Металлургия урана и технология его соединений Раздел 5

Металлургия урана и технология его соединений Раздел 5: Вскрытие урановых руд и концентратов

Вскрытие урановых руд и концентратов Раздел 5 • Технико-экономические основы выбора способа вскрытия. • Кислотное разложение руд и концентратов. • Технологические схемы и аппаратурное оформление агитационного, перколяционного, кучного и подземного методов выщелачивания. • Автоклавный процесс вскрытия урановых руд. • Щелочное вскрытие окисленных руд.

Вскрытие урановых руд и концентратов Раздел 5 • Автоклавное выщелачивание урана из неокисленных рудных материалов содовым раствором. • Способы вскрытия рудных материалов с предварительным обжигом. • Вскрытие рудных материалов хлорированием. • Извлечение урана из железных руд.

Вскрытие урановых руд и концентратов Кислотное выщелачивание урановых руд Для выщелачивания чаще всего используется серная кислота: • самая распространенная, • дешевая, • малолетучая. UO 3 + H 2 SO 4 = UO 2 SО 4 + H 2 O

Вскрытие урановых руд и концентратов Четырехвалентный уран вскрывается серной кислотой очень медленно. Для повышения степени вскрытия и увеличения скорости выщелачивания применяют добавки окислителей: • азотной кислоты, • кислорода воздуха при повышенном давлении, • хлората натрия и др.

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция окисления закиси-окиси урана пиролюзитом U 3 O 8 + Mn. O 2 + 4 H 2 SO 4 = 3 UO 2 SО 4 + Mn. SO 4 + 4 H 2 O Диоксид урана также оксиляется UO 2 + Mn. O 2 + 2 H 2 SO 4 = UO 2 SО 4 + Mn. SO 4 + 2 H 2 O

Вскрытие урановых руд и концентратов Механизм окисления диоксида урана в присутствии ионов железа UО 2(TB) + 2 Fe(водн)3+ = UО 22+(вод) + 2 Fe 2+(вoдн) 2 Fe 2+(водн) + Mn. O 2(тв) + 4 H+(водн) = = 2 Fe 3+(водн) + Mn 2+(водн) + H 2 O

Вскрытие урановых руд и концентратов Определение полноты окисления: ln a(ок)/а(восст) = n F (E - E 0) / R T полнота окисления будет тем больше, чем больше разность (Е – Е 0).

Вскрытие урановых руд и концентратов Формы урана в сернокислых растворах и соответствующие константы образования: UO 22+ + SО 42 - ↔ UО 2 SО 4, K 1 = 50, UO 22+ + 2 SО 42 - ↔ [UО 2(SО 4)2]2 -, K 2 = 350, UO 22+ + 3 SО 42 - ↔ [UО 2(SО 4)3]4 -, K 3 = 2500.

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакции вскрытия примесей

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция перехода кремнезема в коллоидный раствор кремнекислоты Реакция перехода глинозема в раствор

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция вскрытия гематита Реакция вскрытия Fe. O Реакция вскрытия сидерита

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция окисления Fe. SO 4 в присутствии пиролюзита Гидролизация сульфата трехвалентного железа

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакции вскрытия ванадия и фосфора K 2 O 2 UО 3 V 2 О 5 + 4 H 2 SО 4 = = K 2 SО 4 + 2 UО 2 SО 4 + (VО 2)2 SО 4 + 4 H 2 О Ca 3(PО 4)2 + 3 H 2 SО 4 = 3 Ca. SО 4 + 2 H 3 PО 4 Суммарная реакция вскрытия молибденита 2 Mo. S 2 + 14 HNО 3 + 6 H 2 SО 4 = = 7 N 2 О 3 + 2 H 4[Mo. О 2(SО 4)3] + 9 H 2 О + 4 SО 2

Вскрытие урановых руд и концентратов Схема водного выщелачивания урановых руд при автоклавном процессе

