28

Лекция №1

Характеристика курса. Уран в природе: природные изотопы урана, их применение; содержание и распределение урана в природе; минералы урана, руды и месторождения. Общая схема переработки урановых руд с получением рудных, химических концентратов и металлического урана.

Курс рассчитан на 1 семестр – 32 часа лекций, 16 часов лабораторных работ, по окончании – зачет и экзамен.

Литература:

1. Громов. Введение в химическую технологию урана.

2. Общая химическая технология. под ред. Мухленова.

3. Основы жидкостной экстракции. Под ред. Ягодина

Курс ОСХТ представляет собой изучение химической технологии урана. Химическая технология урана является наукой о методах и процессах химической переработки природных урановых руд в конечную продукцию – металлический уран, оксиды урана, фториды и другие соединения урана высокой степени чистоты. Уран в атомной технике применяют в качестве основного источника ядерного топлива, причем используют как сам металлический уран, так и его соединения. Среди конечной (товарной) продукции урановой технологии выделяют три вида: металлический уран, диоксид урана и гексафторид урана UF₆. Они являются наиболее важными продуктами и определяют направления дальнейшего использования урана в атомной технике.

Многообразие форм конечных и промежуточных соединений урана, а следовательно, технологических методов, многочисленность стадий, высокие требования к качеству конечной продукции обуславливают сложность технологии урана. Поэтому для освоения курса необходимы знания по процессам и аппаратам, радиохимии. В свою очередь изучение данного курса необходимо для освоения последующих спецкурсов, для курсового и дипломного проектирования.

При совершенствовании технологических процессов велика роль экономики, т.е. нахождения и разработки наиболее экономичных методов переработки продуктов.

Химическая технология – это наука о наиболее экономичных методах и процессах химической переработки сырья в продукты потребления и средства производства. Она основана на процессах, ведущих к изменению состава, строения и свойств исходных продуктов и осуществляемых в результате химических реакций. В задачу химической технологии входит исследование физико-химических условий производственных процессов и вспомогательных операций, разработка схем технологических процессов, определение принципиальных конструкций аппаратов и приборов и выбор материалов для их изготовления. Основные элементы всякого химико-технологического процесса – сырье, энергия и аппаратура.

Сырьем называются природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов. Исходным материалом многих производств является сырье, уже подвергшееся промышленной переработке, которое называется основным материалом или полуфабрикатом.

Некоторые химические производства используют в качестве сырья отходы и побочные продукты других производств.

Уран в природе

Уран относят к числу редких и рассеянных элементов, он присутствует в малых количествах повсюду. Его кларк составляет 3·10^-4 % , т.е. примерно 10¹⁵тонн, его в 1000 раз больше чем золота, и примерно столько же, сколько цинка или свинца. Он считается вездесущим элементом. Это объясняется несколькими причинами:

• ядро урана-238 (наиболее часто встречающегося изотопа) состоит из четного числа протонов и нейтронов, а такие ядра наиболее распространены в природе;

• уран обладает наибольшим сродством к кислороду, это типичный литофильный элемент (т.е. встречающийся в природе в виде кислородсодержащих элементов), в связи с чем он сконцентрировался в литосфере, в кислых породах;

• период полураспада U-238 соизмерим с возрастом Земли. Благодаря этому в земной коре сохранилась значительная часть первоначального урана, тогда как многие другие радиоактивные элементы с коротким периодом полураспада, первоначально существовавшие в земной коре, сохраниться не могли.

В водах морей и океанов содержится примерно 3,3·10^-6 г/л, причем концентрация урана в водах рек иногда на порядок выше, чем в водах морей.

Содержание урана в метеоритах намного меньше, чем в земных породах 10^-7 г/г метеорита. Присутствие урана на Солнце или других звездах с достоверностью установить не удалось, ядро Земли также, вероятнее всего, не содержит уран.

В организмах животных и растениях содержится некоторое количество урана. Следует отметить, что в живых организмах урана не накапливается, а лишь задерживается, исключение составляют абрикосы и водоросли.

Такая повсеместная распространенность урана объясняется не только высоким кларком, но и его физическими и химическими свойствами, такими как высокой химической активностью, большим атомным радиусом, многовалентностью, относительно высокой растворимостью некоторых соединений урана (IV) и т.д.

Свойства, которые обуславливают широкую распространенность урана в природе, вызывают в тоже время его рассеивание. Поэтому основная масса урана в земной коре рассеяна и лишь небольшая сконцентрирована в месторождениях, откуда его и добывают. Миграция урана наиболее характерна для верхней части земной коры, так называемой зоны гипергенеза.

