Лабораторные исследования процесса выщелачивания урана сернокислотными растворами, активированными ультразвуком

- © В.М. Лизункин, А.А. Морозов,

А.А. Гаврилов, И.В. Лизункин, 2014

УДК 622.234/42

В.М. Лизункин, А.А. Морозов, А.А. Гаврилов, И.В. Лизункин

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНА СЕРНОКИСЛОТНЫМИ РАСТВОРАМИ, АКТИВИРОВАННЫМИ УЛЬТРАЗВУКОМ

Перспективным направлением повышения извлечения металла при подземном, кучном и скважинном выщелачивании металлов, в т.ч. урана является активация растворов физическими полями, например ультразвуком, СВЧ-волнами, мощными электрическими разрядами и т.п., которые применяются и в обогащении, позволяя улучшить технико-экономические показатели. Приведены результаты лабораторных исследований влияния ультразвука на свойства выщелачивающих сернокислотных растворов (водородного показателя рН, окислительно-восстановительного показателя ОВП, кислотности H2S04 и трехвалентного железа) в зависимости от времени активации. Установлено повышение кислотности растворов, снижение величины рН и увеличение ОВП, что, как показали дальнейшие тестовые исследования и пер-коляционное выщелачивание, благоприятно сказывается на извлечение урана. При этом сокращается время выщелачивания и расход серной кислоты, а также в целом извлечение. Выявлен характер изменения свойств растворов серной кислоты под воздействием ультразвука. Тестовыми и лабораторными исследованиями установлена возможность применения ультразвука для активации растворов с целью повышения извлечения урана при выщелачивании, сокращения времени растворения и расхода серной кислоты.

Ключевые слова: выщелачивание урана, ультразвук, сернокислотные растворы, урановые горнодобывающие предприятия.

Одним из перспективных направлений интенсификации выщелачивания урана является предварительная активация сернокислого раствора ультразвуком.

Известно, что инициирование химических реакций в жидкостях в подавляющем большинстве случаев связана с кавитацией, под воздействием которой происходит расщепление молекул (в основном воды) на радикалы, ионизация и т.п.

С целью установления степени изменения основных при выщелачивании урана свойств сернокислого раствора (водородного потенциала рН, окислительно-восстановительного потенциала ОВП, кислотности Н2Б04 и трехвалентного железа III) в зависимо-

сти от времени активации были проведены лабораторные исследования. Для этого использовали низкочастотный генератор (104 Гц) с электроакустическим преобразователем, который преобразует колебания электрического напряжения в механические колебания твердого тела (графитовый стержень) и излучает в окружающую среду акустические волны. Результаты исследований приведены на рис. 1-4.

Анализ полученных результатов показывает, что при воздействии в диапазоне от 0,5 до 1,5 мин на продуктивные растворы ультразвуковым полем наблюдается существенное повышение водородного потенциала (в среднем на 13,5%) с уменьшением кислотности (в среднем на 41,7%),

Рис. 1. Зависимость изменения железа (III) в продуктивных растворах от времени проведения анализа

увеличением железа (III) на 8,1% и ОВП до уровня 560^580 мВ. Данные изменения состояния растворов в основном связаны с расщеплением молекул воды и слабых солей под воздействием ультразвуковых волн на свободные радикалы с образованием пузырьков водорода и озона. Последний, вступая в реакцию (продолжительно во времени до 72 ч), образует новые устойчивые комплексы солей, при этом двухвалентное железо активно окисляется до трехвалентного. Однако, дальнейшая активация продуктивных растворов для перколяци-онного выщелачивания не целесообразна по причине разрушения сорбента за счет кавитационных явлений.

Наиболее эффективно применение ультразвуковой активации растворов орошения, т.к. за счет разрушения связей молекул воды наблюдается повышение кислотности раствора (за счет концентрирования кислоты при взаимодействии свободного водорода и сульфатот-ионов), с понижением величины рН и одновременным повышением ОВП до величины 550^570 мВ,

что благоприятно сказывается на процесс выщелачивания урана. При этом образованные микроскопические пузырьки воздуха весьма устойчивы в растворе на протяжении 72 ч и достигают поверхности рудного куска, где в последствии активируют поверхность контакта руда - раствор посредством кавитационных явлений.

