均有十分廣泛的應用。本文所用的TOUGHREACT是由許天福等基于TOUGH系列軟件基礎上開發(fā)的可應用于裂隙或孔隙介質(zhì)中一維到三維的多組分、多相流及非等溫的水流和熱反應運移的數(shù)值模擬程序。本研究所使用的模塊功能包含地球化學場與水動力場的耦合作用，可用來構建地浸采鈾模型。2結果與討論2.1 黃鐵礦的時空演化模型中六個注液孔模型條件均相同，且呈對稱分布，因此兩個相鄰注液孔的水力影響范圍未發(fā)生交集時，六個注液孔結果均相同，在此以注液孔1為例進行討論,在圖像中以Z表示注液孔，以C表示抽液孔。1）t=1 d時，注液孔1處黃鐵礦溶解量為7.35%，以其為圓心，半徑約2 m的范圍內(nèi)，黃鐵礦均發(fā)生不同程度

28、的溶解，但溶解幅度極低。在抽注作用下，溶浸液由注液孔運移至抽液孔，因此靠近抽液孔方向的黃鐵礦溶解量大于遠離抽液孔方向的黃鐵礦溶解量；t=5 d時，注液孔1處黃鐵礦溶解量為31.06%，隨著溶浸液的運移，溶解范圍繼續(xù)擴大，距離注液孔約6 m處也發(fā)生溶解現(xiàn)象；t=10 d時，注液孔1處黃鐵礦溶解量為48.44%，伴隨著黃鐵礦不斷溶解，F(xiàn)e2+離子濃度不斷增加，化學平衡反應向左移動，抑制了黃鐵礦的溶解，黃鐵礦溶解的速率逐漸下降；t=20 d時，注液孔1處黃鐵礦溶解量為71.71%；t=32 d時，注液孔1處黃鐵礦溶解完畢（圖2），溶解范圍以注液孔為圓心，形成一個不規(guī)則的圓形。而在抽注作用形成的水力場

29、下，靠近抽液孔方向溶解范圍最大可達約11.2 m，而遠離注液孔方向的范圍只有約4.2 m。圖2 32 d內(nèi)黃鐵礦溶解量體積分數(shù)與Fe2+濃度關系圖Fig.2 The relation diagram of pyrite dissolution volume fraction and Fe2+ concentration within 32 days2）t=100 d時，以注液孔1為中心，半徑約4 m范圍內(nèi)黃鐵礦溶解完，溶解范圍擴大至14 m，在抽注作用的影響下，溶浸液前鋒（SO42-離子）已運移至抽液孔，隨著溶浸范圍的逐漸增大，與溶浸液接觸的礦石也隨之增加，因此黃鐵礦溶解范圍的增加速率逐漸減慢

30、（圖3a）；t=300 d時，黃鐵礦完全溶解范圍擴大至5 m，呈現(xiàn)同最初礦物溶解相同的變化，即靠近抽液孔方向的溶解范圍大于遠離抽液孔的溶解范圍，其中靠近注液孔方向溶解范圍約為9.4 m，遠離抽液孔的溶解范圍約為3.8 m（圖3b）；t=500 d時，注液孔1溶解范圍形成類橢圓形，而與之相鄰的注液孔2的溶解區(qū)域并未形成相同的形狀，由此可見兩個注液孔之間的水力作用范圍形成交叉區(qū)域（圖3c）。注液孔1處黃鐵礦溶解范圍在100 d-500 d內(nèi)變化較大，溶解范圍的形狀也由最開始近似于圓形演化至近似于橢圓形（圖3d）。圖3 500d內(nèi)黃鐵礦溶解量示意圖Fig.3 Schematic diagram of

31、 pyrite dissolution within 500 days3）t=600 d時,注液孔1與注液孔2形狀差異進一步擴大，注液孔1所在區(qū)域溶解范圍區(qū)間為11.3 m-20.0 m，其中黃鐵礦完全溶解的區(qū)域區(qū)間為8.4 m-12.5 m，注液孔2所在區(qū)域溶解范圍區(qū)間為8 m -18 m，其中黃鐵礦完全溶解的區(qū)域區(qū)間為6 m-14 m，溶浸液中Fe2+離子濃度已達到飽和并運移至抽液孔（圖4a）；t=800 d時,注液孔1溶解范圍已接近抽液孔，達到24 m，注液孔2溶解范圍達到20 m（圖4b）；t=1000 d時，注液孔1溶解范圍已抵達抽液孔，達到30 m，注液孔2溶解范圍達到27.8 m