Гипергенез – это совокупность процессов физического и химического преобразования минеральных веществ в верхней части земной коры и на ее поверхности под действием атмосферы, гидросферы и живых организмов.

В зоне гипергенеза воды, солнечная энергия и живые организмы создают условия, благоприятные как для рассеивания, так и для концентрации урана. Исключительно важную роль здесь играют окислительно-восстановительные процессы, с ними связано образование крупнейших промышленных месторождений урана.

Формы нахождения урана в горных породах

Наиболее детально были изучены Вернадским, который считал, что уран в породах земной коры:

1. образует собственные урановые минералы

2. изоморфно входит в кристаллические структуры минералов, образованных другими элементами

3. находится в горной породе в состоянии тончайшего рассеяния.

Рассеянный уран может находиться в одном из трех ионных состояний:

1. сорбированным на гранях роста кристаллов

2. фиксированным в дефектах кристаллических решеток

3. растворенным в составе жидких включений.

Т.о. собственные минералы урана – лишь одна из форм нахождения его в природе, в количественных отношениях не преобладающая.

Природные изотопы урана

Природный урана представляет собой смесь трех изотопов: уран-234, 235, 238. Относительное содержание этих изотопов составляет:

Уран-238 - 99,27%

Уран-235 - 0,72%

Уран-234 - 0,01%

Существуют и другие (искусственные) изотопы урана - всего 14.

Уран-238 и уран-234 относятся у семейству 4n+2 (т.е. к семейству урана-238 или урана-радия)

²³⁸U → α + ²³⁴₉₀Th

²³⁴₉₀Th → β + ²³⁴₉₁Pa

²³⁴₉₁Pa → β + ²³⁴₉₂U

Т.о. уран-234 и уран-238 находятся в генетической связи, уран-234 – «правнук» урана-238.

Уран-235 генетически не связан в земной природе с ураном-238 и ураном-234.

уран-234, 235, 238 – α-излучатели.

Периоды их полураспада составляют соответственно:

Уран-238 4,5·10⁹ лет (4,5 млрд. лет)

Уран-235 0,71·10⁹ лет (почти млрд. лет)

Уран-234 2,5·10⁵ (четверть млн. лет)

Энергия излучения изотопов урана:

Уран-234

По α: 4,768 Мэв

Изотоп урана-235 имеет совершенно особые свойства и особое значение. Как было показано в начале 1939 года, он делится на медленных нейтронах с выделением огромного количества энергии. Это деление ядра урана сопровождается вылетом большего числа нейтронов, чем было затрачено на деление. Ядерная реакция имеет вид:

²³⁵U + n → x + y + (2 ÷ 3)n + Q

x, y – продукты деления урана.

При делении ядер урана-235 на 1 кг этого изотопа выделяется энергия, эквивалентная взрыву 20 тыс. тонн тринитротолуола, что и является основой создания ядерной бомбы и использования урана как мощного источника энергии для промышленных целей.

Способность к делению урана-235 может быть использована не только для получения огромного количества энергии, но и для синтеза важных актиноидных трансурановых элементов.

Природный уран может быть использован для производства нейтронов в реакторах, где осуществляется цепная реакция, которая поддерживается вследствие постоянного воспроизводства нейтронов, образующихся при делении урана-235, являющегося первичным ядерным топливом.

Избыток нейтронов может захватываться естественным изотопом урана-238, в результате чего образуется новый искусственный элемент плутоний – вторичное ядерное топливо:

_{β β}

²³⁸U + n → ²³⁹U → ²³⁹Np → ²³⁹Pu

Т.о. наиболее распространенный уран-238 может превращаться в плутоний-239, способный делиться на быстрых нейтронах.

Изотопы уран-235 и плутоний-239 – два основных вида ядерного топлива. Задача состоит в их получении из природного урана, точнее из урановой руды, и выделение в чистом (ядерно-чистом) виде.

Урановые минералы, руды, месторождения

Минерал – природная гомогенная составная часть земной коры, обладающая определенным химическим составом и кристаллической структурой.

Не следует смешивать понятия минерал и горная порода. Горная порода – совокупность агрегатов минералов более или менее постоянного состава, образующая самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. Т.е. земная кора состоит из горных пород, а горные породы из минералов.

В настоящее время известно около 200 урановых и урансодержащих минералов примерно в 100 из них содержится > 1% урана.