Анализ полученных результатов показывает, что рациональным временем активации для растворов орошения при частоте воздействия ультразвуком 104 Гц является 1,5 мин.

После этого были проведены тестовые исследования на рудной массе, отобранной со штабеля № 1А КВ ГМЗ, из которой была сформирована проба. Рудный материал пробы был додроблен до класса - 5+0 мм, разделен на 2 частные пробы по 1 кг и загружен в перколяторы (рис. 5).

Орошение рудной массы осуществлялось оборотными сернокислыми растворами с интенсивностью 0,5 л/сут. Режим выщелачивания инфильтраци-онный, непрерывный. Полный цикл отработки материала включал перио-

Рис. 2. Зависимость изменения водородного потенциала от времени проведения анализа: а - продуктивные растворы, б - растворы орошения

Рис. 3. Зависимость изменения окислительно-восстановительного потенциала от времени проведения анализа: а - продуктивные растворы, б - растворы орошения

Рис. 4. Зависимость изменения кислотности от времени проведения анализа: а продуктивные растворы, б - растворы орошения

ды «закисления», «активного выщелачивания» и доработки руды. Кислотность на стадии «закисления» поддерживалась на уровне 15 г/дм3.

Продолжительность стадии до достижения значений рН = 2,5^3,0 в продуктивном растворе составила 3 суток. В режиме «активного» выщелачивания исходная кислотность поддерживалась на уровне 5 г/дм3, рН продуктивного раствора - 1,8^2,0.

В процессе проведения исследований продуктивные растворы подвергались сорбционной переработке, маточники сорбции доукреплялись серной кислотой и вновь направлялись на орошение. Потери растворов восполнялись водой.

Результаты проведенных исследований представлены в табл. 1 и на рис. 6-8.

Анализ кинетических кривых выщелачивания показал, что процесс перехода урана в раствор при активизации ультразвуковым полем рас-

Параметры ^кт, сут Расход Н^03 Ж:Т, м3/т Содержание Ме в растворе ср. взв., гр/дм3 Извлечение по кеку, %

кг/т кг/кг Ме

Без активации

Показатели 6 8 37,16 81,71 2,8 0,170

15 20 61,06 82,98 10,0 0,043

4 7 61,06 79,82 12,0 0,015

Итого: 25 35 61,06 79,82 12,0 - 82,6

а = 0,092%, а = 0,016%, исх ' ' кек ' ' е = (а - а )/ а  100% = (0,092-0,016)/0,092  100% = 82,6% * исх кек' исх * ' ' ' ' '

С активацией

Показатели 6 8 38,24 77,59 2,9 0,169

15 20 57,53 81,62 10,0 0,034

4 7 57,53 78,56 11,8 0,017

Итого: 25 35 57,53 78,56 11,8 - 83,9

а = 0,087%, а = 0,014%, исх ' ' кек ' ' е = (а - а )/ а  100% = (0,087-0,014)/0,087  100% = 83,9% 4 исх кек' исх 4 ' ' ' ' '

Рис. 5. Общий вид лабораторной установки: 1, 3 - резервуары (тубусы) с рабочими и продуктивными растворами соответственно; 2 - перколяционные колонны; 4 - сорбционные колонны; 5 - резервуар с маточниками сорбции

Таблица 1

Результаты тестовых исследований

Рис. 6. Зависимость извлечения и концентрации урана от времени выщелачивания

Рис. 7. Зависимость расхода серной кислоты от времени выщелачивания

творов орошения протекал наиболее интенсивно на 3-5 сутки проведения исследования, в дальнейшем он заме длился, но остался в среднем на 2,5% выше обычного технологического процесса.