32、。不同注液孔間存在水力作用的相互影響，溶解區(qū)域在模擬區(qū)域內(nèi)呈對稱結構。即黃鐵礦的溶解是由幾個抽注液孔共同作用結果，與之前僅有單個抽注液孔作用結果形成明顯差異。同時，注液孔1,3與注液孔4,6的溶解區(qū)域關于注液孔2,5的連線呈對稱結構，注液孔2,5的溶解區(qū)域關于Y=100 m所在直線對稱，因此反應結果無異?，F(xiàn)象（圖4c）。注液孔1處黃鐵礦溶解范圍在600 d-1000 d內(nèi)變化較小，溶解范圍的形狀變化也較小，只在溶解范圍前端形成了一個更加明顯的錐形區(qū)域（圖4d）。圖4 1000 d內(nèi)黃鐵礦溶解量示意圖Fig.4 Schematic diagram of pyrite dissolution at

33、 1000 days2.2鈾礦的時空演化2.2.1鈾礦溶解與沉淀的時空演化在實際地浸采鈾中，Pecinat 13等認為在硫酸溶液中溶解UO2的主要反應是三價鐵離子(Fe3+)將四價鈾（UO2）氧化為六價鈾（UO22+），隨后六價鈾（UO22+）與硫酸的后續(xù)反應形成硫酸鹽絡合物。周義朋14等研究鈾在酸性含三價鐵離子（Fe3+）溶液作用下的溶解動力學特征及其與三價鐵離子（Fe3+）濃度的關系，發(fā)現(xiàn)在三價鐵離子（Fe3+）的氧化作用下，鈾從礦石向溶液的遷移于10小時內(nèi)快速達到平衡，溶解速度衰減迅速，鈾的溶解速度與三價鐵離子（Fe3+）向二價鐵離子（Fe2+）轉(zhuǎn)化速度呈正相關，當三價鐵離子（Fe3+）

34、向二價鐵離子（Fe2+）轉(zhuǎn)化速度變?yōu)?時，鈾礦的溶解也基本停止。以上研究全都指向一點，三價鐵離子（Fe3+）在地浸采鈾中至關重要，氧化劑通常很難去直接作用在鈾礦上將其氧化，而是通過氧化二價鐵離子（Fe2+）將其轉(zhuǎn)換成三價鐵離子（Fe3+），然后三價鐵離子（Fe3+）氧化鈾礦后被還原成二價鐵離子（Fe2+），如此往復循環(huán)。因此，真正被消耗的是溶浸液中的氧化劑，而伴生礦黃鐵礦中的負一價硫離子（S-）往往會大量消耗氧化劑， 負一價硫離子（S-）在氧化還原次序中僅次于負二價硫離子（S2-），遠高于二價鐵離子（Fe2+），按照優(yōu)先規(guī)律，同一種氧化劑遇到多種還原劑時，還原劑是按照還原性先強后弱的順序參與反

35、應的，即說明氧化劑往往不會優(yōu)先與二價鐵離子（Fe2+）反應，而是與還原性更高的負一價硫離子（S-）反應，因此，當溶浸液中的負一價硫離子（S-）尚未反應完畢時，只有極少量的氧化劑與二價鐵離子（Fe2+）反應生成三價鐵離子（Fe3+）。這也是在地浸反應中，氧化劑被消耗的主要原因之一，也是鈾礦浸出速率減緩的主要原因之一?，F(xiàn)在以注液孔1為例進行討論，探究伴生礦黃鐵礦對瀝青鈾礦溶解浸出的影響；以及瀝青鈾礦在溶解遷移中的時空演化。1）t=1 d時，此時有極少量的三價鐵離子（Fe3+）與鈾礦進行反應，注液孔1處鈾礦溶解量為0.03%，緊靠其周圍范圍約1 m處的鈾礦未發(fā)生溶解現(xiàn)象； t=5 d時，注液孔1處鈾