Как известно, в водных растворах уран способен существовать в нескольких валентных состояниях. Собственно урановые минералы делятся на первичные минералы четырехвалентного урана и вторичные минералы - шестивалентного урана.

В IV-валентном состоянии уран находиться в виде иона U⁴⁺. Ионный радиус 0,9 ангстрем, близок к радиусу тория, кальция, РЗЭ. Вследствие этого склонен к изоморфизму с указанными элементами.

В VI-валентном состоянии уран находится в виде иона UO₂²⁺ . Средний ионный радиус 3,22А, значительно превышает радиусы большинства катионов, распространенных в природе. Поэтому UO₂²⁺ не может входить в катионные части решетки других минералов и обособляется почти исключительно в виде многочисленных собственных минералов урана.

По характеру химических соединений урановые минералы делят на 5 групп:

1. простые оксиды;

2. простые силикаты;

3. сложные оксиды;

4. гидроксиды;

5. гидратированные соли.

Из простых оксидов наибольшее промышленное значение имеют минералы, состав которых выражают общей формулой yUO₃· zPbO . К этой группе минералов относят уранинит, настуран (урановая смолка), урановые черни.

К группе простых силикатов относятся минералы коффинит U(SiO₄)_1-x(OH)_4x 0<x<1 и ураноторит Th_1-xU_xSiO₄ 0<x<1.

Сложные оксиды урана (или титато-танталовые-ниобаты) – минералы соответствующие по составу основной формуле А_xB_yO_z , где А – это РЗЭ, уран, торий, кальций, магний, цирконий и др.

В - ниобий, тантал, титан, олово, калий;

Отношение x : y может изменяться от 1:1 до 1:2.

Урановые и урансодержащие руды

Рудой называется природное минеральное сырье, содержащее металлы или их соединения в количестве и в виде, пригодном для их промышленного экономически выгодного извлечения при данном состоянии экономики и техники.

Руды содержат как ценные минералы, так и минералы пустой породы.

Состав и свойства урановых руд существенно влияют на технологию их переработки.

Урановые руды отличаются исключительным многообразием. В большинстве случаев уран в рудах представлен не одним, а несколькими минеральными образованиями с самыми разными физико-химическими свойствами.

Все промышленные урановые руды классифицируются по следующим принципам:

1. по характеру урановой минерализации. они делятся на:

1. первичные руды, содержащие уран главным образом (не менее 75%) в виде эндогенных минералов, не подвергающихся процессам окисления. Это например, месторождения уранинита, настурана или др. урановых минералов, содержащих в основном IV-валентный уран.

2. вторичные руды, содержащие уран главным образом (не менее 75%) в виде экзогенных минералов в VI-валентной форме.

3. смешанные руды, содержащие смесь эндогенных и экзогенных минералов урана в количестве не более 75% и не менее 25% каждой группы.

2. по контрастности (т.е. неравномерности содержания урана в кусках горной породы) горнорудной массы различают:

1. контрастные руды – смесь богатых ураном штуфов и обломком с низким содержанием урана; содержание урана в штуфах в десятки раз превышает среднее по породе.

2. среднеконтрастные руды – со сравнительно небольшим превышением среднего содержания урана в породе ( в 3-5 раз)

3. слабоконтрастные – с относительно равномерным содержанием урана по всей массе породы.

2. по размерам минеральных агрегатов различают руды:

   1. крупнозернистые (25 – 300 мм)

   2. среднезернистые (3 – 25 мм)

   3. мелкозернистые (0,1 - 3 мм)

   4. тонкозернистые (0,015 – 0,1 мм)

   5. эмульсионные, субмикроскопические (0,001 – 0,015 мм)

   6. коллоидно-дисперсные (<0,0001 мм)

Этот признак очень важен для процессов измельчения руд, обогащения и гидрометаллургической переработки .

2. по содержанию урана в руде:

   1. 1 сорт – очень богатая руда > 1%

   2. 2 сорт – богатая руда 1 – 0,5%

   3. 3 сорт - средняя руда 0,5 - 0,25%

   4. 4 сорт – рядовая руда 0,25 – 0,09%

   5. 5 сорт – бедная руда < 0,09% до нижнего промышленного предела.

Сейчас считают экономически целесообразным перерабатывать урановые руды с содержанием 0,05 – 0,07% U₃O₈ ( 0.01 – 0.03% U).

