Физико-химическое состояние урана в шахтных урансодержащих водах и в супесчаных почвах

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2013, том 56, №9_

РАДИАЦИОННАЯ ЭКОЛОГИЯ

УДК 631.4:[546.791]

И.У.Мирсаидов, Х.М.Назаров, Н.Н.Рахматов, Ф.Дж.Саломов, Ш.Б.Назаров

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ УРАНА В ШАХТНЫХ УРАНСОДЕРЖАЩИХ ВОДАХ И В СУПЕСЧАНЫХ ПОЧВАХ

Агентство по ядерной и радиационной безопасности АН Республики Таджикистан

В работе приведены результаты изучения состояния урана в супесчаных почвах. Согласно полученным данным, за закрепление в супесчаных почвах урана ответственны процессы ионного обмена, комплексообразования, гидролиза и окисления-восстановления. На сорбционное поведение урана из техногенных источников влияют исходная химическая форма элементов и присутствие макрокомпонентов.

Ключевые слова: уран - супесь - сорбция - раствор.

К настоящему моменту временные аспекты процессов поглощения урана в супесчаных почвах мало исследованы. Существующие методы исследования не позволяют в полной мере оценить трансформацию форм и механизмы связывания урана в почвах. Одним из путей преодоления указанных трудностей может быть проведение комплексных натурных исследований. В связи с этим объектами наших исследований были выбраны урансодержащие шахтные воды и супесчаные почвы месторождения Киик-Тал Таджикистана.

Месторождение Кик-Тал разрабатывалось в период с 1973 по 1978 гг. способом подземного выщелачивания без дробления скального массива, слабыми сернокислыми растворами. За это время было закачано порядка 8.6 млн.м3 рабочих растворов со средним содержанием серной кислоты 4.6 г/л и переработано на сорбционной установке 11.6 млн.м3 продуктивных растворов и обогащенных ураном шахтных вод со средним содержанием урана 33 мг/л. Извлечение урана из рудника составило 35.1% от общего количества разведанного урана в этом руднике со средним содержанием 0.0130.015%.

В 1989 г. процесс подземного выщелачивания руд месторождения Киик-Тал из-за нерентабельности и экологической целесообразности был остановлен. Однако выход урансодержащих шахтных вод не прекратился. Для очистки шахтных вод от урана были созданы седиментационные отстойники, а также ионообменная колонна, которая была установлена в конце 90-х гг. прошлого века.

В течение более 20 лет уран, выходящий из штольни №1, сорбируется на смолу АМ(п). В последнее время сорбционные свойства смолы ухудшились и в седиментационных отстойниках наблюдается накопление супесчаных почв с высоким содержанием урана. Это может быть связано с изменением среды рН вод, так как классический метод извлечения урана из шахтной воды заключается в подкислении е серной кислотой до рН 2.0-2.5.

Адрес для корреспонденции: Назаров Холмурод Марипович. 735730, Республика Таджикистан, г. Чкаловск, ул.Калинина, 15а, Филиал Агентства по ядерной и радиационной безопасности АН РТ. E-mail: holmurod18@mail.ru.

В нейтральных и щелочных средах уран находится в гидролизных формах. Для иО2(ОН)2 растворимость составляет 3.5• 10" моль/л. Константа диссоциации равна 2-10. В нейтральной среде концентрация ионов уранила равна 10"8 моль/л и только в кислых растворах при рН=4 она повышается до 10"2 моль/л. Учитывая, что в растворе могут присутствовать продукты гидролиза и ионы иО2(ОН)+, общая концентрация ионов урана в нейтральной среде не опускается ниже 10"6 моль/л [1, 2].

Катион и02 2 представляет собой линейное образование, в центре которого находится и4+, а атомы кислорода расположены на одинаковых расстояниях. По данным ионных радиусов было установлено, что связь атома урана с атомами кислорода носит ковалентный характер. При ковалентной связи атомы имеют общие электроны, что объясняет высокую прочность соединения. Низкая прочность соединений шестивалентного урана объясняется тем, что весь заряд сосредоточен вокруг урана, а не вокруг кислорода. Ионный радиус катиона примерно равен 3 А, такой радиус значительно затрудняет изоморфное вхождение в кристаллическую структуру. Следовательно, самостоятельные минералы шестивалентного урана могут образовываться в основном с крупными анионами. Большие размеры катиона и6 объясняют его накопление в мелкозернистых породах. В богатых карбонатами кальция и магния средах прочность поглощения может увеличиваться за счет осаждения Са2(иО2(СОз)з) и Са, Mg(UO2(COз)з) [3].

