CN101672180A - 一种新的铀矿开采方法——植物采铀 - Google Patents
一种新的铀矿开采方法——植物采铀 Download PDFInfo
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Abstract
植物采铀是一种利用大生物量的铀富集植物将堆放在地表的铀尾砂、尾矿渣、铀废石、低品位铀矿及铀矿化土壤中的铀富集到植物的地上部分,待富集进行到一定程度后,对其进行集中收割、烘干后,经高温焚烧形成含铀生物矿石的方法。其具体步骤为(1)筛选高生物量的铀富集植物;(2)对种子进行消毒处理;(3)盆栽处理,移植幼苗到含铀基质中;(4)待铀在植物体内富集进行到一定程度后进行集中收割、烘干;(5)将收割的植物体进行高温焚烧,焚烧后留下的灰分即是含铀的生物矿石。本发明具有取材方便、成本低廉、处理步骤简便、环境友好、能源节约、无破坏性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种绿色环保的铀矿开采方法,是一种利用大生物量的铀富集植物将堆放在地表的铀尾砂、尾矿渣、铀废石、低品位铀矿及铀矿化土壤中的铀富集到植物的地上部分,待富集进行到一定程度后,对其进行集中收割、烘干后,经高温焚烧形成含铀生物矿石的方法。
背景技术
核燃料是核工业的基础,而核燃料的供应不足,往往会成为制约核工业规模化的瓶颈。铀及其化合物是核燃料中不可或缺的重要原料,而铀矿资源的不足,正在成为制约我国核电发展的潜在因素。根据近年我国向国际原子能机构提供的铀矿储量推算,我国已探明铀矿储量排在世界前10名之后,难以适应核电发展的长远需要。目前我国每年的铀产量不大,只能满足国内的需求。即使我国已探明的铀矿都能得到开采和利用,也只能够满足国内20年的需要。为满足我国2020年4000万千瓦核电厂装机容量的原料需求,每年需要生产7000吨天然铀。我国目前保有的铀金属储量和天然铀生产能力,已经很难满足上述需求。这就要求我们寻找更加广泛的铀来源。
到目前为止,世界上有22个国家从事天然铀的生产,共积存铀废石超过400多亿吨,铀废渣和铀尾砂超过200亿吨。在铀矿开采过程中产生的铀废石,铀品位一般都低于0.1‰。铀水冶、堆浸过程中,铀的产率一般为80%~95%,因此,初始铀含量的5%~20%仍存在于铀废渣和铀尾砂中。另外,在铀矿开采冶炼过程中,还会产生和形成大量铀矿化土壤。铀品位低是我国铀矿资源的一大特点。湖南湘西北就是一个巨型的低品位铀资源地区,区内含矿层的总出露面积约为2010平方公里,铀储量相当于我国已提交铀金属储量的9倍,但矿床平均品位为0.36‰~0.45‰,未达工业品位的要求,以致数十年无法开采。综上所述,如果可以将铀尾砂、铀尾渣、铀废石及铀矿化土壤这些含铀的二次资源和低品位铀矿中的铀提取出来,其铀产量将非常巨大。但这些含铀基质的共同特点就是铀品位非常低,采用目前我国铀矿开采的传统方法是无法开发利用的,这就要求我们提出新的铀矿开采方法。
研究发现许多植物有富集某些特定金属元素的能力。如堇菜好富集锌、鸭跖草好富集铜、紫云英好富集硒、蜈蚣草好富集砷、商陆好富集锰,等等。它们对金属的聚集能力要比一般植物高出几十倍、成百倍,甚至上千倍。本课题组经过长期的野外调查,发现了几种天然的铀富集植物,这使得利用植物在自然条件下的生长富集铀到植物体内,然后收割这些富含铀的植物地上部分,烘干后,经高温焚烧形成含铀生物矿石,即植物采铀成为可能。
发明内容
针对以上情况,本专利以铀尾矿砂为研究对象,发明了一种利用大生物量的铀富集植物将堆放在地表的铀尾矿砂中富集铀到植物的地上部分,待富集进行到一定程度后,对其进行集中收割、烘干后,经高温焚烧形成含铀生物矿石的方法(见图1)。该发明具有取材方便、成本低廉、处理步骤简便、环境友好、能源节约、无破坏性等多重优点。
该方法直接将铀富集植物直接种植在尾矿砂中,使其成活、生长,铀富集植物在生长过程中将铀从铀尾矿砂中吸收到植物自身体内,并转运到地上部分,待富集进行到一定程度后,对其进行集中收割、烘干后,经高温焚烧形成含铀生物矿石的方法。