Вскрытие урановых руд и концентратов Результаты автоклавного водного выщелачивания Давление кислорода, 105 Па р. Н среды Степень извлечения, % урана меди 2, 8 1, 86 80 23 5, 6 1, 72 90 44 9, 8 1, 56 94 56

Вскрытие урановых руд и концентратов Карбонатное выщелачивание урановых руд Реакция образования шестивалентным ураном растворимых комплексов натрия и аммония UО 3 + 3 Na 2 CО 3 + Н 2 О = Na 4[UО 2(CО 3)3] + 2 Na. OH Реакция частичного осаждения урана в сильнощелочной среде 2 Na 4[UО 2(CО 3)3] + 6 Na. OH = = Na 2 U 2 O 7 + 6 Na 2 СO 3 + З Н 2 O

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция нейтрализации щелочи бикарбонатом натрия Na. OH + Na. HCO 3 = Na 2 CO 3 + H 2 O Реакция окисления четырехвалентного урана при карбонатном выщелачивании кислородом воздуха при повышенном давлении в автоклавах UO 2 + 3 Na 2 CO 3 + ½ O 2 + Н 2 O = = Na 4[UO 2(CO 3)3] + 2 Na. OH

Вскрытие урановых руд и концентратов Эмпирическое уравнение скорости карбонатного выщелачивания F – поверхность твердой фазы К 0 – константа скорости реакции р. О 2 – парциальное давление кислорода, атм 50000 – энергия активации Дж/моль

Вскрытие урановых руд и концентратов Автоклавное карбонатное выщелачивание при повышенном содержании сульфидов 2 Fe. S 2 + 8 Na 2 CО 3 + ½ О 2 + 7 Н 2 О = = 2 Fe(OH)3 + 4 Na 2 SО 4 + 8 Na. HCО 3

Вскрытие урановых руд и концентратов Вскрытие молибденита с получением молибдата натрия 2 Mo. S 2 + 6 Na 2 CО 3 + 9 О 2 = = 2 Na 2 Mo. О 4 + 4 Na 2 SО 4 + 6 CО 2

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция перехода карбонатов кальция и магния в раствор Ca(Mg)CО 3 + Na 2 CО 3 + H 2 О = Ca(Mg)(HCО 3)2 + 2 Na. OH Реакции перехода сульфатов или оксидов кальция и магния в раствор Ca(Mg)SО 4 + Na 2 CО 3 = Ca(Mg)CО 3 + Na 2 SО 4 Ca(Mg)О + Na 2 CО 3 + H 2 О = Ca(Mg)CО 3 + 2 Na. OH

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция вскрытия кремнезема карбонатами Si. О 2 + H 2 O = H 2 Si. О 3 + Na 2 CО 3 = Na 2 Si. О 3 + H 2 О + CО 2 Реакция образования карбонатных комплексов железа Fe 2 О 3 + 6 Na 2 CО 3 + 3 H 2 О = 2 Na 3[Fe(CО 3)3 + 6 Na. OH

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция образования алюмината натрия Аl 2 О 3 + 2 Na 2 CО 3 + Н 2 О = 2 Na. Al. О 2 + 2 Na. HCО 3 Реакция вскрытия фосфора Р 2 О 5 + 3 Na 2 CО 3 = 2 Na 3 PО 4 + 3 CО 2 Реакция вскрытия ванадия V 2 О 5 + Na 2 CО 3 = 2 Na. VО 3 + CО 2

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция вскрытия ванадия V 2 О 5 + Na 2 CО 3 = 2 Na. VО 3 + CО 2 Реакция вскрытия триоксида молибдена Мо. О 3 + Na 2 CО 3 = Na 2 Mo. О 4 + CО 2

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция выщелачивания урана карбонатом аммония UО 3 + 3 (NH 4)2 CО 3 + Н 2 О = (NH 4)4[UО 2(CО 3)3] + 2 NH 4 OH Образование осадка урана при кипячении товарного раствора без добавления реактивов 8 (NH 4)4[UО 2(CО 3)3] → → 3 UО 2 CО 3 • 2(NH 4)2 U 2 О 7 • UО 2(OH)2 • n. Н 2 O + + 28 NH 3 + 21 CO 2 + Н 2 O