36、礦溶解量為0.38%，而其周圍約1 m范圍內(nèi)的鈾礦卻出現(xiàn)與之前黃鐵礦溶解相反的情況，即并未出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，反而鈾礦出現(xiàn)了礦石浸出過程中溶解-沉淀-再溶解中的沉淀現(xiàn)象，說明六價鈾（UO22+）隨著溶浸液運移至注液孔1周圍區(qū)域時，在該區(qū)域發(fā)生沉淀現(xiàn)象，使得該區(qū)域鈾礦的含量不降反升，大于初始值； t=10 d時，注液孔1處鈾礦溶解量為0.70%，緊靠其周圍范圍約1 m處的鈾礦也開始溶解，低于初始值。而在注液孔周圍約2 m處的區(qū)域內(nèi)，鈾礦依然發(fā)生沉淀現(xiàn)象，通過該現(xiàn)象可以知道溶浸液中六價鈾（UO22+）運移的具體時間與空間；t=20 d時，注液孔1處鈾礦溶解量為1.13%（圖5），注液孔1周圍的溶解區(qū)域開

37、始呈現(xiàn)與之前黃鐵礦類似的現(xiàn)象，即近抽液孔方向的鈾礦溶解量大于遠離抽液孔方向的鈾礦溶解量。2）t=32 d時，注液孔1處鈾礦溶解量為1.16%，由于注液孔1所在區(qū)域內(nèi)黃鐵礦溶解完畢，此時氧化劑開始氧化溶浸液中的二價鐵離子（Fe2+）成三價鐵離子（Fe3+），鈾礦溶解速率開始大幅提升；t=35 d時，注液孔1處鈾礦溶解量為6.57%；t=50 d時, 注液孔1處鈾礦溶解量為32.35%，將32d-50d內(nèi)鈾礦的溶解速率與模型運行前期的鈾礦溶解速率比較，可以驗證得出鈾礦的溶解速率與氧化劑濃度呈正相關；t=70 d時，注液孔1處鈾礦溶解量為66.75%，其周圍約1m處的鈾礦沉淀量繼續(xù)增大，t=90 d

38、時，注液孔1處鈾礦溶解完畢，其周圍鈾礦沉淀量也相應達到峰值。圖5 100 d內(nèi)黃鐵礦溶解量與鈾礦溶解量關系圖Fig.5 Relation diagram of dissolution of pyrite and uranium ore within 100 days3）t=100 d時，注液孔1周圍出現(xiàn)了極為明顯的分層現(xiàn)象，最里層的注液孔內(nèi)鈾礦溶解完畢，緊貼著注液孔約2 m的區(qū)域內(nèi)鈾礦開始溶解，而最外層的區(qū)域鈾礦則發(fā)生沉淀現(xiàn)象，伴隨著注液孔距離的增加，沉淀量開始減少（圖6a）；t=300 d時，注液孔1周圍范圍最遠處約3.8 m處鈾礦完全溶解，而分層現(xiàn)象依然明顯，即完全溶解區(qū)域在最內(nèi)層，中間層

39、正在溶解，最外層發(fā)生沉淀現(xiàn)象（圖6b）；t=500 d時,鈾礦完全溶解的區(qū)域最遠擴大至5.4 m，在抽注作用的影響下，靠近抽液孔的方向溶解范圍更大（圖6c）。圖6 500 d內(nèi)鈾礦溶解量示意圖Fig.6 Schematic diagram of uranium ore dissolution within 500 days4）t=600 d時，注液孔1處鈾礦完全溶解的區(qū)間為4.8 m-8.4 m，溶浸液中的六價鈾（UO22+）已運移14.1 m；注液孔2處鈾礦完全溶解的區(qū)間為3.0 m-7 .0m，溶浸液中的六價鈾（UO22+）已運移13.0 m，在抽注作用的影響下，溶浸液中的六價鈾（UO22

40、+）從注液孔運移至抽液孔的過程中，在鈾礦完全溶解的區(qū)域前端形成了一個錐形沉淀區(qū)，其中在錐形區(qū)域的尖端鈾礦沉淀現(xiàn)象最為明顯（圖7a）；t=800 d時，注液孔1處鈾礦完全溶解的區(qū)間為5.6 m-11.2 m，溶浸液中的六價鈾（UO22+）已運移了19.8 m，注液孔2處鈾礦完全溶解的區(qū)間為5 m-9 m，溶浸液中的六價鈾（UO22+）已運移了15.0 m（圖7b）；t=1000 d時，注液孔1處鈾礦完全溶解的區(qū)間為7.2m-12.8 m，注液孔2處鈾礦完全溶解的區(qū)間為7 m-11 m，此時溶浸液中的六價鈾（UO22+）前端距離抽液孔僅8.4 m（圖7c）。圖7 1000 d內(nèi)鈾礦溶解量示意圖Fi