2. по минеральному и химическому составу

По химическому составу нерудной составляющей различают следующие урановые руды:

1. силикатные и алюмосиликатные (содержащие 95% кварца, силикатных или алюмосиликатных минералов)

2. карбонатные (содержащие карбонаты от 6% и более)

3. сульфидные

4. промышленные железные руды

5. фосфатные

6. каустобиолитовые (твердые битумы, песчаники, углистые и битуминозные сланцы)

Минеральный и химический состав горнорудной массы определяет выбор, состав и общий расход реагентов на гидрометаллургическую переработку руды. Химический состав вмещающей породы имеет часто решающее значение при выборе способа переработки урановых руд. Например, из силикатных руд уран обычно извлекают растворами серной кислоты, из карбонатных – содовыми растворами.

Общая схема получения урановых химических концентратов

Основные признаки промышленных урановых руд в значительной степени предопределяют последующую технологию их переработки. В настоящее время обязательные стадии при получении урановых концентратов – дробление и измельчение, выщелачивание измельченной руды, селективное выделение урана из растворов в виде тех или иных соединений. На этой стадии чаще всего применяют три основных метода: осадительный, сорбционный и экстракционный. Иногда используют сочетание этих методов.

р уда

Дробление, измельчение

Физические методы обогащения

Ионообменная сорбция

Осадительная технология

Жидкостная экстракция

Высокотемпературная обработка

Извлечение урана из руд (выщелачивание) кислотное, карбонатное

Урановый химический

концентрат

Лекция №2

Методы описания химико-технологических процессов.

В химической технологии рассматривается совокупность физических и химических явлений, из комплекса которых складывается химико-технологический процесс. Существуют следующие методы описания ХТП:

- текстовое описание

- принципиальная технологическая схема (блок-схема)

- аппаратурная схема (с использованием условных обозначений)

- химическая схема

- математическое описание процесса.

Составив технологическую схему производства и определив основные направления потоков сырья, полупродуктов и готовой продукции, приступают к составлению материального и энергетического балансов.

Материальный баланс – вещественное выражение закона сохранения массы вещества, согласно которому во всякой замкнутой системе масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ образовавшихся в результате взаимодействия, т.е. масса веществ, поступивших на технологическую операцию – приход, равна массе полученных веществ -

расходу. Материальный баланс составляют по основной суммарной реакции с учетом параллельных и побочных реакций. Обычно учитывают не все реакции и полученные побочные продукты, а лишь имеющие наиболее существенное значение, поэтому материальный баланс имеет приближенный характер. Материальный баланс обычно составляется из расчета расхода сырья и получения побочных продуктов на единицу (кг, тонна) основного продукта. Определение массы веществ производится для твердой, жидкой и газовых фаз, поэтому баланс выражается обычно формулой:

G_ж + G _тв + G_г = G_ж^/ + G _тв^/ + G_г^/

Массы веществ, массы продуктов

поступивших на

данную операцию

Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии: в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна. Обычно составляется тепловой баланс: приход теплоты в данной операции должен быть равен расходу ее в той же операции.

Тепловой баланс составляют по данным материального баланса и тепловых эффектов химических реакций и физических превращений, происходящих в аппарате, с учетом подвода теплоты извне и отвода ее с продуктами реакции, а также через стенки аппарата. Тепловой баланс рассчитывается по уравнениям:

Q_тв + Q_ж + Q_г + Q_ф + Q_р + Q_п = Q_тв^/ + Q_ж^/ + Q_г^/ + Q_ф^/ + Q_р^/+ Q_п^/

Q_тв , Q_ж , Q_г – количества теплоты, вносимые с поступающими в аппарат твердыми, жидкими и газообразными материалами;

Q_ф ,Q_ф^/ - теплоты физических процессов, происходящие с выделением или поглощением теплоты;

Q_{р ,} Q_р^/ - теплота экзо- и эндотермической реакции;

Q_{п, -} количество теплоты, подводимое в аппарат извне;

Q_п^/ - потери теплоты в окружающую среду и отвод ее через холодильники, помещенные внутри аппарата.

Механические методы обработки урановой руды: дробление, измельчение. Методы обогащения – радиометрический, гравитационный, флотационный, магнитной сепарации

Методы добычи урановых руд в общем аналогичны методам добычи других редких и цветных металлов. Однако урановые руды имеют свои особенности, прежде всего к ним относятся:

• характерное свойство урана – рассеянность;

• очень малое вкрапление урановых минералов в пустой породе, часто достигает значения менее 10 – 100 мкм;

• экранировка зерен урановых минералов пустой породой, обуславливающая необходимость ее разрушения перед вскрытием химическими реагентами.

