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        多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀在地浸采鈾中的應(yīng)用

        2020-02-17 05:44:50廖文勝王立民
        鈾礦冶 2020年1期
        關(guān)鍵詞:監(jiān)測(cè)儀浸出液溶解氧

        廖文勝,王立民

        (核工業(yè)北京化工冶金研究院,北京 101149)

        原地浸出采鈾是目前世界范圍內(nèi)開(kāi)采天然鈾的最重要的方法。該方法將浸出劑從注液井中注入礦層,經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)將鈾溶解,并在水力作用下運(yùn)移至抽液井,通過(guò)提升將鈾從地下提取出來(lái)[1]。由于地下化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜性,對(duì)于反應(yīng)流體的物理化學(xué)性質(zhì)的監(jiān)測(cè)與控制,就成為原地浸出采鈾的一個(gè)重要任務(wù)。

        在以往的工作中,浸出流體的監(jiān)測(cè)主要是對(duì)抽至地表的浸出液進(jìn)行測(cè)試與分析。最常見(jiàn)的是對(duì)酸法工藝的浸出液進(jìn)行pH、氧化還原電位及化學(xué)元素的測(cè)定;而對(duì)堿法工藝的浸出液進(jìn)行pH、溶解氧及化學(xué)元素的測(cè)定,有時(shí)也增加電導(dǎo)率與氧化還原電位的監(jiān)測(cè)。正常的測(cè)定頻次是每天1次[2]1。這些測(cè)試工作在科研與生產(chǎn)中也取得了較好的效果。但是,對(duì)于原地浸出過(guò)程來(lái)說(shuō),測(cè)定頻次要求高,因傳統(tǒng)分析手段的分析時(shí)間較長(zhǎng)會(huì)引起某些性質(zhì)在分析時(shí)發(fā)生變化,難以反映地下的實(shí)際情況。如溫度變化導(dǎo)致pH、ORP、電導(dǎo)率等與地下不一致;空氣中的二氧化碳使浸出液發(fā)生變化;空氣中含氧與浸出液中溶解氧有差異。其中,浸出液中溶解氧與空氣不平衡時(shí),測(cè)定的溶解氧變化最為顯著。

        因此,原地條件下采用在線實(shí)時(shí)測(cè)試是地浸采鈾的一種最為可靠、有效的手段。在對(duì)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀調(diào)研基礎(chǔ)上,采用EUREKA公司的Manta2型儀器在新疆某礦床的水文與地浸試驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用監(jiān)測(cè),希望為該類(lèi)儀器在地浸采鈾中的應(yīng)用提供參考。

        1 多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀在地浸采鈾中應(yīng)用要求

        針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)的特點(diǎn),研究各種在線測(cè)量和方便野外應(yīng)用的分析儀器成為環(huán)境監(jiān)測(cè)中的熱點(diǎn),多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀就是其中的一種。

        多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀一般采用比色法、電化學(xué)法、電學(xué)方法、分光光度法等進(jìn)行測(cè)定,具有容易操作、方便儲(chǔ)運(yùn)、結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn),適合于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)多種物化參數(shù)及水中離子濃度。便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀易于攜帶,可以實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè),提供長(zhǎng)期連續(xù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),以判斷所測(cè)地的水質(zhì)現(xiàn)狀、變化趨勢(shì)[3]。目前,多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀已廣泛應(yīng)用于地表水、地下水、水源水、飲用水、污水排放口、海洋等不同水體的水質(zhì)在線及便攜監(jiān)測(cè)。

        多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀具有以下優(yōu)點(diǎn):1)直接測(cè)量而無(wú)需取樣,適合連續(xù)監(jiān)測(cè);2)易于使用,操作簡(jiǎn)便;3)精確度高,無(wú)人為誤差;4)檢測(cè)數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)反饋、降低數(shù)據(jù)檢測(cè)延遲;5)體積小,方便攜帶;6)數(shù)據(jù)詳實(shí),傳輸方便、避免數(shù)據(jù)丟失;7)自動(dòng)準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù),便于數(shù)據(jù)整理與分析。