其具体步骤为:
(1)筛选高生物量的铀富集植物;
(2)对种子进行消毒处理;
(3)盆栽处理,移植幼苗到含铀基质中;
(4)待铀在植物体内富集进行到一定程度后进行集中收割、烘干;
(5)将收割的植物体进行高温焚烧,焚烧后留下的灰分即是含铀的生物矿石。其进一步的措施是:
对生长在铀尾矿库的优势植物进行调查、采集、分析其各个部位的铀含量,筛选高生物量铀的富集植物,并收集种子。
对种子进行消毒处理是先用HgCl2处理5分钟左右,再用自来水洗干净,并采用沙培法育苗。
盆栽处理是将苗龄达到一定时期后,苗龄要根据具体的植物而定,一般30天左右,每种植物的苗龄不一样,将其幼苗移植到铀尾矿砂中。
对于多年生草本植物,可以一年内收割两次,可以于生长100-120天后,收割一次,并集中处理地上部分,收割时保留地上茎10-12cm作基茬。待其茬上长出新苗时,到生长11个月份左右再进行收割一次,并进行集中处理。
对于一年生草本植物,选择在富集量达到最大的时候进行收割,一般在9月份左右收割。
每种铀富集植物的具体收割时间都不一样,需要从每种植物的生物量和体内铀的富集浓度去考虑,即地上部分的铀富集量达到最大值时是最好的收割时间。
焚烧处理是将收割的地上部分放入高温炉内进行焚烧,最后留下的灰分即是富含铀的生物矿石。
本发明以铀富集植物和铀尾矿砂为材料,解决了低品位的含铀基质采用常规的铀矿开采方法无法开发利用的难题。
本专利发明的植物采铀方法,相比现有的技术方法,具有以下技术优势;
(1)植物采铀给用传统方法无法开发利用的铀尾砂提供了一种可行的开采方法。与其他的露天开采方式相比,它对环境几乎没有破坏性。
(2)植物采铀依靠的是植物在自然生长过程中对铀的富集,不需要耗费大量的人力和财力,无需消耗电力,节约了能源。
(3)植物收割后即可进行灰化,无需大规模的贮存矿石的场所。植物灰化后,其铀含量比一般的铀矿石含量要高,颗粒细,易于后期的提取。
(4)在植物燃烧灰化过程中产生的热量,可以被用来进行其他的工业生产。
(5)在铀尾砂上栽种植物,增加了铀尾砂中有机质的含量,吸附了其他的有害物质,长期的栽种植物会使铀尾砂转化为可利用的土壤,这比天然条件下的转化至少要节省上百年的时间,加快了生态循环。
(6)植物的根部固定了大量的有害物质,阻止了它们随着雨水向周围的迁移。栽种的植物不仅美化了视觉环境,而且吸收了大气中大量的二氧化碳,减缓了温室效应。
它适用于铀尾砂、尾矿渣、铀废石、低品位铀矿及铀矿化土壤等含铀基质的开发利用。
附图说明
图1为植物采铀系统简介。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
I材料组成
铀富集植物、铀尾砂。
II原理
植物采铀是以铀超富集植物为基础的,植物富集铀主要包括铀尾砂中铀的溶解,根系的吸收和转运,植物的分配、解毒和铀离子多价螯合作用。
(1)铀尾砂中铀的溶解
铀尾砂中的总铀通常以生物可吸收态、潜在生物可吸收态和不可吸收态存在。植物组织在任何时候对生物可吸收态的铀都可吸收富集。生物可吸收态的铀被移除后,潜在生物可吸收态的铀可迅速转化为生物可吸收态的铀。而不可吸收态的铀通过化学键与有机物或硅酸盐基质结合可溶性非常低,植物通过以下途径使不可吸收态的铀从尾砂中解离出来进行富集。
a.根系酸化作用
根系的酸化作用和羧化物的分泌是增加植物富集铀的两种方式。根系分泌氢离子能够酸化根系环境并增加铀的可溶性,根系氢离子释放通过质膜上K+-Na+-ATP酶和氢离子泵来实现。植物根系分泌物中的羧化物类物质则通过电离氢离子酸化土壤环境。
b.根系配体释放
根系释放各种配体例如有机酸(丙二酸和草酸)、金属螯合物(植物铁载体)和酶(还原酶)。这些物质充当螯合剂并增强尾砂中铀的解离作用,提高铀在尾砂中的溶解度,提高植物富集铀的能力。
c.根系微生物的作用
