Лабораторные исследования процесса выщелачивания урана сернокислотными растворами, активированными ультразвуком Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

--© В.М. Лизункин, A.A. Морозов,

A.A. Гаврилов, И.В. Лизункин, 2012

УДК 622.234/42

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

ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНА СЕРНОКИСЛОТНЫМИ РАСТВОРАМИ, АКТИВИРОВАННЫМИ УЛЬТРАЗВУКОМ

Описано 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 перколяционном выщелачивании и обеспечить низкие остаточные содержания полезного компонента по всей высоте рудного слоя, в отличие от традиционной технологии. Проведен пересчет на одинаковое содержание урана в руде.

Ключевые слова: ультразвук, водородный потенциал, кавитация, уран.

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 pH, окислительно-восстановительного потенциала ОВП, кислотности H2SO4 и трехвалентного железа III) в зависимости 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 %), 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 часов), образует новые устойчивые комплексы солей, при этом двухвалентное железо активно окисляется до трехвалентного. Однако, дальнейшая активация продуктивных растворов для перколяционного выщелачивания не целесообразна по причине разрушения сорбента за счет кавитационных явлений.

Наиболее эффективно применение ультразвуковой активации растворов орошения, т.к. за счет разру-

шения 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 часов 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, раз-

Таблица 1

Результаты тестовых исследований

делен 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 инфильтрационный, непрерывный. Полный цикл отработки материала включал периоды «закисления», «активного выщелачивания» и доработки руды. Кислотность на стадии «за-кисления» 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.

Параметры ^акт, ^общ., Расход И2803 Ж:Т, Содержание Извлечение

сут сут кг/т кг/кг Ме м3/т Ме растворе ср. взв., гр/дм3 по кеку, %

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

аисх = 0,092 % акек = 0,016 % 8 = (аисх акек)/аисх 100 % = (0,092— -0,016)/0,092 * 100 % = 82,6 %

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

аисх = 0,087 % акек = 0,014 % 8 = (аисх акек)/аисх 100 % = (0,087-0,014)/0,087 * 100 % = 83,9 %

Таблица 2

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

Класс Масса, кг Выход ЭУДЫ1, % Содержание, % Кол-во U, гр

круп- без акти- с актива- без акти- с акти- без акти- с акти- без акти- с актива-

ности вации циеи вации вацией вации вациеи вации циеи

+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 УДЫ, % Содержание, % Кол-во U, гр

без активации с актива-циеи без активации с актива-циеИ без активации с актива-циеи без активации с актива-циеи

+40 -40+25 -25+10 -10+5 5,6 7,08 2,26 5,17 7,39 2,39 37,5 47,4 15,1 34,6 49,4 16,0 0,044 0,031 0,019 0,016 0,042 0,016 2,44 2,17 0,43 0,85 3,07 0,39

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

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

а

Вреыи 0<здейстек1у1ьт[юа(у1<м 0,5 шш. 1 ннн. - 1,5 нин. ^ 2 мин. _^_5инм. ц 10 МИН.

б

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

II

а ;

0,5 мин

бремя лфоаедекип а чалил, час. е(.ыт 1оч«*ст1й« ультрткувдм

дни . 1 ^ мни, л 1м

. 5мин. .и

биемя проеедени энт*з».и*с

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

а

-Ш- 0.5мим. 1М)Н- -А- 1.5мин. 2мин. 5мии. -44- 10иим.

1 " г 8 8 1

врми фОММ1 чл ЯНМЮОС, ЦК.

Рис. 4. Зависимость изменения кислотности от времени проведения анализа: а —

продуктивные растворы, б — растворы орошения

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

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 растворов орошения протекал наиболее интенсивно на 3 — 5 сутки проведения исследования, в дальнейшем он замедлился, но остался в среднем на 2,5 % выше обычного технологического процесса.

Химическим анализом кеков выщелачивания установлено, что традиционные 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.

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 сравнительной оценки было поставлено два опыта в колоннах-перколяторах (диаметр колонн d15 кг=130 мм, высота слоя hen = 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.

Материал орошали круглосуточно с интенсивностью 5^6 л/час-м2. Продуктивные растворы подвергались сорб-ционной 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 Fe3+/2+. При этом замерялись показатели рН и 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 по-

Рис. 6. Зависимость извлечения и концентрации урана от времени выщелачивания (по жидкой фазе)

X о

<u 2 h

Время выщелачивания, сут.

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

2

1

1

0

ф Без активации

С активацией --1-1-

0 12 3 4

Номера слоев (сверху - вниз)

Рис. 9. Распределение остаточного содержания полезного компонента по слоям

лезного 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 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

Рис. 10. Зависимость извлечения и концентрации урана от времени выщелачивания (по жидкой фазе)

20 18 16 I- 14

5

а 12

I

3 10

— без акти ваци с ак тивац ией

-

8

а §

X £ Рч

Время выщелачивания, сут 11. Зависимость расхода серной кислоты от времени выщелачивания

Время выщелачивания, сут.

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

сырья при перколяционном 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.

Номера слоев (сверху вниз)

Рис. 13. Распределение содержания полезного компонента по слоям полно и равномерно извлекать металл из рудного

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Лизункин Владимир Михайлович — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой, Читинский государственный университет, е-шаП: [email protected], заведующий горным отделом Института природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук, е-шаП: [email protected],

Морозов Александр Анатольевич — кандидат технических наук, заведующий геотехнологической лабораторией ЦНИЛ, «Приаргунское производственное горно-химическое объединение»,

Гаврилов Александр Александрович — аспирант, Читинский государственный университет е-шаП: [email protected],.

Лизункин Иван Владимирович — аспирант, Читинский государственный университет, е-шаП: [email protected].