        多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀種類(lèi)繁多,所測(cè)參數(shù)可多達(dá)六七十種。但在地浸采鈾過(guò)程中,由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位對(duì)儀表尺寸的要求以及地下水、浸出液等的特殊性,在實(shí)際應(yīng)用中,可選擇的產(chǎn)品并不多。目前,市場(chǎng)上主要有EUREKA公司的Manta多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀,日本堀場(chǎng)公司的U系列多參數(shù)水質(zhì)分析儀,Hach公司的Hydrolab、經(jīng)濟(jì)型Quanta及HL型、YSI EXO等系列多參數(shù)水質(zhì)分析儀,上述多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀的性能與特點(diǎn)見(jiàn)表1。

        考慮到地浸采鈾井下的特殊性,多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀應(yīng)滿足以下要求:1)儀表尺寸:直徑應(yīng)小于100 mm,最好50~75 mm,保證可以方便下入井中且不影響潛水泵抽水;2)供電:可長(zhǎng)時(shí)間供電,至少可使用1個(gè)月以上。因此,優(yōu)先考慮電纜供電;3)耐壓:傳感器及測(cè)量系統(tǒng)至少應(yīng)可耐100 m水深的壓力;4)維護(hù):各種傳感器盡量少維護(hù),采用免維護(hù)電極,如熒光法溶氧電極、凝膠pH電極等。

        表1 常見(jiàn)便攜式水質(zhì)儀特性

        注:*對(duì)MS5和DS5/DS5X;**對(duì)HL4和HL7。

        采用Eureka公司Manta2型多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀,選用溫度、pH、壓力、溶解氧、電導(dǎo)率、ORP傳感器,在新疆某砂巖型鈾礦床的抽水試驗(yàn)及浸出試驗(yàn)中進(jìn)行了應(yīng)用監(jiān)測(cè)。在試驗(yàn)過(guò)程中,將Manta2多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀置于潛水泵電機(jī)下部約0.5 m,確保測(cè)定被抽的流動(dòng)液體。通過(guò)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并研究井內(nèi)水體性質(zhì)的變化規(guī)律。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 溫度與水位監(jiān)測(cè)

        溫度是化學(xué)反應(yīng)最重要的參數(shù)之一。按照范特哈甫近似規(guī)則[4],溫度每升高 10 ℃,反應(yīng)速度約增加2~4倍,因此,準(zhǔn)確測(cè)定地下水溫度對(duì)于室內(nèi)浸出試驗(yàn)的模擬、現(xiàn)場(chǎng)浸出試驗(yàn)是非常重要的。此外,溫度傳感器也為溶解氧、電導(dǎo)率、pH、氨氮離子探頭等提供關(guān)鍵溫度補(bǔ)償。

        試驗(yàn)?zāi)车V床位于新疆戈壁之中,地下水溫度較高。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告[5],4個(gè)水文井的地下水水溫均為20 ℃。

        在抽水試驗(yàn)中對(duì)抽、注井的地下水都進(jìn)行了溫度監(jiān)測(cè)。圖1為A組抽水試驗(yàn)時(shí)溫度的變化。

        從圖1可看出,試驗(yàn)前,井內(nèi)水溫恒定在22.7 ℃。為初步確定井的抽水能力,在正式試驗(yàn)前進(jìn)行了2次試抽(①和③);正式抽水時(shí)(⑤),抽液量為6 m3/h,溫度上升很快,0.5 h即上升至26.3 ℃,1 h即上升至26.6 ℃并基本恒定。溫度變化與水位降深的變化趨勢(shì)一致。

        井內(nèi)水溫的變化與地層溫度及水溫梯度等因素相關(guān)。測(cè)試過(guò)程中,多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀(以下簡(jiǎn)稱水質(zhì)儀)放置深度為205 m,靜水面下118 m。由于抽水試驗(yàn)井驗(yàn)收后已放置70 d,在未抽水的靜止過(guò)程中,水質(zhì)儀所測(cè)水溫應(yīng)是所在地層的溫度。當(dāng)抽水開(kāi)始時(shí),地下水從地層不斷涌出,所測(cè)水溫快速上升,在經(jīng)過(guò)2個(gè)井筒水體積的替換、與套管及套管外水泥熱交換后(6 m3左右),基本上已達(dá)礦層水溫。通過(guò)抽、注井(注井采用帶測(cè)溫功能的水質(zhì)儀)水溫變化,可確定礦層地下水的本底值及井內(nèi)溫度梯度變化。

