Исследование закономерностей процессов гидрометаллургического извлечения урана при подземном выщелачивании урановых руд

А.Д. Хужакулов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРОЦЕССОВ ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ УРАНА ПРИ ПОДЗЕМНОМ ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ УРАНОВЫХ РУД

Проведено теоретическое и экспериментальное изучение особенностей подземного выщелачивания урановых руд.

Ключевые слова: выщелачивание, минералы урана, выщелачивающие реагенты, гидрометаллургическое извлечение урана.

~П ыщелачивание с помощью скважин предлагается приме-

-Я-М нять для отработки рудных тел, залегающих в осадочных горных породах, проницаемых для воды и растворов выщелачивающих реагентов.

Большая часть минералов урана легко растворяется в минеральных кислотах и в горячих растворах щелочных карбонатов. В соответствии с этим существуют два основных процесса выщелачивания урановых руд: кислотное и карбонатное.

Так как большинство руд трудно поддается методам карбонатного выщелачивания, то чаще применяется кислотное выщелачивание. Однако карбонатный процесс имеет свои преимущества: затраты при его осуществлении ниже, чем при кислотном выщелачивании.

Особенностью современности является развитие атомной энергетики и, как следствие этого, возрастающие потребности в уране.

По сравнению с обычными способами добычи полезного ископаемого, метод ПВ имеет ряд преимуществ, а именно:

- значительное уменьшение объемов таких дорогостоящих и трудоемких работ, как сооружение горных выработок, транспортирование руды, ее обогащение, дробление, измельчение;

- отсутствие необходимости в строительстве и эксплуатации хвосто хранилищ;

- возможность сохранения в ненарушенном состоянии земной поверхности (после отработки месторождения земельные угодья могут быть использованы в сельском хозяйстве);

-возможность полной автоматизации процесса;

-коренное улучшение санитарно-гигиенических условий труда;

- резкое сокращение объемов промышленного и гражданского строительства;

- значительное сокращение сроков ввода в эксплуатацию и освоения промышленных мощностей;

- существенное уменьшение загрязнение окружающей среды;

- снижение себестоимости получения металлов и повышение производительности труда.

Но не смотря на это, метод подземного выщелачивания в настоящее время занимает небольшой удельный вес в общем объеме добычи полезных ископаемых. Частично это объясняется новизной процесса, малым количеством специальной систематизированной литературы по данному вопросу, а также недостаточным вниманием к запасам полезных ископаемых, заключенным в забалансовых рудах. Однако с уверенностью можно сказать, что дальнейший технический прогресс в технологии добычи многих полезных ископаемых и повышение использования разведанных запасов в недрах будут связаны с этим новым методом.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное изучение особенностей подземного выщелачивания урановых руд.

Идея работы заключается в доскональном анализе всех исследований, ранее проделанных в этой области и в получении на основе теоретических и экспериментальных исследований оптимальных условий подземного выщелачивания урановых руд.

Методы исследования Выбор технологической схемы получения концентратов из руды зависит как от содержания в ней урана, так и от ряда других факторов, наиболее важными из которых являются физическое состояние руды, минералогический и химический состав, степень извлечения и концентрации, расход реагентов.

Большая часть минералов урана легко растворяется в минеральных кислотах и в горячих растворах щелочных карбонатов. В соответствии с этим существуют два основных процесса выщелачивания урановых руд: кислотное и карбонатное.

Так как большинство руд трудно поддается методам карбонатного выщелачивания, то чаще применяется кислотное выщелачи-

вание. Однако карбонатный процесс имеет свои преимущества: затраты при его осуществлении ниже, чем при кислотном выщелачивании.

Решающим фактором при выборе способа выщелачивания является тип руды. В первичных рудах уран находится в восстановленном состоянии, а во вторичных — частично или полностью в окисленном состоянии.

Первичные руды, содержащие уран, химически связанный с различными трудно растворимыми окислами (например, редкими землями, титаном или торием), требуют для вскрытия применения концентрированных кислот; эти руды не поддаются щелочному выщелачиванию.

Первичные руды, содержащие смолку и все вторичные руды, могут вскрываться и щелочами и кислотами. Кальцит, доломит и магнетит требуют повышенного расхода реагента в кислотном процессе; при наличии их в руде желательно применять щелочное выщелачивание. Наоборот, при извлечении урана из руд с высоким содержанием кремнекислоты применяется кислотное выщелачивание, так как двуокись кремния вступает в реакцию с каустической или кальцинированной содой.

Для кислого выщелачивания могут быть использованы азотная и соляная кислоты, но в основном применяется наиболее дешевая серная кислота. Серная кислота (Приводит к образованию в растворе сульфата уранила (UO2SO4), который ионизируется с образованием не только катиона уранила UO22" и аниона сульфата SO42", но также и комплексных анионов сульфата уранила и UO2(SO4)34" и UO2(SO4)22". Растворенный уран встречается одновременно во всех трех формах.

Научное и практическое значение Перспективы экономического и социального развития любой страны определяются научнотехническим прогрессом, основу которого составляет энергетическая и минерально-сырьевая база.