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция термического разложения карбоната аммония

Вскрытие урановых руд и концентратов Технологическая схема выщелачивания с применением карбоната аммония

Вскрытие урановых руд и концентратов Кислотно-содовое выщелачивание Реакции кислотно-содового выщелачивания H 2 SO 4 + Na 2 CO 3 = Na 2 SO 4 + H 2 O + CO 2 UO 2 SO 4 + 3 Na 2 CO 3 = Na 4[UO 2(CO 3)3] + Na 2 SO 4 Fe 2(SO 4)3 + 3 Na 2 CO 3 + 3 H 2 O = = З Nа 2 SO 4 + 2 Fe(OH)3 + 3 CO 2 Al 2(SO 4)3 + 3 Na 2 CO 3 + 3 H 2 O = = 3 Na 2 SO 4 + 2 Al(OH)3 + 3 CO 2 Mg(Ca)SO 4 + Na 2 CO 3 = Mg(Ca)CO 3 + Na 2 SO 4

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакция перехода железа в раствор в присутствии СО 2 Fe. CO 3 + Н 2 O + CO 2 = Fe(HCО 3)2 Реакции с ванадием и фосфором при кислотно-содовом выщелачивании (VO 2)2 SO 4 + 2 Na 2 CO 3 = 2 Na. VO 3 + Na 2 SO 4 + 2 CO 2 2 H 3 PO 4 + 3 Na 2 CO 3 = 2 Na 3 PO 4 + 3 H 2 O + 3 CO 2

Вскрытие урановых руд и концентратов Аппаратура процессов выщелачивания выщелачивание осуществляется двумя методами: • агитационным • перколяционным

Вскрытие урановых руд и концентратов Агитатор с механическим перемешиванием: 1 – пропеллерная мешалка, 2 - дефлектор

Вскрытие урановых руд и концентратов Схема аппаратов с пневматическим перемешиванием (типа пачуков) с циркулятором (а) и со свободным и транспортным эрлифтами (б) 1 – корпус, 2 – центральная циркуляционная труба, 3 – патрубок для подачи пульпы, 4 – отражатель, 5 – слив для пульпы, 6 – транспортный эрлифт, 7 – свободный эрлифт

Вскрытие урановых руд и концентратов Каскады выщелачивания из трёх аппаратов с механическим перемешиванием (а) и из трёх пачуков (б) I – подача пульпы, II – пульпа на разделение фаз

Вскрытие урановых руд и концентратов Аппарат со взвешенным слоем 1 и 5 – линии для подачи твёрдого материала и выщелачивающего раствора, 2– 4 – линии вывода осветлённого раствора (2), илов (3) и песков (4)

Вскрытие урановых руд и концентратов Пульсационный аппарат для выщелачивания 1 – корпус, 2 – пульсационное перемешивающее устройство, 3 – пульсационная камера, 4 – генератор импульсов, 5 – электродвигатель, 6 – ресивер

Вскрытие урановых руд и концентратов Пульсационные колонны для выщелачивания со смешанным и прямоточным движением фаз I – осветлённый раствор, II – исходная пульпа, III – выщелачивающий раствор, IV – пульпа после выщелачивания 1 – корпус, 2 – разделительная головка, 3 – отстойная зона, 4 – тарелки КРИМЗ, 5 – пульсационная камера

Вскрытие урановых руд и концентратов Горизонтальные многосекционные (а) и вертикальный (б) автоклавы I – пульпа, II – выщелачивающий реагент, 1 – корпус, 2 – валы мешалок, 3 – перегородки камер, 4 – пропеллерные мешалки, 5 – смотровое окно