Наряду с этим существует мнение [4], что в поверхностных средах содержание железа контролирует рН-зависимую адсорбцию урана. Окисные формы металлов (гетит, гематит, бемит и др.), с одной стороны, сами служат сорбентами урана, а с другой, - адсорбируясь и образуя пленки на поверхности глинистых минералов, изменяют их ионообменные свойства. В сорбированном виде уран может мигрировать на гидроксидах железа, глинистых частицах, органических взвесях. На поверхности коллоидной формы SiO2 уранил-ион образует прочное комплексное соединение.

Выпавшие мелкодисперсные осадки вместе с шахтными водами попадают в сорбцию на смоле АМ(п), однако не сорбируются и уходят вместе с маточником в почву, тем самым загрязняя радионуклидами почву. В настоящее время шахтная вода, вытекающая из штольни, имеет рН=7.0-7.5 с содержанием урана 20-25 мг/л, объём 5-6 м3/час.

Согласно накопленным данным, сорбция урана в почвах зависит от химических свойств, физико-химического состояния и концентрации элементов, гранулометрического и минералогического состава почв, содержания органического вещества, присутствия в растворе некоторых ионов, мигра-ционноспособных коллоидов, комплексообразователей и т.д.

Ценной рудой для извлечения урана является чернь, группа урановых минералов, представляющих собой тонкодисперсное вещество, часто насыщенное водой; химический состав - переменный при разных соотношениях и02 и и03; радиоактивна.

Белая окраска проб, отобранных из донных отложений отстойника, обусловлена значительным содержанием кремнезёма ^Ю2), углекислой извести (СаС03), каолинита (Н2А12812О8 Н20) или гидрата глинозёма (А12О3пН2О). В ряде случаев белесоватый оттенок пробам могут придавать гипс и легкорастворимые соли. Все растворимые минеральные соединения могут химически поглощаться

почвами. Результаты выщелачивания супесчаных почв, отобранных из седиментационных отстойников, представлены в табл. 1.

Анализ результатов показал, что супесчаные почвы хорошо растворяются, как в водных, так и в кислотных средах. Высокое извлечение урана наблюдается в кислых средах и доходит до 90 %. Однако большой расход кислоты делает данные почвы нерентабельными. С другой стороны, перерасход кислоты связан с тем, что в состав супесчаных почв входят карбонатные соли.

Таблица 1

Выщелачивание супесчаных почв из седиментационных отстойников месторождения Киик-Тала (со-

держание урана в исходном материале 1.04%)

В ыщелачивание Фильтрат после выщелачивания Отмывка с водой 0х

(ч I II Ч «

№ опыта Навеска, г Расход кислоты, кг/ Отношение Т:Ж Объём, мл Н а Содержание и, г/л Объём, мл Я а Содержание И, г/л Объём, мл Я а Содержание И, г/л со м о д р ё в т « к о ато т с Ос Извлечение И, '