Задачи дробления и измельчения урановых руд

В общем случае задачей дробления и измельчения перед химической обработкой является физическое разделение урановых минералов и пустой породы. Для этого потребовалось бы огромная степень (кратность) измельчения: в несколько десятков тысяч раз.

Но на практике никогда не требуется такое сильное измельчение, так как для более или менее успешного осуществления гидрометаллургического процесса достаточно измельчения до 0,3 - 0,7 мм (при этом достигается частичное обнажение урановых минералов). При этом в дальнейшем удается извлечь до 98% урана. Важно отметить вредность переизмельчения. Переизмельчение вредно по следующим причинам:

• бесполезно возрастают затраты электроэнергии;

• увеличение расхода реагентов;

• трудности обезвоживания твердого остатка после выщелачивания.

В отличие от технологии большинства редких и цветных металлов, где главная задача это получение богатых концентратов, главная цель технологии урана – получение отвальных хвостов с минимальной потерей урана, т.к. получение богатых концентратов, как правило, практически невозможно из-за очень тонкого вкрапления урановых минералов

Т.о. основная задача дробления – это физическое отделение пустой породы, не содержащей урана. Для решения этой задачи достаточно относительно грубое измельчение.

Основой обогащения служит различие физических или физико-химических свойств урановых минералов и пустой породы. Например, их неодинаковая радиоактивность – основа радиометрического метода обогащения урановых руд; различная плотность – основа гравитационного метода обогащения; неодинаковая смачиваемость – основа флотационного метода.

Каждый вид обогащения требует своей степени измельчения. Пределы измельчения: для радиометрического обогащения: 300-25 мм; для гравитационного – 10-0,07 мм; для флотационного обогащения – 0,15 – 0,07 мм.

Т.о. требуемая степень измельчения зависит как от характера руды, так и от дальнейшей схемы ее переработки, а также от экономических показателей. Обычно затраты на измельчение составляют не менее 10% стоимости конечного продукта.

Обычно необходимая степень измельчения не достигается в одном аппарате, и материал последовательно проходит стадии: крупного дробления (размер кусков исходного материала 1500 – 300 мм, размер кусков измельченного продукта 300 – 100 мм, т.е. степень измельчения 2 – 6), среднего дробления (размер кусков исходного материала 300 – 100 мм, размер кусков дробленого продукта 50 – 10 мм, т.е. степень измельчения 5 – 10) мелкого дробления (размер кусков исходного материала 50 – 10 мм, размер кусков дробленого продукта 10 – 2 мм, т.е. степень измельчения 10 – 50) и тонкого измельчения (размер кусков исходного материала 15 – 5 мм, размер кусков дробленого продукта 2 – 0,05 мм, т.е. степень измельчения 50 и более).

Основными определяющими факторами при разработке схемы крупного и среднего дробления являются:

1. характеристика материала по влажности и твердости;

2. размеры самых крупных кусков

3. размеры самых крупных кусков, направляемые на среднее дробление и тонкое измельчение

4. производительность отделения крупного и среднего дробления.

Аппаратурой для крупного и среднего дробления служат соответственно щековые и конусные дробилки и конусные и валковые дробилки, работающие по принципу раздавливания и истирания.

Чаще всего на стадии крупного дробления устанавливают щековую дробилку. Исходный материал в этот аппарат поступает сверху и измельчается между неподвижной и подвижной щеками. Разрушение кусков материала происходит вследствие периодического раздавливания или раскалывания.

Для среднего дробления чаще всего используют конусные дробилки. Конусные дробилки крупного дробления имеют обычно крутой внутренний конус, а дробилки среднего дробления - пологий и короткий внутренний конус. Энергетические затраты при использовании конусных дробилок меньше, чем при использовании щековых дробилок. Но устройство конусных дробилок более сложно

Аппараты крупного и среднего дробления обычно работают в открытом цикле, дробленый материал больше не возвращается в дробилку. Принцип «не дробить ничего лишнего» предусматривает обязательность классификации, т.е. сортировки продукта по крупности до и после каждого измельчающего аппарата. Это сокращает загрузку дробилок, исключает переизмельчение, позволяет достигать равномерности помола, что весьма существенного для некоторых последующих процессов (флотации, гравитационного обогащения). В качестве классификаторов применяют грохота-решетки, вибрационные грохота. Процесс классификации, проводимый на ситах и грохотах, называется грохочением. Если используется разность скоростей падения частиц в воде или воздухе, то процесс называется гидравлической или воздушной классификацией.

