Подземное химическое и бактериально-химическое выщелачивании урана

Лекция 14. Подземное химическое и бактериально – химическое выщелачивании урана

План:

1. Подземное выщелачивание урана.

2. Практика применения метода подземного выщелачивания урановых руд.

Цель занятий:

       Дать студентам  сведения о подземном химическом и бактериально - химическом выщелачивании урана.

Опорные слова:

Рекомендуемые материалы

процесс, компонент, трещина, эксплуатация, форма, просачивание, затопления кусков, растворитель, орошений, кислород, цементная, установка, извлечения.

1. Подземному выщелачиванию или выщелачиванию на месте залегания подвергаются забалансовые руды, целики, потерянные и обрушенные породы. Процесс это применяется значительно реже, чем кучное. Это объясняется большим количеством факторов, обусловленных горно-геологическими, гидрогеологическими и топографическими условиями залегания рудных тел.

При изучении горно-геологических условий определяются форма и пространственное размещение выщелачиваемой массы, наличие деформаций, разломов и трещин, которые приводят к сбросам и потерям выщелачивающих и продуктивных растворов. Размеры рудных тел по простиранию и в глубину определяют систему подачи растворов, которая зависит также от положения уровня грунтовых вод.

Выщелачивание просачиванием применяется для раздробленной горной массы, когда растворы не затопляют ее, а проходят постепенно через нее, позволяя кислороду диффундировать к поверхности частиц, что необходимо при наличии микроорганизмов.

Затопление горной массы применяется тогда, когда нет прямого доступа  к горной массе, например, в забоях небольшой мощности. При таком способе нарушается режим аэрации и значительно ухудшается обеспечении кислородом, т.е. снижается эффективность бактериальных процессов.

При разбрызгивании при помощи установок типа дождевальных, выщелачивающие растворы подаются на обнаженную поверхность руды.

Продукционные растворы при подземном выщелачивания  собираются на нижнем водонепроницаемом горизонте, откуда перекачиваются на поверхность для цементационного или экстракционного извлечения выщелачиваемого металла.

При подземном выщелачивании температура сохраняется практически в течение всего года. Даже в районах, где зима длится несколько месяцев и температура составляет всего 0⁰С, выщелачивание проводится  успешно. Например, при температуре воздуха – 5⁰С, температура выщелачивающих растворов составляет +2⁰С, температура продукционных растворов составляет в течение всего года + 11⁰С. Даже при температуре зимой – 25⁰С, а летом + 15⁰С, температура в шахте составляет + 8⁰С, а растворов 6-7⁰С. От температуры выщелачивающих растворов зависит, прежде всего процесс бактериального выщелачивания сульфидных минералов, скорость которого значительно снижается при температуре менее 10-12⁰С.

При подземном выщелачивании большое значение приобретает проницаемость и степень трещиноватости рудной массы. При достаточно естественной проницаемости растворы и воздух свободно проходят через рудное тело. При низкой степени проницаемости рудная масса подвергается дроблению, для чего применяются кумулятивные взрывы с помощью химических взрывчатых веществ. При таком дроблении размер кусков составляет 230-300 мм, что значительно повышает степень разрыхления и проницаемость рудной массы.

Схема процесса подземного выщелачивания (рис. 14.1) аналогична схеме процесса кучного выщелачивания.

Рис.14. 1 Схема установки подземного бактериального выщелачивания

1 – узел подкисления; 2 – насосная станция; 3 – скважины орошения; 4 – рудное тело;5 – шахтный горизонт; 6 – продуктивный раствор; 7 – регенерационный прудок; 8 – насосная станция; 9 – перемычка; 21 и 25 – блоки

По этой схеме подземное бактериально - химическое выщела-чивание руд колчеданного типа осуществляется на участке месторождения  рудного массива длиной около 200 м и шириной 40-60 м. С поверхности до глубины 30-70 мм пробурены скважины с сеткой 10 х 10 м. На орошение рудного тела, залегающего на глубине 200 м подаются хвостовые растворы цементационной установки после предварительной регенерации их в специальном бактериальном прудке, имеющим размер 150 х 200 м. Под действием бактерий и кислорода закисное железо окисляется до оксидного После регенерации выщелачивающие растворы, содержащие до 2 г/л Fe²⁺, и 10⁶ кл/мл бактерий A.ferrooxidans и имеющие рН 2,5 и температуру 13-14⁰С, по трубопроводу  подаются на орошаемый участок, откуда по полиэтиленовым шлангам поступают в пробуренные скважины. Орошение проводится 5-7 суток, затем просушивание.

Медьсодержащие продукционные растворы, прошедшие через рудное тело, собираются на одном из горизонтов шахты и из накопителя насосами подаются на поверхность в цементационные ванны. Наличие в выщелачиваемом растворе сульфата аммония, как питательной соли для бактерий, повышает их активность более чем в 2 раза и увеличивает их количество.