Химическим анализом кеков выщелачивания установлено, что тради-

ционные закономерности распределения содержания полезного компонента от верхнего к нижнему слою, т.е. увеличение содержания, не соблюдаются (рис. 9). Руда, орошаемая обработанным ультразвуковым полем раствором, выщелачивается более равномерно по высоте колонки.

Время выщелачивания, сут.

Рис. 8. Зависимость изменения железа (III) и железа (II) во времени проведения процесса

Таким образом, применение активированного ультразвуком раствора позволяет добиться равномерного извлечения металла из всех слоев перерабатываемой рудной массы и обеспечить низкое остаточное содержание в ней урана.

Для подтверждения основных технологических показателей инфильтра-ционного выщелачивания урана активированным ультразвуковым полем раствором, выявленных в ходе тестовых исследований, а также сравнитель-

ной оценки было поставлено два опыта в колоннах-перколяторах (диаметр колонн = 130 мм, высота слоя

15 кг '

Исл = 0,7 м) на 2 пробах по 15 кг каждая:

• 1 проба весом 15 кг крупностью -40+0 мм выщелачивалась по традиционной схеме;

• 2 проба весом 15 кг крупностью -40+0 мм подвергалась выщелачиванию активированными (период активации через 1 сутки) растворами с временем воздействия ультразвуком 1,5 мин.

0 1

Рис. 9. Распределение остаточного содержания полезного компонента по слоям

Врата I м.-с г'-,ш 'тч <уг.

Рис. 10. Зависимость извлечения и концентрации урана от времени выщелачива ния

Г

1 1 I

- - - — - - - — - — —1— - - - -1-1- — — — —

Время выщелачивании, сут

Рис. 11. Зависимость расхода серной кислоты от времени выщелачивания

Материал орошали круглосуточно с интенсивностью 5^6 л/час-м2. Продуктивные растворы подвергались сорбционной переработке, маточники сорбции доукреплялись по серной кислоте и активировались во втором опыте ультразвуковым полем, после

чего направлялись на орошение руды. Показатель рН продуктивных растворов поддерживался на уровне 1,8^2,0. Ежедневно отбирались пробы растворов, которые анализировались на уран, кислотность, содержание Ре3+/2+. При этом замерялись показатели рН и

Рис. 12. Зависимость изменения железа (III) и железа (II) во времени проведения процесса

ОВП. Потери оборотных растворов (отбор проб для анализов, испарение и т.д.) восполнялись добавлением водного раствора серной кислоты.

Исходный гранулометрический состав и ситовой анализ кеков выщелачивания, а также распределение полезного компонента по классам крупности представлено в табл. 2 и 3.

Результаты инфильтрационного выщелачивания, представленные на

кинетических кривых (рис. 10-12) показали, что извлечение металла в раствор за 124 суток выщелачивания составило:

• в опыте № 1 (традиционное выщелачивание) - 40,4% при исходном содержании урана в руде 0,057% и расходе серной кислоты 17,30 кг/т руды;

• в опыте № 2 (активированными растворами) - 39,6% при исходном

♦ без активации

-в—с активацией

0 1 2 3 4 5

Номера слоев

Рис. 13. Распределение содержания полезного компонента по слоям

Таблица 2

Исходный гранулометрический состав и распределение полезного компонента по классам крупности пробы руды

Класс крупности Масса, кг Выход руды, % Содержание, % Кол-во ^ гр

без активации с активацией без активации с активацией без активации с активацией без активации с активацией

+40 1,5 1,7 10,0 11,3 0,024 0,021 0,364 0,357

-40+25 4,6 4,6 30,7 30,7 0,02 0,02 0,95 0,92

-25+10 7,4 7,4 49,3 49,3 0,07 0,07 6,3 5,18

-10+5 1,5 1,3 10,0 8,7 0,062 0,062 0,93 0,806

Итого: 15 15 100 100 0,057 0,048 8,5 7,3

Таблица 3

Гранулометрический состав и распределение полезного компонента по классам крупности кеков выщелачивания

