Выщелачивание урановых руд

Помимо п прометал логических, в технологии урана широко применяются гидрометаллургические методы, заключающиеся в извлечении (выщелачивании) металлов из руд, концентратов и отходов при их обработке водными растворами химических реагентов с последующим выделением из полученных растворов металла или его химических соединений.

Гидролгеталлургия — извлечение металлов из руд, концентратов и отходов различных производств при помощи водных растворов химических реагентов с последующим выделением металлов из этих растворов. Основные операции — механическая обработка руды (дробление, измельчение, классификация, сгущение), изменение химического состава руды или концентрата (обжиг, спекание, разложение химическими реагентами), выщелачивание, обезвоживание и промывка, осветление растворов и удаление вредных примесей, осаждение металлов или их соединений из растворов, переработка осадков.

Рис. 3. Общая схема переработки урановых руд.

В гидрометаллургических схемах переработки рудного сырья выщелачивание проводят после измельчения руды и её обогащения. Механическая обработка приводит исходный материал в состояние, пригодное для выщелачивания. Это достигается его измельчением для того, чтобы растворитель мог легко проникнуть к частицам соединений извлекаемых металлов. Задачей химической обработки является перевод трудиорастворимых веществ в соединения, легко растворяющиеся в растворителях, что достигается обжигом материала: перед выщелачиванием руду обжигают в окислительной атмосфере (на воздухе) или в присутствии добавок (СаО,.

CaS0₄, H₂S0₄, сульфатов, хлоридов, фторосиликатов и др.), что способствует вскрытию минералов и переводу их в легкорастворимые химические соединения. Вслед за выщелачиванием проводят разделение жидкой и твердой фаз путем отстаивания, фильтрации и др. методами. Гидрометаллургическая переработка предварительно измельчённых урановых руд производится по кислотной или карбонатной схемам с применением необходимых интенсифицирующих агентов (нагрев, давление, добавка окислителей). Выбор схемы определяется химическим составом руд.

Рис. 4. Переработка урановых руд с использованием флокулянтов.

В классическом способе кислотного выщелачивания руда первоначально измельчается и обжигается для обезвоживания, удаляются утлеродсодержащие фракции, сульфатируется, восстановители, которые могут быть препятствием для выщелачивания, окисляются. Затем смесь обрабатывается серной и азотной кислотами. Уран переходит в сульфат уранила, радий и другие металлы в урановой руде оседают в виде сульфатов. С добавлением NaOH уран осаждается в виде Na₂U₂0₇-6H₂0. Классические методы извлечения урана из руды пополнены такими процедурами, как экстракция растворителями, ионным обменом, выпариванием.

U (IV) вскрывается серной кислотой очень медленно. Для повышения степени его вскрытия и увеличения скорости выщелачивания используются добавки окислителей: азотной кислоты, кислорода воздуха при по;

вышеннпм ПЯИЛЙНЫИ УПППЯТЯ нятпия и лп Шестивалентный уоан взаимодействует с кислотой намного легче:

Сернокислотное выщелачивание характеризуется высокой степенью извлечения урана из руды (90-^98%), но низкой степенью обогащения (содержание урана в солевой части раствора в 20 раз больше содержания его в руде, составляя 3-^5%). Процесс выщелачивания проводится при двух температурных режимах: при повышенной температуре (60−5-90° при атмосферном давлении); выщелачивание при комнатной температуре. Автоклавное выщелачивание позволяет уменьшить расход серной кислоты при вскрытии кислотоупорных урановых руд. Выщелачивание — медленный процесс, поэтому его интенсифицируют путём механического, ультразвукового и термического активирования твёрдых веществ, наложением электрических полей, с помощью вибраций и пульсаций.

Кислотное выщелачивание дешевле щёлочного, т.к. для извлечения урана используют серную кислоту'. Но если в исходном сырье, уран находится в четырёхвалентном состоянии, то этот способ неприменим: U (IV) в H₂S0₄ практически не растворяется. В этом случае нужно либо прибегнуть к щелочному выщелачиванию, либо окислить уран до U (VI). Не применяют кислотное выщелачивание и если урановый концентрат содержит доломит или магнетит, реагирующие с H₂S0₄. Здесь используется NaOH.

Карбонатное выщелачивание урана основано на образовании U (VI) растворимых комплексов натрия и аммония:

U (IV) не даёт растворимых карбонатных комплексов и не переходит в раствор, поэтому его необходимо окислить до U (VI). Чаще всего окисление производится кислородом воздуха при повышенном давлении в автоклава'' ^{пл na№, rau}*

При переработке урановых концентратов с помощью карбонатного процесса используется способность урана образовывать комплексные карбонаты, хорошо растворимые в воде, и практически не растворимые диуранаты. Для карбонатного выщелачивания применяют растворы, содержащие 5*10% Na₂C0₃ и 1*5% NaHC0₃. Уран переходит в карбонатный раствор в виде растворимого уранилкарбонатного комплекса. Процесс выщелачивания ведётся при температуре 60*115° в течение 4 час. Достоинством карбонатного метода является неагрессивность растворов для материала аппаратуры. Кроме того, карбонатно-бикарбонатные растворы могут быть использованы для выщелачивания свежих порций руды после выделения из них урана, так как в раствор переходит уран, а друтие металлы, как например железо, не растворяются в карбонатах. Недостатками карбонатного метода являются меньшее извлечение, чем при кислотном выщелачивании, и непригодность его для руд с высоким содержанием гипса или сульфидов, которые связывают большие количества карбоната.

Из щёлоков уран осаждается в виде нерастворимых соединений. В карбонатных щёлоках уран находится в виде устойчивого комплексного иона [U0₂(C0₃)₃]4-. Осаждение урана может быть проведено путём нейтрализации карбонатных щёлоков серной кислотой с последующим осаждением урана аммиаком в виде диураната аммония. Недостатком этого способа является большой расход реактивов, так как карбонатные растворы разрушаются в процессе осаждения. Можно провести осаждение урана в виде ураната натрия путём повышения pH карбонатных растворов щёлочью до гидролиза уранилкарбоната (при рН=12).

Выщелачивание урана можно осуществлять и карбонатом аммония, который более селективен по отношению к урану, чем сода. Он не реагирует с кремнекислотой, оксидами алюминия и железа. В раствор переходят никель, медь, образующие аммиачные комплексы. При выщелачивании идёт следующая реакция:

Выщелачивание производится при 120° в автоклаве, т.к. при атмосферном давлении карбонат аммония начинает разлагаться уже при 50°. После окончания выщелачивания пульпа охлаждается до 40°. После сброса давления товарный раствор отделяется от твёрдой фазы в системе четырёхступенчатой противоточной декантации.

Поскольку кислотное выщелачивание обеспечивает высокую скорость процесса и большую степень извлечения урана, а карбонатное выщелачивание даёт более высокую степень обогащения, то иногда их объединяют, чтобы использовать достоинства обоих методов.