大量的微生物生存在根系周围,主要包括细菌和菌根真菌。这些寄居在根系的细菌和真菌通过催化作用或者氧化还原反应,促使铀尾砂中生物可吸收态的铀增加。根系可提供一个复杂和动态的微环境,微生物如自生、共生、促生细菌和菌根真菌,可与根系形成特有的共同体,他们通过分泌质子、有机酸、植物螯合肽、氨基酸和酶等物质提高根系周围铀的生物可吸收性。真菌共生体能增强根系潜在吸收面积,并刺激植物获取营养物质包括铀离子。
(2)根系的吸收和转运
可溶性的铀在植物根系的吸收主要通过共质体途径和质外体途径来实现。可溶性铀通过根毛细胞膜上的小通道进入植物的根系,再通过细胞与细胞间的小孔道(原生质丝),经由皮层、内皮层及周鞘进入根内部的导管细胞,此种吸收途径称为共质体途径。这种吸收方式都在细胞质内进行,所以不受内皮层中的凯氏带阻止。在吸收过程中,部分铀离子可以进入根细胞的液胞贮存。质体外途径是相对于共质体途径的另一种铀离子的吸收方式,尾砂中可溶性的铀离子由根吸收之后,不输入细胞内,就沿着细胞壁中的空隙从表皮、皮层到内皮层,进入木质部。但是内皮层细胞壁中有不透水的凯氏带,会阻止铀离子的运送,因此到内皮层时,质体外途径转为共质体途径,往细胞内部运送到木质部的导管。一旦铀离子被吸收到木质部,它们就会由于植物的蒸腾作用被水分和各种载体转运到各个组织。
(3)分配、解毒和铀离子多价螯合作用
在转运途径的任何一个过程,铀可通过各种化学转化或与苹果酸、柠檬酸和烟草胺等结合形成络合物降低毒性。铀的不同氧化形态在植物体内的吸附、转运和解毒特征均不一样。当铀被转运至茎尖细胞,就会储存在毛状体(质外体),表皮、叶肉、细胞壁等特定的细胞组织,铀将不会对植物体细胞产生危害。铀富集的最后一个过程就是铀离子的多价螯合作用。多价螯合作用发生在液泡中,在那里铀/铀配体必须通过空泡膜进行传递。在多价螯合过程中铀结合蛋白起着非常重要的作用,它被结合铀离子失活后转运至液泡中长时间保存而不对细胞产生毒性。
III具体实施方式
一种利用大生物量的铀富集植物将堆放在地表的铀尾砂的铀富集到植物的地上部分,待富集进行到一定程度后,对其进行集中收割、烘干后,经高温焚烧形成含铀生物矿石的方法。其具体步骤为:
(1)对生长在铀尾矿库的优势植物进行调查、采集、分析其各个部位的铀含量,筛选高生物量铀的富集植物,并收集种子。
(2)对种子进行保藏,来年春天对种子进行复苏,先用HgCl2进行消毒处理5分钟左右,再用自来水洗干净,最后使种子萌发。
(3)采用沙培法育苗,每培养皿存放种子30粒,整个试验在28℃恒温,相对湿度为80%,14h光长,1500lx光照强度的人工气候室内进行。
(4)将幼苗生长到一定高度时,移栽到花盆中,再生长一段时间后移植幼苗到铀尾砂库中。
(5)收割,对于多年生草本植物,可以一年内收割两次,可以于生长100-120天后,收割一次,并集中处理地上部分,收割时保留地上茎10-12cm作基茬。待其茬上长出新苗时,到生长11个月份左右再进行收割一次,并进行集中处理。
对于一年生草本植物,选择在富集量达到最大的时候进行收割,一般在9月份左右收割。
每种铀富集植物的具体收割时间都不一样,需要从每种植物的生物量和体内铀的富集浓度去考虑,即地上部分的铀富集量达到最大值时是最好的收割时间。
(6)焚烧,最后一步是将收割的地上部分放入高温炉内进行焚烧,最后留下的灰分即是富含铀的生物矿石。
IV实施例
实施例1,将水莎草种子用HgCl2处理5分钟左右,再用自来水冲洗干净,采用砂培法育苗,苗龄达到10天时,将其幼苗移植到某铀尾砂库,精心管理,合理施肥,并于100-120天后收割地上部分,在室温下风干,粉碎后,放入600℃的高温炉中焚烧,收集残留的灰分,即含铀的生物矿石,经分析测定,其含铀生物矿石的品位为0.15%。
实施例2,将燕麦种子用HgCl2处理5分钟左右,再用自来水冲洗干净,采用砂培法育苗,苗龄达到15天时,将其幼苗移植到某铀尾砂库,精心管理,合理施肥,并于100-120天后收割地上部分,在室温下风干,粉碎后,放入600℃的高温炉中焚烧,收集残留的灰分,即含铀的生物矿石,经分析测定,其含铀生物矿石的品位为0.045%。