Вскрытие урановых руд и концентратов Аппараты (перколяторы) для перколяционного выщелачивания: а – с движением раствора под действием силы тяжести (сверху вниз), б – с принудительной циркуляцией раствора (снизу вверх I – выщелачивающий раствор, II – раствор на дальнейшую переработку

Вскрытие урановых руд и концентратов Кучное выщелачивание 1 – штабель кучного выщелачивания, 4 – трубопровод рабочих растворов, 6 – насосная станция, 7 – зумпф, 8 – гидронепроницаемое основание, 9 – аэрационная система, 10 – оросительная система

Вскрытие урановых руд и концентратов Подземное выщелачивание - это способ разработки рудных месторождений избирательным переводом полезного компонента в жидкую фазу непосредственно в недрах с последующей переработкой продуктивных растворов. В этом способе реализован прием переноса перколяции в место залегания рудного материала.

Вскрытие урановых руд и концентратов Ролл 1 - зона неокисленных сероцветных пород, 2 - зона начального минералообразования с малым содержанием урана, 3 - зона уранонакопления, 4 - зона обогащения в тыловой части ролла, 5 - зона окисления, 6 - останцы урановых минералов в глинистых и углистых включениях

Вскрытие урановых руд и концентратов Разрез нагнетательной и продукционной скважин

Вскрытие урановых руд и концентратов Конструкция эксплуатационных скважин: а – откачная скважина, б – закачная скважина 1 – обсадная труба под погружной насос, 2 – обсадная труба 110*18, 3 – утяжелитель, 4 – цементная пробка, 5 – гравийная засыпка, 6 – фильтр, 7 – отстойник

Вскрытие урановых руд и концентратов ε = 1 – exp(-K 1 Ж/Т) ε – степень извлечения урана, доли единицы, К 1 – коэффициент, Ж/Т – отношение объёма пропущенного раствора к горнорудной массе пласта, м 3/т. ε = 1 – exp(-K 1 K 2 τ) K 2 = Qn/Vгр. м. – коэффициент растворопереработки, К 1 имеет постоянное значение, а К 2 – переменное. Общее кинематическое уравнение процесса выщелачивания: -d. C/dτ = F D / δ 1 (C 1 – C 2)

Вскрытие урановых руд и концентратов ε - степень извлечения урана, доли единицы; К 1 - коэффициент, учитывающий влияние на процесс многочисленных факторов, как природных (тип урановой минерализации), так и технологических (природа и концентрация выщелачивающих растворов); Ж/Т - отношение объема пропущенного раствора к горнорудной массе пласта, м 3/т.

Вскрытие урановых руд и концентратов Ж/Т = Q n τ / Vгр. м. Q - годовой дебит ячейки, м 3/год; n - число ячеек; τ - время отработки, лет; Vгр. м - объем горнорудной массы, т выражение для ε можно записать в виде: ε=1 -ехр(-K 1 K 2 τ) К 2 = Q n / Vгр. м - коэффициент растворопроработки; причем К 1 имеет постоянное значение, а К 2 - переменное.

Вскрытие урановых руд и концентратов Реакции бактериального выщелачивания

Вскрытие урановых руд и концентратов Кислотно-бикарбонатная схема (мини-реагентная схема) Реакция получения бикарбонатов

Вскрытие урановых руд и концентратов Схема опытного участка месторождения с трещинной проницаемостью руд

Вскрытие урановых руд и концентратов Пояснения к схеме: 1 -сорбционная колонна; 2 – десорбционная колонна; 3 – емкость для продуктивных растворов; 4 – емкость смеситель; 5 – емкость для рабочих растворов; 6 – емкость для реагента; 7 – отстойник; 8 – скважины нагнетательные, пробуренные с поверхности; 9 – скважины разгрузочные подземные; 10 – скважины подземные нагнетательные; 11 – насос; 12 – хвостохранилище; 13 – скважина вентиляционная; 14 – трубопровод рабочих растворов; 15 – трубопровод продуктивных растворов; 16 – автоцистерна для транспортировки товарного регенерата на ГМЗ