Однако ресурсы полезных ископаемых ограничены и невосполнимы, В связи с этим возникает проблема более полного и комплексного извлечения ценного компонента из руд, разработки бедных, глубокозалегающих месторождений, а также месторождений, со сложными горнотехническими условиями. Это поставило перед работниками добывающей промышленности задачу: поиск методов и средств для их разработки.

В связи с этим, в последние десятилетия в нашей стране и за-рубежом получили широкое распространение геотехнологические способы добычи полезных ископаемых, имеющие серьезные преимущества перед традиционными способами эксплуатации месторождений. Среди них особое место занимает метод подземного выщелачивания (ПВ), при котором происходит избирательное извлечение полезного компонента химическим реагентом из руд на месте их залегания и последующее выделение из продуктивных растворов металла сорбционными и экстракционными методами.

Особенностью современности является развитие атомной энергетики и, как следствие этого, возрастающие потребности в уране. Способ выщелачивание находит широкое применение в уранодобывающей промышленности. Уран добывается с помощью скважин, в горных выработках и из рудничных вод.

Выщелачивание с помощью скважин предлагается применять для отработки рудных тел, залегающих в осадочных горных породах, проницаемых для воды и растворов выщелачивающих реагентов.

Большая часть минералов урана легко растворяется в минеральных кислотах и в горячих растворах щелочных карбонатов. В соответствии с этим существуют два основных процесса выщелачивания урановых руд: кислотное и карбонатное.

Так как большинство руд трудно поддается методам карбонатного выщелачивания, то чаще применяется кислотное выщелачивание. Однако карбонатный процесс имеет свои преимущества: затраты при его осуществлении ниже, чем при кислотном выщелачивании.

Решающим фактором при выборе способа выщелачивания является тип руды. В первичных рудах уран находится в восстановленном состоянии, а во вторичных — частично или полностью в окисленном состоянии.

Продуктивный раствор после подземного или кучного выщелачивания содержит шестивалентный уран.

Соотношение простых и комплексных ионов урана в сульфатных растворах изменяется в зависимости от избыточной кислотности раствора, содержания в нем сульфат-ионов и концентрации урана.

Приготовление выщелачивающего раствора

Закаченные скважины

Рудный пласт

Откаченные скважины

Продукционный раствор

Сорбция

Смола

* Раствор в оборот

Для кислого выщелачивания могут быть использованы азотная и соляная кислоты, но в основном применяется наиболее дешевая серная кислота. Серная кислота приводит к образованию в растворе сульфата уранила

(UO2SO4), который ионизируется с образованием не только катиона уранила UO22- и аниона сульфата SO42-, но также и комплексных анионов сульфата уранила и UO2(SO4)з4- и

На регенерацию И получения готового продукта

Схема промышленного процесса получения урана подземным выщелачиванием

UO2(SO4)22-. Растворенный уран встречается одновременно во всех трех формах.

Способы обработки кислых и щелочных растворов урана с целью получения концентратов различны. До недавнего времени все растворы обрабатывались методами осаждения. Однако постепенно процессы осаждения урана из кислых растворов заменяются ионообменными процессами.

Ионообменные смолы играют важную роль в очистке и концентрировании растворов после выщелачивания. Они позволяют упростить процессы выщелачивания руд, содержащих два или более ценных компонента. Например, для урано-ванадиевых руд, обрабатываемых с помощью солевого обжига, выщелачивания и промежуточного спекания, возможно, применить одно кислотное выщелачивание с последующим двухстадийным ионным обменом. В первой стадии сорбируется 6-валентный уран, а 4-валентный ванадий проходит через смолу, не сорбируясь. Затем раствор окисляется для перевода ванадия из 4-валентного состояния в 5-валентное и из него сорбируется и отдельно элюируется ванадий.

Пятивалентный ванадий сорбируется сильноосновными анионообменными смолами. Регенерация насыщенной ванадием смолы разбавленной серной кислотой позволяет получить конечный продукт в виде концентрата (окиси ванадия).

Процесс ионного обмена состоит из сорбции, десорбции и извлечения урана из промывных растворов или из регенерата. Десорбция позволяет не только перевести уран в раствор из смоляного слоя, но и регенерировать смолу для повторного использования ее. Из регенерата уран извлекается непосредственным осаждением.

Из кислых растворов уран может быть осажден щелочью, ионами фторида и фосфата, а также перекисью водорода. Для кислых растворов, в частности сернокислых, методы осаждения малоселективны. Поэтому при использовании методов осаждения из кислых растворов необходимо предварительно выделить нежелательные примеси, такие, как железо, алюминий и др.

С применением восстановления эффективность методов осаждения может быть увеличена. Восстановление урана до 4-валентного состояния в кислых растворах может быть осуществлено цинковой амальгамой, алюминием, железом; из восстановленного раствора можно осадить уран в виде фосфата, фторида и других солей

В табл. 1 приведены данные по содержанию и извлечению урана в концентрат, полученный при осаждении урана из сернокислого раствора

Осаждение можно вести из содовых растворов. При добавлении к такому раствору избытка едкого натра получают диураната натрия.