41、g.7 Schematic diagram of uranium ore dissolution within 1000 days2.2.2鈾礦溶解區(qū)與沉淀區(qū)的演化在采鈾過程中，高柏15等通過室內(nèi)柱浸實驗，指出鈾礦從固相轉(zhuǎn)移至液相往往并不是單純的的溶解至溶浸液中，而是隨著水文地球化學條件的變化，經(jīng)歷了溶解遷移，水解沉淀，再溶解遷移的多次旋回。并且根據(jù)溶液中的鈾濃度、pH、Eh等，將鈾地浸路徑劃分為充分浸出帶，有效浸出帶，鈾沉降帶和未浸出帶，并且不同特征的浸出帶隨著時間的變化而發(fā)生相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象。陳茜茜16等通過運用數(shù)值模擬軟件PHT3D, 建立酸法地浸采鈾一維模型，探究強酸低含氧條件下地浸采鈾

42、過程中鈾溶解與遷移的時空演化規(guī)律，模擬結果表明鈾礦不僅會出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，也會出現(xiàn)鈾礦微量生成的現(xiàn)象，且溶解沉淀的量與位置有關，在靠近注液孔的位置出現(xiàn)鈾礦溶解的現(xiàn)象，緊鄰注液孔還未發(fā)生溶解現(xiàn)象的位置則生成鈾礦，且生成量相對最多，隨著向抽液孔的方向推移，鈾礦生成量逐漸減少，且在靠近抽液孔位置的鈾礦含量依舊高于鈾礦的初始含量。綜上所述，不論是室內(nèi)實驗還是數(shù)值模擬，均出現(xiàn)了鈾礦在溶解遷移過程中發(fā)生了重新沉淀生成的現(xiàn)象，即說明在地浸采鈾中，鈾礦的浸出并不是從固相轉(zhuǎn)移到液相的單向變化，而是經(jīng)過溶解（液相）-沉淀（固相）-再溶解（液相）的多次旋回，這也是前文指出隨著溶浸液的運移，在鈾礦尚未溶解的區(qū)域出現(xiàn)沉淀現(xiàn)

43、象的原因，現(xiàn)在以注液孔1為例進行討論，探究鈾礦溶解-沉淀過程中，鈾礦浸出帶與沉淀帶的時空演化。1）t=1 d時，只有注液孔1處鈾礦發(fā)生極為輕微的溶解現(xiàn)象，溶解量為0.03%，而其余區(qū)域未發(fā)生溶解或沉淀現(xiàn)象； t=5 d時，注液孔1處鈾礦溶解量繼續(xù)上升，為0.38%，其周圍約1 m范圍內(nèi)的鈾礦出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象。沉淀量最高為初始濃度的0.024%，此時模型內(nèi)可根據(jù)鈾礦的含量分為溶解區(qū)與沉淀區(qū)，低于鈾礦初始含量的為溶解區(qū)，高于鈾礦初始含量的為沉淀區(qū)。 t=10 d時，注液孔1處鈾礦溶解量為0.70%，緊靠其周圍范圍約1 m處的鈾礦也開始溶解，溶解量為0.0014%。沉淀現(xiàn)象開始出現(xiàn)在注液孔周圍約2 m處

44、的區(qū)域內(nèi)；即說明當含有六價鈾（UO22+）的溶浸液運移至鈾礦尚未溶解的區(qū)域時，則會在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生沉淀現(xiàn)象。t=20 d時，緊鄰注液孔1約2 m范圍內(nèi)的鈾礦沉淀量為0.0012%，溶解區(qū)范圍則保持不變，依舊只發(fā)生在注液孔處。2）t=32 d時，由于注液孔1處的黃鐵礦溶解完畢，此時鈾礦的溶解速率大幅提升，因此含有大量六價鈾（UO22+）的溶浸液運移至注液孔1周圍的區(qū)域時，使得剛剛發(fā)生溶解現(xiàn)象的該區(qū)域反而發(fā)生沉淀現(xiàn)象，這是由于注液孔1所在位置的鈾礦在短時間內(nèi)的大量溶解，溶浸液中六價鈾（UO22+）濃度大幅提升，而氧化劑只消耗在注液孔所在位置，并未運移至別處，因此缺少氧化劑的溶浸液Eh較低，使得其運移

