由于铀元素非常活泼和成矿条件的影响，铀矿石中的铀均以化合状态存在，这些含铀矿物对浸出条件的要求差异很大。UO3的溶解浸出，只要有足够的酸度，或是足够的碳酸根离子浓度就可以；而UO2的溶解浸出则很难，一般必须先使矿石中UO2一类的低价化合物氧化到高价状态，然后才能与溶浸剂发生溶解浸出反应。液相中的铀的存在形态与pH值、溶浸剂离子浓度等相关。为了提高堆浸浸出率，了解浸出状况，以及溶液中各种铀化合物存在与转化条件，可以借助于铀水系电位－pH图。电位－pH图的作法是：在以电位为纵坐标，pH为横坐标的图中，逐一绘出代表某些化学反应的等温等浓的电位－pH关系直线。故首先要列出化学反应方程式；然后写出此反应的电位、pH、物质活度的方程式，并计算其相关数据，根据数据在图中绘出相应的直线。如图1和图2所示。铀矿堆浸中有关的化学反应及其热力学关系式如下：
图1 U－H2O系电位－pH图
图2 Au，Zn－H2O系电位－pH图
UO3＋2H＋ UO22＋＋H2O
pH＝7.38－0.5lg ①
UO2＋4H＋ U4＋＋2H2O
pH＝0.95－0.25lg ②
3UO22＋＋2H2O＋2e U3O8＋4H＋
E＝－0.403＋0.12pH＋0.089lg ③
UO2（OH）2＋2H＋ UO22＋＋2H2O
pH＝2.49－0.5lg ④
UO22＋＋2e UO2
E＝0.221＋0.0295lg ⑤
UO22＋＋4H＋2e U4＋＋2H2O
E＝0.333－0.12pH＋0.0295lg ⑥
Fe3＋＋e Fe2＋
E＝0.77＋0.0591lg ⑦
O2＋4H＋＋4e 2H2O
E＝1.23＋0.0148lg －0.0591pH ⑧
MnO2＋4H＋＋2e Mn2＋＋2H2O
E＝1.23－0.118pH－0.0295lg ⑨
按照铀矿堆浸的实际情况，浸出液中的铀浓度在50～1000mg／L，平均以500mg／L计，即aUO22＋约为2×l0－3mol／L。硫酸的浓度平均为40g／L，即aH＋约为4×l0－1mol／L。二氧化锰的加入量一般为4～5kg／m3，Mn2＋的浓度约为2.7g／L，aMn2＋约为5×l0－2mol／L。取Fe3＋／Fe2＋的活度比为1的平衡电位，将这些数据代入各式中，就可绘出铀水系电位－pH图，如图1所示。
由图1可以得到如下的倾向性结论：
一、比较图中线①③⑤可知，矿石中存在的UO3，U3O8和UO2转化成UO22＋的条件是不一佯的。UO3的溶解只与pH值有关，UO2则要先氧化才能转化，而U3O8则不仅要求电位达到一定的值，而且要求pH值也必须达到一定值它才能转化成UO22＋。
二、由标线①⑤⑥所组成的区域，杯志着UO22＋稳定停在的热力学条件，即溶解浸出时必须的基本条件。pH值不能高于3.8，pH值越低，UO22＋越稳定；电位高于500mV时，UO22＋能稳定存在；电位低于500mV时，溶液中UO22－和U4＋的比例，随pH值和电位的变化而变比。固此，在堆浸中，若浸出渡的pH值低于2，电位高于500mV时，则满足了UO22＋稳定存在的热力学条件。
三、为了满足UO22＋稳定存在的电位条件，在堆浸中必须有足够的氧化环境。比较标线⑦⑧⑨就可以看到，MnO2，Fe3＋和O2均能氧化UO2中的铀成六价铀。但从试剂价格考虑，对四价铀的氧化以Fe3＋（标线⑦）为适当。而且现代研究证明，若溶液中没有铁离子，MnO2等对UO2将不能起有效的氧化作用。空气中的氧在常压下对四价铀的氧比速度慢。标线⑦与标线⑤的垂直距离所表征的电位值是Fe3＋氧化UO2的推动力。⑦和⑤的综合反应为
2Fe3＋＋UO2 UO22＋＋2Fe2＋
综合⑦和⑤则有
△＝0.77－0.22＋0.0295lg
根据质量作用定律，平衡时△E＝0，从而得到
＝1×10－18.6
则 K＝ ＝1×1018.6
反应的平衡常数K很大，说明反应的推动力很大。关键的问题是如何使溶液中的Fe2＋氧化成Fe3＋，在搅拌浸出中，一般需加入软锰矿，以加速浸出过程。堆浸可在矿石破碎时加入软锰矿，以使矿石中的低价铀加快氧化。但多数铀矿堆浸靠所谓的“自呼吸过程”，即靠溶液间断与矿石接触，空气与溶液交替进入矿石的毛细裂隙中，借空气中的氧来氧化矿石中的低价铀矿物。
四、从线①和①可以看出，矿石中UO3的溶解浸出比较容易，只要酸度足够就可以转化成UO22＋。这对搅拌浸出很容易做到，因为搅拌浸出液固比大；而在堆浸中，尤其在堆浸的初期，要维持浸出液的酸度是不容易的，因而往往在堆的上部已浸出的UO22＋，到了堆的底部由于溶液的酸被不断消耗，pH值升高，UO22＋水解成UO2（OH）2·2H2O而沉淀了。
五、图1中UO2与U3O8之间和U3O8与UO3之间的二条线A和B涉及这些固相物质之间的转化，与湿法冶金关系不大。
QQ交流群