Выщелачивание с водой

1 20 - 1:2 32 7.9 0.102 20 7.7 0.062 20 7.8 0.046 0.98 5.76

2 20 - 1:3 50 7.8 0.082 20 7.9 0.054 20 8.0 0.026 0.94 10.1

3 50 - 1:5 232 7.2 0.071 - - - - - - - -

Азотнокислотное выщелачивание

4 50 1820 1:10 510 1.2 0.680 303 2.3 0.062 325 6.6 0.001 0.59 89.8

Сернокислотное выщелачивание

5 25 720 1:7.5 188 1.5 0.53 403 2.5 0.032 - - - 0.5 46.1

6 34 688 1:4 133 1.6 1.00 118 4.7 0.34 230 6.9 0.013 0.4 61.5

Содовое выщелачивание

7 20 500 1:8 172 10.7 0.66 145 10.2 0.035 383 9.1 0.001 0.495 52.4

8 20 1000 1:8 140 9.7 1.04 152 10.0 0.082 131 9.5 0.005 0.285 72.6

9 20 1000 1:12 245 9.8 0.59 126 10.1 0.021 167 9.4 0.0005 0.365 64.9

Таблица 2

Результаты анализов проб воды месторождения Киик-Тал

Наименование определений Содержание, мг/л ПДК

до сорбции после сорбции

Общая жёсткость 16.8 мг-экв/л 13.3 мг-экв/л не более 7.0 мг-экв/л

Щёлочность 2.7

Мутность 0.4

Цветность, град. 5.0

рН 7.1 7.8 6.0-9.0

Хлориды 131.13 120.5 не более 350 мг/л

Сульфаты 780.0* 742.3 не более 500 мг/л

Кальций 228.0 206.0

Магний 66.0 36.0

Нитриты следы 1.82

Нитраты 8.13 58.3 не более 45.0 мг/л

Аммиак следы 3.0

Железо 0.81* 0.28 не более 0.3 мг/л

Сухой остаток 1717.0 1580.0

Таблица 2

Наименование определений Содержание, мг/л ПДК

до сорбции после сорбции

Цинк не обнар. не более 5.0 мг/л

Медь 0.0012 не более 1.0 мг/л

Фтор 2.2*

Фосфаты 0.41

Уран 26.88* 9.0

Марганец 0.0012 не более 0.1 мг/л

* Превышения санитарно-допустимой нормы.

Таким образом, предлагаем принципиальную технологическую схему извлечения урана из шахтных вод, состоящую из процессов отстаивания, фильтрования, выщелачивания и сорбции (рисунок).

Предлагаемая технология используется как для добычи урана, так и для очистки шахтных вод от нежелательных загрязнений.

pH- 2.5/3

Рис. Принципиальная технологическая схема извлечения урана из шахтных вод.

Поступило 23.07.2013 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Тестов Б.В., Титаева Н.А., Февралева Л.Т. Тяжелые естественные радионуклиды в биосфере: Миграция и биологическое действие на популяции и биогеоценозы. - М.: Наука, 1990, 368 с.

2. Искра А.А., Бахуров В.Г. Естественные радионуклиды в биосфере. - М.: Энергоиздат, 1981, 123 с.

3. Архипов Н.П., Медведев В.П., Гришина Л.А., Федорова Т.А. Изменение подвижности урана в зависимости от рН почв // Радиохимия, 1985, т.27, №6, с.812-817.

4. Головатый С.Е., Чистик О.В., Савченко С.В. Физика и химия почв / Под общ. ред. С.Е.Головатого. - Минск.: МГЭУ им. А.Д.Сахарова, 2005, 140 с.

И.У.Мирсаидов, Х.М.Назаров, Н.Н.Рахдоатов, Ф.Ч,.Саломов, Ш.Б.Назаров

ХОЛАТИ ФИЗИКИЮ ХИМИЯВИИ УРАН ДАР ОБХОИ УРАНДОРИ ЧОХЙ

ВА ДАР РЕГХОК

Агентии амнияти ядрои варадиатсионии Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон

Дар макола натичах,ои омузиши х,олати уран дар регхок оварда шудааст. Мутобики маълумотх,ои чамъшуда барои часпидани уран дар регхок равандх,ои мубодилаи ионй, х,осилах,ои мачмаавй гидролиз ва оксиду баркароршавй масъул мебошанд. Ба кобилияти сор-бсионии уран аз манбаъх,ои техногенй шакли аввалаи химиявии элементно ва иштироки макрокомпонентхо таъсир мерасонанд. Калима^ои калиди: уран - регхок - сорбсия - маулул.

I.U.Mirsaidov, Kh^.Nazarov, N.N.Rahmatov, F.J.Salomov, Sh.B.Nazarov PHYSICO-CHEMICAL CONDITION OF URANIUM IN MINE WATERS BEARING URANIUM AND IN SANDY-LOAM GROUNDS

Nuclear and Radiation Safety Agency, Academy of Sciences of Republic of Tajikistan

Uranium state investigation results in sandy-loam grounds are provided in this work. In accordance with collected data, ion-exchange, complex-formation, hydrolysis, and oxidation-reduction processes are critical for uranium immobilization in sandy-loam grounds. Elements' initial chemical form and micro-components presence impact on sorption behavior of uranium from technical sources. Key words: uranium - sandy loam - sorption - solution.