45、至注液孔周圍時，導致該區(qū)域內(nèi)鈾礦再次出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與高柏等研究結論一致，并且該時刻的沉淀量大于鈾礦溶解初期的沉淀量，可以得出鈾礦的沉淀量與該區(qū)域中液相內(nèi)的六價鈾（UO22+）濃度呈正相關； t=50 d時, 注液孔1處鈾礦溶解量為32.35%，溶解區(qū)范圍依舊是注液孔處，而沉淀區(qū)范圍擴大至注液孔周圍約6 m處；t=90 d時，注液孔1處鈾礦溶解完畢，其周圍1 m處鈾礦沉淀量也相應達到峰值（圖8）。此時根據(jù)鈾礦的含量可分為完全溶解區(qū)（鈾礦含量為0），沉淀區(qū)（鈾礦含量高于初始值），并且沉淀區(qū)中的鈾礦含量隨著離注液孔1距離的增加而下降，緊鄰注液孔1處的鈾礦沉淀量為14.12%，而沉淀區(qū)最末端的

46、沉淀量只有0.3%，這也與陳茜茜等研究現(xiàn)象相互印證。圖8 100 d內(nèi)注液孔1鈾礦溶解量與其周圍1 m處區(qū)域鈾礦溶解-沉淀量關系圖Fig.8 Diagram of the uranium dissolution rate of injection hole 1 within 100 days and the uranium dissolution - precipitation rate of the area around 1 m3）t=100 d時，前文中提到注液孔1周圍出現(xiàn)了極為明顯的分層現(xiàn)象，此時可以根據(jù)鈾礦在模型中的含量將其模型劃分為三個區(qū)域：完全溶解區(qū)（鈾礦含量為0）、有效溶解區(qū)（

47、鈾礦含量低于初始值）和沉淀區(qū)（鈾礦含量高于初始值），其中完全溶解區(qū)位于注液孔1所在位置，有效溶解區(qū)為環(huán)繞在注液孔1周圍2 m處位置的圓環(huán)，而沉淀區(qū)在最外層，在抽注作用的影響下，形成一個內(nèi)徑2 m外徑6 m的不規(guī)則圓環(huán)（圖9A）。t=300 d時，存在三個分層的趨勢保持不變，完全溶解區(qū)最遠擴大至注液孔1周圍約3.8 m的范圍，有效溶解區(qū)雖然在總體上有所擴大，但其形狀依然是環(huán)繞在完全溶解區(qū)外的一個圓環(huán)，且內(nèi)外徑之差與100 d時相比，差別不大，沉淀區(qū)的范圍擴大幅度較高，其擴大至內(nèi)徑5 m外徑10 m的不規(guī)則圓環(huán)。這是由于鈾礦的大幅度溶解使得富含六價鈾（UO22+）的溶浸液運移至外圍區(qū)域（圖9B）；

48、t=500 d時, 完全溶解區(qū)最遠擴大至5.4 m，在抽注作用的影響下，靠近抽液孔的方向溶解范圍更大，同時也影響到了沉淀區(qū)的分布，在靠近抽液孔方向的沉淀量更大（圖9C）。圖9 500d內(nèi)注液孔1處溶解區(qū)與沉淀區(qū)演化示意圖Fig.9 Schematic diagram of evolution of dissolution area and precipitation area in liquid injection hole 1 within 500 days4）t=600 d時，此時抽注單元控制的地下水流場作用已大幅影響了鈾礦溶解區(qū)的演化，100-500 d內(nèi)，完全溶解區(qū)近似于圓形向外擴散,

49、而從600 d開始，完全溶解區(qū)開始呈兩極分化的趨勢，靠近抽液孔方向的完全溶解區(qū)最遠可達8.4 m，而遠離抽液孔方向的完全溶解區(qū)則只有4.8 m，有效溶解區(qū)依然保持著緊緊環(huán)繞在完全溶解區(qū)四周的趨勢，沉淀區(qū)的范圍則擴大至8.4 m-14.1m（圖10A）；t=800 d時，完全溶解區(qū)的差距進一步擴大，最近處為5.6 m，最遠處為11.2 m，有效溶解區(qū)范圍為7 m-12.6m，沉淀區(qū)范圍為14.1m-19.8 m（圖10B）；t=1000 d時，完全溶解區(qū)范圍為7.2m-12.8 m，此時沉淀區(qū)已形成一個錐形區(qū)域，范圍為18.6 m同樣在抽注作用的影響下，在靠近抽液孔方向上，沉淀錐形區(qū)域的尖端鈾礦