        2.2 pH監(jiān)測(cè)

        pH也是地浸采鈾中浸出液最重要的物理化學(xué)參數(shù)。在試驗(yàn)中采用水質(zhì)儀進(jìn)行浸出液的pH監(jiān)測(cè),并與實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式pH計(jì)的分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖2所示。

        從圖2可看出,由于試驗(yàn)中水質(zhì)儀的取值間隔為5 min,其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可靈敏反應(yīng)試驗(yàn)中的pH變化。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的數(shù)據(jù)相對(duì)波動(dòng)大,規(guī)律性稍弱;而水質(zhì)儀由于連續(xù)測(cè)定,規(guī)律性強(qiáng)。中間有少量波動(dòng)性較大的數(shù)據(jù),是由于浸出過(guò)程中條件發(fā)生變化,在短時(shí)間內(nèi)pH有較大的變化;而實(shí)驗(yàn)室每天取樣分析,則無(wú)法監(jiān)測(cè)到其短時(shí)間的變化。這種短間隔在線檢測(cè)對(duì)分析的浸出的影響因素、監(jiān)測(cè)浸出工藝有良好的指導(dǎo)作用。

        水質(zhì)儀對(duì)pH的敏感反應(yīng)也可從抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出。B組抽水試驗(yàn)中地下水的pH變化如圖3所示。由于抽水前進(jìn)行了加酸洗井,加酸后井內(nèi)加入自來(lái)水,因此,抽水試驗(yàn)前pH約為8.0;但抽水開(kāi)始后,酸液流出使pH隨動(dòng)水位迅速下降,經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)后,本底地下水逐漸流出,pH又升高,直至穩(wěn)定在6.7左右;此后的抽水、水位恢復(fù)操作,pH又因井筒內(nèi)部溶質(zhì)的擴(kuò)散而略有變化,最后的pH約為7.0。

        2.3 氧化還原電位監(jiān)測(cè)

        地浸采鈾是成礦的逆過(guò)程,需要通過(guò)氧化過(guò)程將鈾礦物中四價(jià)鈾氧化成易溶解的六價(jià)鈾[6]。氧化還原電位(ORP)是礦層浸出試劑及浸出液氧化環(huán)境最直接的反應(yīng)。酸法浸出時(shí),浸出溶液ORP在350~440 mV,ρ(Fe3+)∶ρ(Fe2+)=1∶4時(shí),四價(jià)鈾開(kāi)始被氧化[7];而堿法浸出時(shí),隨著氧化的進(jìn)行,浸出溶液OPR也在上升[2]112。浸出試驗(yàn)中溶解氧和ORP的變化如圖4所示。

        從圖4可看出,隨浸出的進(jìn)行,ORP有不規(guī)則的變化,反映出地下浸出的復(fù)雜性。溶解氧的變化與ORP的變化有很好的相關(guān)性。對(duì)抽水過(guò)程中的ORP變化也進(jìn)行了監(jiān)測(cè),A組抽水試驗(yàn)中ORP變化如圖5所示。

        從圖5可看出:前2次試抽(①③)后ORP快速下降,但之后又恢復(fù);而正式抽水(⑤)后,ORP快速降至50 mV以下,并逐漸穩(wěn)定,表明這時(shí)接近本底值;但水位恢復(fù)后再次上升,并在3 d后緩緩下降至本底值。整個(gè)過(guò)程反應(yīng)抽水時(shí)ORP變化的復(fù)雜性。

        2.4 溶解氧監(jiān)測(cè)

        溶解氧含量是CO2+O2浸出中體現(xiàn)氧化作用的最關(guān)鍵的參數(shù)[8]。在地浸水文試驗(yàn)中,可以通過(guò)溶解氧含量與ORP值反映地層與地下水的氧化還原環(huán)境。A組抽水試驗(yàn)中溶解氧的變化如圖6所示。

        從圖6可看出:在下放后溶解氧質(zhì)量濃度從1.5 mg/L左右一直下降至抽水時(shí)的0.2 mg/L左右,試抽水及其水位恢復(fù)過(guò)程中由于洗井引入的自來(lái)水而有所波動(dòng);但正式抽水后(階段⑤),溶解氧質(zhì)量濃度降至0.1 mg/L以下,顯示出很強(qiáng)的還原環(huán)境。B組抽水試驗(yàn)也得到類(lèi)似的結(jié)果。