2. Подземное химическое и бактериально - химическое  выще-лачивание урана.

Производство урана в капиталистических странах в настоя­щее время составляет свыше 40 тыс. т. в год, и потребление его к 1985 г. может возрасти до 70 тыс. в год. В связи с пред­полагаемым ростом потребления урана разрабатываются но­вые месторождения, строятся новые заводы по обогащению урана, усовершенствуется технология обогащения урановых руд, а также все более широко внедряются процессы выщелачива­ния урана из отработанных месторождений, отвалов и бедных руд.

Для гидрометаллургической переработки урановых руд наиболее широко применяется кислотное выщелачивание слабыми растворами серной кислоты в присутствии окислителей или без них. В растворах серной кислоты хорошо растворяются мине­ралы, в которых уран находится в шестивалентном состоянии. При выщелачивании урановых руд в растворе всегда будут на­ходиться ионы железа, образующиеся при кислотном растворе­нии железосодержащих минералов, например пирита.

При кислотном выщелачивании при рН 1-2 окисление урана осуществляется с участием ионов трехвалентного железа по следующей реакции:

UО₂ + 2Fе³⁺ = UО²₂⁺ + 2Fе²⁺                                                          (1)

Получаемое при этом двухвалентное железо окисляется   при добавлении окислителей до трехвалентного состояния:

2Fе²+ + МпО₂ + 4Н+ = 2Fе³+ + Мп²+ + 2Н₂О                          (2)

6Fе²⁺ + СlО^-₃ + 6Н⁺ = 6Fе³⁺ + Сl ^- + ЗН₂О                                  (3)

Оптимальная скорость растворения UO₂ достигается при соот­ношении Fе³⁺ : Fе²⁺ =1:1 при концентрации Fе³⁺ от 0,5 до 2 г/л.

Если в выщелачиваемых рудах присутствует пирит вместо применяемых окислителей, например, пиролюзита, хлората калия или азотной кислоты, возможно использование продуктов его бактериального окисления. Как известно  при бактериальном окислении пирита получается серная кислота и окислитель - сульфат окиси железа.

Растворение урановых минералов при бактериальном выще­лачивании происходит по тем же реакциям, что и при кислот­ном растворении

UO₃ + Н₂SО₄ = UO₂SО₄ + Н₂О                                      (4)

UO₂ + Fе₂ (SО₄)₃ = UO₂SО₄ + 2FеSО₄.                              (5)

Опыт. промышленного подземного выщелачивания урана имеется в Канаде, Франции и Португалии. Общими условиями

для проведения этого процесса являются те же, что и при под­земном выщелачивании меди.

Обычно подземное выщелачивание урана - химическое или бактериально - химическое применяется для руд с невысоким содержанием карбонатов. Характеристика структуры вмещаю­щих пород имеет большое значение для определения пригодно­сти этого метода. Кроме того, рудная залежь должна иметь горизонтальную форму и располагаться на сравнительно непро­ницаемых породах и ниже статического уровня грунтовых вод, а рудное тело должно иметь достаточную величину, конечная концентрация урана в растворах должна удовлетворять эконо­мическим требованиям к процессу извлечения урана.

В Канаде в промышленных условиях проводится бактери­альное выщелачивание урановых руд месторождения Элиот - Лейк. На шахте «Стенрок» кислые шахтные воды содержат 1812 г/м³ UзО8, которая осаждалась известью вместе с железом. Уран в, рудах этого месторождения присутствует в виде окиси, которая хорошо растворяется продуктами бактериального окис­ления пирита. Подземное выщелачивание урана проводится в 1200 забоях общей площадью 460-650 м². Орошение бакте­риальными растворами и промывка бортов забоев осуществ­ляются в дневную и вечернюю смену - 7 дней в неделю. Еже­дневно орошается 12 забоев. Цикл орошения повторяется через 3 месяца. Выщелачивающие растворы при рН 2,3-2,8 проходят через рудное тело и собираются в подземные резервуары, куда для предотвращения коррозии трубопроводов и насосов добав­ляется аммоний до рН 5. Затем растворы подаются на поверх­ность, где для перевода солей железа и урана" в раствор рН снижается до 2,4. Раствор очищается и направляется на извле­чение урана ионообменными смолами или осаждением аммо­нием. Таким способом ежегодно добывается более 60 т U₃O₈, стоимость которого составляет 0,69 долл. за 1 кг.