50、沉淀量最多（圖10C）。圖10 1000d內(nèi)注液孔1處溶解區(qū)與沉淀區(qū)演化示意圖Fig.10 Schematic diagram of evolution of dissolution area and precipitation area in liquid injection hole 1 within 1000 days3 結論與展望3.1結論（1）黃鐵礦在模型中最先出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，其溶解速率隨著溶浸液中Fe2+離子濃度的增加而下降，在抽注作用的影響下，黃鐵礦溶解區(qū)域出現(xiàn)兩極分化的現(xiàn)象，即靠近抽液孔方向的溶解范圍大于遠離抽液孔的溶解范圍。模擬結束時（1 000 d），邊界處注液井溶解范圍最遠

51、處已抵達抽液孔，達到30 m，中間處注液井溶解范圍最遠達到27.8 m。（2）鈾礦的溶解主要依靠三價鐵離子(Fe3+)將四價鈾（UO2）氧化為六價鈾（UO22+），而在氧化還原反應中，黃鐵礦中的負一價硫離子（S-）優(yōu)先與氧化劑反應，因此在黃鐵礦未完全溶解的區(qū)域內(nèi)，鈾礦的溶解速率非常低。模擬結束時（1 000 d），邊界處注液井鈾礦完全溶解的區(qū)間為7.212.8 m，中間處注液井鈾礦完全溶解的區(qū)間為711 m，此時溶浸液中的六價鈾（UO22+）前端距離抽液孔僅8.4 m。（3）鈾礦浸出的過程中往往并不是從固相轉(zhuǎn)移到液相的單向變化，而是經(jīng)過溶解（液相）-沉淀（固相）-再溶解（液相）的多次旋回，當含

52、有六價鈾（UO22+）的溶浸液運移至鈾礦尚未溶解的區(qū)域時，會發(fā)生沉淀現(xiàn)象，導致鈾礦在沉淀區(qū)的含量高于初始值，可根據(jù)鈾礦在該區(qū)域內(nèi)的含量將其分為完全溶解區(qū)，有效溶解區(qū)和沉淀區(qū)。模擬結束時（1 000 d），注液孔1完全溶解區(qū)范圍為7.212.8 m，此時沉淀區(qū)已形成一個錐形區(qū)域，范圍為18.6 21.6 m。同樣在抽注作用的影響下，在靠近抽液孔方向上，沉淀錐形區(qū)域的尖端鈾礦沉淀量最多。（4）抽注作用形成的地下水流場對于整個溶浸液的運移至關重要，不論是黃鐵礦還是瀝青鈾礦，在溶解的過程中，均出現(xiàn)靠近抽液孔方向的溶解范圍大于遠離抽液孔方向的溶解范圍，并且隨著時間的推移，兩者差距會越來越大。3.2展望（

53、1）在模型構建中只考慮了黃鐵礦（FeS2）瀝青鈾礦（UO2）與石英（SiO2）這三種礦物，并未考慮到實際情況中其他伴生礦物與黃鐵礦共同作用下對鈾浸出的影響，同時模型概化過于簡單，并未考慮到地質(zhì)構造，溫度，壓力及礦石的非均質(zhì)分布等條件，在后續(xù)研究中應盡量完善建模，使之與實際情況貼近。（2）伴生礦中的還原性物質(zhì)與溶浸液中的氧化劑更容易發(fā)生反應，延緩了鈾浸出的過程，消耗了大量的氧化劑?？梢匝芯块_發(fā)與鈾礦更加親和的氧化劑，既提高了鈾礦的浸出速率，也使得開采的經(jīng)濟效益更高。（3）抽注作用形成的水動力場對于溶浸液的運移方向與范圍有著巨大的影響，而溶浸液的運移又直接關系到整個礦區(qū)的開采率，應當科學的選用井型

54、，合理的布置井距，使得溶浸液可以運移覆蓋至整個礦區(qū)，提高開采率。參考文獻1劉江.某鈾礦床酸法地浸采鈾工藝中幾個不利因素的分析J.南華大學學報(自然科學版),2006(1):77-80.LIU Jiang. Unfavourable factors affecting acidic in-Situ leaching of uranium in some uranium deposit, Journal of The University of South China (Natural Science) ,2006(1):77-80.2趙春,王彬,汪時沛,等.離子交換樹脂吸附法去除某鈾礦山廢水中的

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