Класс крупности Масса, кг Выход руды, % Содержание, % Кол-во ^ гр

без активации с активацией без активации с активацией без активации с активацией без активации с активацией

+40 - - - - - - - -

-40+25 5,6 5,17 37,5 34,6 0,044 0,016 2,44 0,85

-25+10 7,08 7,39 47,4 49,4 0,031 0,042 2,17 3,07

-10+5 2,26 2,39 15,1 16,0 0,019 0,016 0,43 0,39

Итого: 14,94 14,95 100,0 100,0 0,034 0,029 5,04 4,31

содержании урана в руде 0,048% и расходе серной кислоты 17,80 кг/т руды.

Как видно из полученных данных извлечение урана практически одинаково. Однако, рудная масса во втором опыте была более бедная (на 0,009%). Подтвердилось также равномерное извлечение полезного компонента по слоям (рис. 13).

Кроме того, за счет периодической активации растворов (через 1 сутки) наблюдалось более активное выщелачивание металла из верхнего слоя рудной массы, в отличие от тестовых опытов.

Полученные результаты показывают, что активированный раствор наиболее активен и эффективен в

нижних слоях рудного материала. Поэтому использование периодической активации растворов ультразвуком, либо двух систем орошения, одна из которых не активируется, позволяет более полно и равномерно извлекать металл из рудного сырья при перко-ляционном выщелачивании и обеспечить низкие остаточные содержания полезного компонента по всей высоте рудного слоя, в отличие от традиционной технологии.

Пересчет на одинаковое содержание урана в руде показал, что активация сернокислого раствора позволит увеличить извлечение металла на 5%, уменьшить расход серной кислоты и отрабатывать штабели с повышенной высотой.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Лизункин Владимир Михайлович - доктор технических наук, профессор,

зав. кафедрой, заведующий горным отделом

Института природных ресурсов, экологии и криологии

Сибирского отделения РАН,

Забайкальский государственный университет,

e-mail: root@chitgu.ru, e-mail: inrec.sbras@mail.ru;

Морозов Александр Анатольевич - кандидат технических наук,

зав. лабораторией ЦНИЛ,

ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение»;

Гаврилов Александр Александрович - аспирант,

Лизункин Иван Владимирович - аспирант,

Забайкальский государственный университет,

e-mail: root@chitgu.ru.

UDC 622.234/42

LABORATORY RESEARCH OF URANIUM LEACHING IN ULTRASOUND-ACTIVATED SULFURIC SOLUTIONS

Lizunkin V.M., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, Head of Mining Department of

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of RAS, Transbaikal State University,

e-mail: mail@zabgu.ru, e-mail: inrec.sbras@mail.ru; Morozov A.A., Candidate of Technical Sciences, Head of laboratory, Central Research Laboratory Priargunsky Mining-and-Chemical Works; Gavrilov A.A., Graduate Student, Lizunkin I.V., Graduate Student, Transbaikal State University, e-mail: mail@zabgu.ru.

A promising way of enhancement of metal recovery in underground heap and borehole leaching, including uranium, is activation of leaching solution by physical fields, for instance, by ultrasound, super high frequency waves, electrical discharges, etc., that are used in mineral beneficiation for higher engineering-and-economic performance. The article reports the results of the laboratory research into the ultrasound effect on properties of sulfuric leaching solutions (pH, redox index, acid value of H2S04 and ferric iron) depending on activation time. The activation has resulted in higher acid value, lower pH and higher redox index, which, according to the subsequent tests and percolation leaching data, has favorable effect on uranium recovery. Besides, the leaching time, the sulfuric acid consumption and the recovery process period reduce. The behavior of the sulfuric acid solutions under the action of ultrasound is revealed. The tests and the laboratory research have shown applicability of ultrasound for activation of leaching solutions in order to enhance uranium recovery, cut down the solution time and to reduce the sulfuric acid consumption.

Key words: uranium leaching, ultrasound, sulfuric acid solutions, uranium mines.