实施例3,将一年蓬种子用HgCl2处理5分钟左右,再用自来水冲洗干净,采用砂培法育苗,苗龄达到18天时,将其幼苗移植到某铀尾砂库,精心管理,合理施肥,并于100-120天后收割地上部分,在室温下风干,粉碎后,放入600℃的高温炉中焚烧,收集残留的灰分,即含铀的生物矿石,经分析测定,其含铀生物矿石的品位为0.042%。
实施例4,将枸骨种子用HgCl2处理5分钟左右,再用自来水冲洗干净,采用砂培法育苗,苗龄达到30天时,将其幼苗移植到某铀尾矿库,精心管理,合理施肥,并于100-120天后收割地上部分,在室温下风干,粉碎后,放入600℃的高温炉中焚烧,收集残留的灰分,即含铀的生物矿石,经分析测定,其含铀生物矿石的品位为0.035%。
实施例5,将野老鹤草种子用HgCl2处理5分钟左右,再用自来水冲洗干净,采用砂培法育苗,苗龄达到30天时,将其幼苗移植到某铀尾砂库,精心管理,合理施肥,并于100-120天后收割地上部分,在室温下风干,粉碎后,放入600℃的高温炉中焚烧,收集残留的灰分,即含铀的生物矿石,经分析测定,其含铀生物矿石的品位为0.044%。
实施例6,将芦苇种子用HgCl2处理5分钟左右,再用自来水冲洗干净,采用砂培法育苗,苗龄达到30天时,将其幼苗移植到某铀尾砂库,精心管理,合理施肥,并于100-120天后收割地上部分,在室温下风干,粉碎后,放入600℃的高温炉中焚烧,收集残留的灰分,即含铀的生物矿石,经分析测定,其含铀生物矿石的品位为0.072%。
实施例7,将博落回种子用HgCl2处理5分钟左右,再用自来水冲洗干净,采用砂培法育苗,苗龄达到40-50天时,将其幼苗移植到某铀尾砂库,精心管理,合理施肥,并于100-120天后收割地上部分,在室温下风干,粉碎后,放入600℃的高温炉中焚烧,收集残留的灰分,即含铀的生物矿石,经分析测定,其铀含量为0.014%。到200-240天左右再进行收割一次,在室温下风干,粉碎后,放入600℃的高温炉中焚烧,经分析测定,含铀的生物矿石其含铀生物矿石的品位为0.032%。
以上仅仅是本发明的较佳实施方式,根据本发明的上述构思,本领域的熟练人员还可以对此作出各种修改和变换。例如,采用不同种类的植物进行采铀,利用植物对铀尾矿渣、铀废石、低品位铀矿及铀矿化土壤中等含铀基质的铀进行开采利用、利用植物进行其他金属的开采,对栽种的各种营养条件进行改良,采用不同的收割方式和时期,不同的育苗方法等等。类似的这种变换和修改均属于本发明的实质。
Claims (5)
1、一种新的铀矿开采方法——植物采铀,其特征在于:将铀富集植物种植到铀尾砂、尾矿渣、铀废石、低品位铀矿及铀矿化土壤等含铀基质中,待铀在植物体内富集到一定程度后,对植物地上部分进行收割、烘干,经高温焚烧后,形成含铀生物矿石。
2、根据权利要求1所述的一种新的铀矿开采方法——植物采铀,其特征在于:
植物采铀的具体步骤为:
(1)筛选高生物量的铀富集植物;
(2)对种子进行消毒处理;
(3)盆栽处理,移植幼苗到含铀基质中;
(4)待铀在植物体内富集进行到一定程度后进行集中收割、烘干;
(5)将收割的植物体进行高温焚烧,焚烧后留下的灰分即是含铀的生物矿石。
3、根据权利要求1所述的一种新的铀矿开采方法——植物采铀,其特征在于:对种子先用HgCl2进行消毒处理5分钟左右,再用自来水洗干净。
4、根据权利要求1所述的一种新的铀矿开采方法——植物采铀,其特征在于:先采用沙培法育苗,每培养皿存放种子30粒,整个试验在28℃恒温,相对湿度为80%,14h光长,1500lx光照强度,幼苗生长到一定高度时,移栽到花盆中,再生长一段时间后移植幼苗到铀尾砂库中。
5、根据权利要求1所述的一种新的铀矿开采方法——植物采铀,其特征在于:对于多年生草本植物,一年内收割两次;对于一年生草本植物,选择在富集量达到最大的时候进行收割。
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