        2.5 電導(dǎo)率和總?cè)芙夤腆w監(jiān)測(cè)

        地下水或浸出液的導(dǎo)電性質(zhì)受溶液中的電解質(zhì)的影響。電解質(zhì)濃度越高,傳導(dǎo)電流性能越強(qiáng)。水中所有溶解性物質(zhì)的總和即總?cè)芙夤腆w(TDS)可以通過(guò)電導(dǎo)率來(lái)計(jì)算[9]。

        對(duì)于地浸采鈾來(lái)說(shuō),地下水的TDS總是在變化。從鉆開(kāi)地層開(kāi)始,泥漿中的礦化度與地下水就不一致;之后在洗井過(guò)程中,可能加入自來(lái)水(其他水);在浸出過(guò)程中,由于試劑(酸或氣體)的加入,將使整個(gè)礦層中的水發(fā)生變化,使礦化度顯著提高[10]。地浸浸出開(kāi)始前A組、B組抽水試驗(yàn)時(shí)總?cè)芙夤腆w的變化情況圖7、圖8所示。

        從圖7可看出:在A組單元開(kāi)始抽水之前,井內(nèi)水的TDS穩(wěn)定在0.79 g/L,表明這是洗井時(shí)加的自來(lái)水;當(dāng)試抽水①開(kāi)始時(shí),地下水TDS迅速上升至6.00 g/L,而停止抽水水位恢復(fù)②時(shí)TDS基本穩(wěn)定;當(dāng)試抽水③開(kāi)始后,地下水TDS再次上升至7.20 g/L,之后的水位恢復(fù)④基本穩(wěn)定在7.15 g/L左右;當(dāng)正式抽水⑤開(kāi)始后,TDS仍有所上升,但變化較小,最終穩(wěn)定在7.90 g/L左右,表明已達(dá)地下水本底值。

        B組單元洗井情況與A組不同,呈現(xiàn)不同的TDS變化。從圖8可看出,起始時(shí)井內(nèi)水TDS為0.76 g/L,表明仍是自來(lái)水;隨抽水①時(shí)井內(nèi)抽出水的TDS快速升至11.8 g/L,這是之前加酸造成的TDS升高;之后TDS又隨地下水涌出稀釋而快速下降,在經(jīng)過(guò)一個(gè)低點(diǎn)后又緩緩回升,停止抽水②后基本穩(wěn)定在6.30 g/L左右;經(jīng)過(guò)抽水③⑤,地下水TDS仍有所上升,最后的TDS為7.20 g/L,表明已基本達(dá)到本底值。

        以上研究表明,電導(dǎo)率測(cè)定值及由此計(jì)算的TDS變化可以精確、快速反應(yīng)地下水礦化度的變化,可為工藝條件的優(yōu)化、相關(guān)問(wèn)題的判斷提供極好的依據(jù)。

        2.6 存在的問(wèn)題

        盡管在試驗(yàn)過(guò)程中取得了較好的結(jié)果,但多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了以下問(wèn)題:1)電極的穩(wěn)定性和靈敏性。特別是pH和ORP,由于采用參比電極,如果參比液漏失,將導(dǎo)致監(jiān)測(cè)值的明顯失真;2)數(shù)據(jù)通訊的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),有時(shí)電腦無(wú)法與數(shù)據(jù)通訊,需要多次啟動(dòng),難以實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè);有時(shí)數(shù)據(jù)或保存文件丟失,如圖3中抽水③之后即丟失數(shù)據(jù),失去了水位恢復(fù)的初期數(shù)據(jù)。

        3 結(jié)論

        1)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀可以快速、精確測(cè)定礦層地下水/浸出液的水質(zhì)參數(shù),實(shí)時(shí)記錄短時(shí)間范圍內(nèi)水質(zhì)參數(shù)的變化。

        2)結(jié)合抽水過(guò)程中地下水溫度、pH、ORP、溶解氧和電導(dǎo)率的變化,多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀可以直觀、明了判斷地下水是否達(dá)到本底值。

        3)在地浸浸出過(guò)程中,多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀可以監(jiān)測(cè)原位的浸出液水質(zhì),給出地層條件下的溶氧、pH等地浸工藝中的重要參數(shù)。

        4)多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀仍需改進(jìn)pH/ORP電極、提高軟件的穩(wěn)定可靠性,以適應(yīng)地浸采鈾長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求。

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