Имеются сведения об использовании водорода для восстановления урана из содовых растворов под давлением. После выделения урана раствор полностью регенерируется; необходима лишь добавка соды, израсходованной на реакцию.

С целью увеличения скорости реакции и полноты осаждения урана из содового раствора при восстановлении водородом применяется катализатор — порошок металлического никеля.

Закономерности динамики сорбционной переработки растворов. Одной из актуальных задач при сорбционной переработке растворов является полнота извлечения цепного Таблица 1

Характеристика уранового концентрата, полученного

при осаждении из сернокислого раствора

Метод осаждения Содержание U3O8 ,% Извлечение урана при осаждении, %

Нейтрализация окисью магния, фильтрация осадка, кислая отмывка при рН=3.5, вторая фильтрация и осаждения водорода 86,8 96,1

Восстановление раствора с последующим фосфатным осаждением 69,8 98,7

компонента при полном одновременном насыщении сорбента. Это достигается за счет многократного контакта одной и той же порции перерабатываемого раствора с различными порциями анионита с последовательно убывающим содержанием в нем сорбируемого компонента.

При фильтровании раствора через слои попита в указанных колоннах наблюдается уменьшение концентрации полезного компонента. Слой ионита, при прохождении которого концентрация ценного компонента убывает от исходного значения до его сбросного содержания, по предложению Н. А. Шилова называют длиной работающего слоя и обозначают Z0. Математическое описание работающего слоя легко выводится из уравнения Фика и Нернста и в общем виде представляется уравнением Шилова:

zo = W,nCzC =MinCz£

0 р Cj- C' DF Cj- C' где; W —скорость фильтрования раствора; в — кинетический коэффициент сорбции, равный DE/5; D— коэффициент диффузии в копите; F— суммарная поверхность гранул ионита или сорбента; С0 - исходная концентрация цепного компонента; С — конечная концентрация ценного компонента; C' — концентрация ценного компонента в пограничной пленке; 5 — толщина пограничной пленки, мм.

При низких концентрациях ценного компонента

После завершения формирования работающего слоя, или фронта сорбции, начинается его параллельное перемещение. Избыточная высота слоя h обеспечивает длительную работу аппарата без изменения на его выходе концентрации ценного компонента в переработанных растворах. Поэтому в целом длина рабочего слоя сорбента Ъ слагается из длины работающего слоя Ъ0 и избытка высоты слоя сорбента к Ъ=Ъo+h

Коэффициент полезного действия единовременной загрузки ионита в этом случае характеризуется величиной п:

П =КПД =

Наибольшее значение КПД получают в аппаратах непрерывного действия.

Многолетняя практика показала, что метод подземного выщелачивания урана особенно эффективен и предпочтителен при отработке относительно небольших пластово-инфильтра-ционных месторождений с низкосортными рудами, для которых практически невозможно или экономически нецелесообразно использование традиционных горно-шахтных способов.

По сравнению с обычными способами добычи полезного ископаемого, метод ПВ имеет ряд преимуществ, а именно:

- значительное уменьшение объемов таких дорогостоящих и трудоемких работ, как сооружение горных выработок, транспортирование руды, ее обогащение, дробление, измельчение;

- отсутствие необходимости в строительстве и эксплуатации хвостохранилищ;

- возможность сохранения в ненарушенном состоянии земной поверхности (после отработки месторождения земельные угодья могут быть использованы в сельском хозяйстве);

- возможность полной автоматизации процесса;

- коренное улучшение санитарно-гигиенических условий труда;

- резкое сокращение объемов промышленного и гражданского строительства;

- значительное сокращение сроков ввода в эксплуатацию и освоения промышленных мощностей;

-существенное уменьшение загрязнение окружающей среды;

-снижение себестоимости получения металлов и повышение производительности труда.

Но не смотря на это, метод подземного выщелачивания в настоящее время занимает небольшой удельный вес в общем объеме добычи полезных ископаемых. Частично это объясняется новизной процесса, малым количеством специальной систематизированной литературы по данному вопросу, а также недостаточным вниманием к запасам полезных ископаемых, заключенным в забалансовых рудах. Однако с уверенностью можно сказать, что дальнейший технический прогресс в технологии добычи многих полезных ископаемых и повышение использования разведанных запасов в недрах будут связаны с этим новым методом.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горный журнал №12. 1999.

2. Бахуров В.Г., Руднева И.К. Химическая добыча полезных ископаемых. Москва 1972г.

3. Аренс В.Ж. Физико-химическая геотехнология. Москва 2001г.

4. Под ред. Щеголова Д.И.«Добыча металлов способом выщелачивания» Москва. 1970г.

5. Под ред. Мамилова «Добыча урана методом ПВ » ЕШ

Huzhakulov A D.

THE STUDY ON THE MECHANISMS OF PROCESSES OF URANIUM RECOVERY DURING UNDERGROUND LEACHING

A theoretical and experimental study on the features of underground leaching of uranium ores is carried out.

Key words: Leaching, uranium minerals, leaching reagents, hydrometallurgical recovery of uranium.

— Коротко об авторе ------------------------

Хужакулов А.Д

Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru