综述：CO2-O2原位浸出技术在铀矿开采中的技术进步与技术经济影响

《Mining》：Technical Advances and Techno-Economic Implications of CO2-O2 In Situ Leaching for Uranium Mining Guihe Li, Jun He and Jia Yao

本文系统综述了CO2-O2原位浸出（CO2-O2in situ leaching）技术，作为一种中性、环境友好的铀矿开采方法。文章深入探讨了其地球化学原理、水文传输耦合机制，总结了反应动力学、浸出液设计、储层改造等方面的最新技术进展，并评估了其技术经济性。该技术特别适用于高碳酸盐、低渗透性砂岩型铀矿，在实现铀资源高效开发的同时，具有碳利用（CCUS）潜力，为清洁能源和可持续发展提供了新路径。

　　

铀是一种具有超高能量密度的资源，是前景广阔的低碳能源。在铀矿开采中，相较于露天和地下开采，原位浸出技术具有环境影响小、成本低、安全性高和适用性广等显著优势。而在酸性、碱性和中性这几类原位浸出方法中，CO₂-O₂浸出作为一种中性方法，因其化学条件温和、环境兼容性好，且能利用捕获的CO₂实现碳利用，展现出独特的发展潜力，尤其适合中国常见的高碳酸盐、低渗透性砂岩型铀矿床。

CO₂-O₂原位浸出的基本原理

该技术的核心是一个由地球化学反应与水文传输过程紧密耦合的复杂系统。其过程如图所示，通过注入井将富含CO₂和O₂的浸出液注入含矿层。在地下，O₂作为氧化剂，将不溶性的四价铀（U(IV)）氧化为可溶性的六价铀（U(VI)）；同时，CO₂溶于水形成碳酸体系，为U(VI)提供碳酸根/碳酸氢根配体，生成稳定的可溶性铀酰碳酸盐络合物（如UO₂(CO₃)₂^2?和UO₂(CO₃)₃^4?），从而实现铀的活化和迁移。含有溶解铀的富液被生产井抽出，经地表处理得到铀浓缩物（黄饼）。2-O₂原位浸出过程示意图">

这一过程的效率受氧化还原电位（Eh）和pH的联合控制。CO₂的存在可缓冲溶液维持近中性pH（6.8–8.2），有利于铀酰碳酸盐络合物的稳定。此外，孔隙结构、渗透率、注入速率等水文传输参数决定了浸出液与矿物接触的效率和范围。地质非均质性导致的优势流、反应指进等现象，以及矿物溶解/二次沉淀引起的孔隙度动态变化，都会显著影响铀的最终采收率。因此，CO₂-O₂原位浸出是一个典型的反应-传输耦合过程。2-O₂原位浸出的地球化学与水文传输耦合控制示意图">

CO₂-O₂原位浸出的技术进展

近年来，该领域的研究在多方面取得了重要进展。

在反应动力学与浸出效率方面，研究超越了传统的经验模型，越来越多地采用反应性溶质运移模拟来定量分析铀的浸出行为。这些模型方法主要包括多软件耦合模拟、单平台强耦合模拟以及基于深度学习的代理模型。它们能够同时考虑流体流动、溶质运移、气体溶解扩散以及铀的氧化、络合等复杂过程，为理解浸出机理和优化工艺参数提供了强大工具。实验技术如柱实验和批量实验，结合微观界面分析（如SEM-EDS, XPS），则为模型提供了关键的动力学参数和验证数据。研究表明，铀的浸出效率并非随CO₂或O₂浓度单调增加，而是在一个特定的CO₂-O₂配比窗口内达到最优，这体现了氧化动力学、碳酸盐络合与溶质传输过程需要协同优化。2-O₂原位浸出的多软件反应性溶质运移模拟示意图">