При подземном выщелачивании на руднике «Шели Бэйзин» (Канада) направление и скорость потоков выщелачивающего раствора регулируются расположением дренажных скважин, которые пробуриваются в рудном теле. Распределительные скважины имеют диаметр 76 мм и располагаются по три на рас­стоянии 7,6 м от приемной скважины диаметром 203 мм. Сква­жины герметизируются и начинают действовать после введения растворов через высоконапорные форсунки до тех пор, пока скорость вытекающего раствора не достигнет требуемого уровня. После насыщения рудного тела выщелачивающими растворами кислотность выходящего раствора достигает 5 г/л Н₂SО₄. При скорости потока 284 л/мин уран появляется в продуктивном растворе через 48 ч при концентрации 0,2-0,35 г/л. .Иногда в качестве окислителя в растворы добавляется хлорат натрия, а также флокулянт, который улучшает условия прохождения растворов через малопроницаемый материал.

Подземное бактериальное выщелачивание урана осуществ­ляется также на руднике «Милликен» (Канада), где этим спо­собом ежегодно добывается около 60 т U₃O₈.

Около 20 лет на некоторых урановых месторождениях Франции извлекается из шахтных вод уран. Примером может служить рудник «Экарпьер». В этом районе широко распрост­ранена урановая минерализация, которая приурочена к зонам контакта гранитов с метаморфическими породами. Оставшиеся после подземной разработки руды целики оказались сильно разрушенными. Содержание урана в добываемых рудах состав­ляет около 0,08 %, имеются участки, содержащие только 0,02-0,04 % урана. Переработка этих руд обычными методами ока­залась неэкономичной, поэтому были проведены исследования по возможности применения в этом районе процесса подзем­ного выщелачивания.

Извлечение урана с помощью ионообменных смол осущест­влялось сначала из растворов, вытекающих из-под складов руды и отвалов. Количество раствора было очень незначительно и целиком зависело от количества атмосферных осадков. Напри­мер, из растворов, содержащих 150-250 мг/л урана, извлека­лось в месяц не более 200 кг металла. При сильных дождях шахтные воды рудника содержали 40 мг/л растворенного урана при рН 4 и дебите 160 м³/ч. Это позволило разработать проект извлечения урана непосредственно из рудной залежи и значи­тельно снизить потери металла с шахтными водами.

Для улавливания рудничных вод на пяти горизонтах руд­ника, которые располагаются один от другого на расстоянии 40 м, была построена дренажная система, которая позволила отделить минерализованные урансодержащие руды от немине­рализованных. Испытания позволили разработать схему, по ко­торой все минерализованные воды, имеющие рН 3, собираются по полиэтиленовым трубам на горизонтах 160 и 200 м и насос­ной станцией, расположенной на горизонте 160 м, подаются на поверхность в четыре резервуара общей вместимостью 1000 м³.

Для устранения зависимости объема шахтных вод от коли­чества атмосферных осадков дренажная сеть была дополнена разветвленной системой подачи воды в отдельные участки руд­ника с устройством вводов в отработанные камеры. Извлечение металла в 1966 г. достигло 2,5 т в месяц при концентрации в шахтных водах 100 мг/л.

Расширена и ионообменная установка гидрометаллургиче­ского завода, где к восьми имеющимся реакционным колоннам было добавлено еще три. Производительность предприятия со­ставила в 1966 г. 35 т урана. Во время лабораторных исследо­ваний из шахтных вод была выделена культура тионовых мик­роорганизмов, специфичных для месторождения «Экарпьер» и обладающих чрезвычайно высокой активностью, что позволяет говорить о биологическом характере выщелачивания урана.

Технико-экономические расчеты показали, что при запасах урана 2000 т и при извлечении его 50%, капиталовложения, необходимые для дополнительного получения урана 25 т/год, окупятся в течение одного года при минимальном содержании урана в растворах 14 мг/л. Отработку месторождения подзем­ным бактериально-химическим выщелачиванием предполагалось завершить в 1975 г. при ежегодном производстве урана 35 т.

Метод подземного выщелачивания урановых руд был при­менен на шахте «Шапель-Ларжио» того же бассейна. Общие запасы урана на этом участке месторождения составляли около 6 тыс. т при среднем содержании урана в рудах 0,1 %. Шахта расположена в 40 км от завода, поэтому уран из минерализо­ванных вод осаждался в бассейнах известью, а затем осадок, представляющий собой неочищенный уранат кальция с содер­жанием 20-10 % урана, доставлялся на завод в цистернах .

Подземное выщелачивание урана осуществляется также на рудниках Франции «Бружо», «Сань», где добывается ежегодно от 6 до 45 т урана в год.

Вопросы для повторения:

1.   Выщелачивание на месте залегания и его принципиальное отличие от других видов выщелачивания?

2.  Проницаемость и его роль при подземном выщелачивании ?

3. Опишите схему установки  подземного и бактериального выщелачивания?

4.Напишите  реакцию растворения  урановых минералов при бактериальном выщелачивании? 

5. Практика применения ПВ зарубежными предприятиями?

Предмет: «Биотехнологические процессы в металлургии»

Преподаватель: доц. Абдурахманов Э.  

Количество студентов и курс: 48 студентов, 4 курс

Продолжительность занятия: 80 минут

 

Технология «Смысл понятие»