在浸出液设计与调控方面，研究的重点从经验优化转向定量、模型指导的策略。核心在于优化CO₂-O₂比例以调控氧化-络合环境，并调节CO₂分压以强化碳酸盐体系稳定性和铀的络合。过量的O₂而CO₂不足会导致铀沉淀或表面吸附；反之，氧化则成为限速步骤。因此，寻找与地层渗透率、注入速率相匹配的最佳化学条件窗口至关重要。

在矿物可及性与储层改造方面，针对低渗透性铀矿，发展了一系列提高矿物接触效率的技术。爆破增渗（BEP）技术是当前主流的储层改造方法，它能产生广泛、互联的裂缝网络，并预破碎矿岩，显著增加反应表面积和浸出液可及性。近年来，BEP技术正与机器学习结合，实现智能化的储层改造设计。此外，使用CO₂作为爆破介质（CO₂爆破）因其安全性高、压力可控而显示出潜力，但其现场应用尚在探索阶段。2爆破诱导裂缝产生示意图"> 在矿石表面改性方面，向浸出液中添加复合表面活性剂可以降低表面张力，改善微孔隙中的液-矿接触；酸法增渗（AEP）则通过酸-岩反应溶解矿物，扩大孔隙吼道，提高渗透率。研究表明，将AEP与BEP结合（酸预处理后爆破）能产生更稳定、连通性更好的裂缝系统，协同提高铀采收率。

CO₂-O₂原位浸出的当前应用

全球铀资源分布集中，澳大利亚、哈萨克斯坦、加拿大是主要资源国，但其铀生产多采用露天开采或酸性原位浸出。中国拥有全球约5%的铀资源，且多为高碳酸盐、低渗透性的砂岩型铀矿，这恰好是CO₂-O₂中性浸出技术发挥优势的地质背景。结合中国“双碳”目标，该技术在中国受到了高度重视并引领了现场试验和先导示范。例如，在松辽盆地、伊犁盆地等地已开展工业性试验，实现了超过75%的铀回收率，并验证了封闭循环、环境友好的工艺流程。美国在怀俄明州粉河盆地的Smith Ranch–Highland矿床也实现了CO₂-O₂原位浸出的工业规模应用，为理解现场操作性能和环境管理提供了宝贵案例。

CO₂-O₂原位浸出的技术经济影响与评价框架

该技术的经济性由地质、水文和工艺参数复杂耦合决定，具有高度情境依赖性。关键经济变量包括铀回收率、试剂消耗、注采流量和能耗。其技术经济评价需要采用集成分析框架，而非追求单一参数的最优化。传统基于固定成本或品位阈值的评估方法不再适用，因为通过工艺优化（如改善氧化剂传输、储层改造）完全可以在较低品位矿床实现经济开采。现代评价框架强调多目标权衡，综合考虑采收效率、运营成本、环境影响和监管可行性，在不确定的地质和市场条件下，寻找帕累托可行的操作区域。决策过程往往是在技术系统复杂性约束下的有限理性优化。2-O₂原位浸出系统集成技术经济评价概念框架">

挑战与未来方向

尽管取得了从实验室研究到现场试验的显著进展，CO₂-O₂原位浸出技术迈向大规模工业化仍面临挑战。在工艺优化上，未来可探索在浸出液中可控引入螯合剂，在维持pH稳定的同时进一步促进可溶性铀络合物的形成。在现场可控性上，需加强井网设计、注采方案等工程可控因素的场导向优化。在环境可持续性上，需关注废液管理、地下水扰动以及地下CO₂的赋存、运移和归宿等问题，并将现场监测数据集成到反应-运移模型中定量评估风险。

展望未来，随着信息技术和智能算法的快速发展，铀矿原位浸出正朝着数字化、智能化方向演进。基于多源数据的信息平台、物理信息机器学习、数字孪生系统等，有望实现对浸出过程的动态表征、预测和闭环智能控制。这将为CO₂-O₂原位浸出技术在高效开发铀资源的同时实现低碳目标，提供强有力的技术支持。