Один из важнейших показателей работы грохотов – коэффициент полезного действия – это отношение количества нижнего (мелкого) класса, прошедшего через грохот, ко всему количеству этого класса с размером частиц, меньшими размеров отверстий в решете грохота.

На стадии тонкого измельчения процесс чаще всего осуществляется в замкнутом цикле, т.е. недоизмельченный материал возвращается в мельницу. Тонкое измельчение обычно осуществляется в водное среде или содовом растворе при отношении Т : Ж = 1 : 1. для тонкого измельчения обычно применяются шаровые и стержневые мельницы. В отличие от крупного и среднего дробления тонкое измельчение осуществляется непрерывно в потоке жидкой пульпы, пропускаемой через аппаратуру.

На операции тонкого измельчения определяющими факторами являются характер минерализации и специфика последующей переработки сырья.

Особенности обогащения урановых руд

Обогащением называют совокупность процессов первичной обработки минерального сырья, цель которого - отделение полезных минералов от пустой породы. Основой так называемого механического обогащения, как уже говорили, является различие физических и физико-химических свойств полезных минералов и пустой породы. При таком обогащении происходит не изменение состава минералов, а лишь их механическое разделение. Поэтому механическое обогащение можно использовать только для определенных типов сырья, т.к. урановые минералы, как правило, более или менее равномерно рассеянны в пустой породе.

Если же для руды характерна неравномерность распределения урана, то использование методов механического обогащения оправдано. При этом уменьшается расход реагентов на вскрытие, сокращается объем технологического оборудования, необходимого для операции выщелачивания и последующих процессов переработки.

При механическом обогащении решаются различные задачи:

• получение богатых концентратов и пустой породы;

• разделение руды на продукты разного состава (например, на силикаты и карбонаты)

• удаление нежелательных для последующих процессов примесей (в частности, сульфидов)

• извлечение сопутствующих урану ценных компонентов и т.д.

Продуктами обогащения являются концентраты, хвосты и промпродукты. Обычно в отвальные хвосты уходит 5 – 15% всего урана. Понятие хвосты – условно. Хвосты старых урановых обогатительных фабрик в настоящее время служат сырьем для извлечения из них урана.

Методы обогащения урановых руд имеют свою специфику.

В технологии урана наиболее важны следующие три метода механического обогащения: радиометрический, гравитационный, флотационный.

1. радиометрическое обогащение.

Очень эффективный и важный метод обогащения бедных урановых руд. При большом разнообразии физических и физико-химических свойств урансодержащих минералов, все они обладают одним общим свойством – радиоактивностью, обусловленной неизменным спутником природного урана – радием. Сущность процесса радиометрического обогащения или сепарации, основанного на измерении интенсивности γ-излучения, заключается в автоматизированном разделении рудной массы на продукты с кондиционным и отвальным содержанием урана. Для успешного использования этого принципы требуется неравномерность распределения урана по отдельным кускам, т.е. руда должна быть контрастной.

Аппаратурное оформление в принципе состоит из питателя, регистрирующего устройства (счетчик Гейгера-Мюллера), сбрасывающего механизма.

В зависимости от вещественного состава руд и других факторов радиометрическое обогащение можно применять как единственный обогатительный процесс или в сочетании с другими способами обогащения.

Схема радиометрического обогащения урановой руды

И сходная руда 400 – 300 мм

Р адиометрическая контрольная станция (РКС)

Богатая руда бедная руда отвал

Г рохочение

Дробление - 150-200 мм

Г рохочение

Радиометрическая сепарация

Концентрат

Хвосты

Вся добытая горная масса в процессе ее транспортировки в вагонетках или других стандартных емкостях проходит через РКС. На РКС осуществляются учет добытого урана, выявление основной массы пустой породы и удаление ее в отвал, разделение руды на сорта, если позволяет контрастность руды. Так получают лишь грубый концентрат, который направляют на вторую стадию радиометрического обогащения.

Перед второй стадией продукт подвергается дробления до крупности 200 мм и грохочению на 3 – 4 класса. Для класса крупностью 30 мм радиометрическое обогащение, как правило, не проводится. На второй стадии радиометрического обогащения часто применяют многоканальный сепаратор с установленными в нем детекторами излучения. Выход отвальных хвостов достигает 70 – 80% от массы сортируемого материала.

2. Гравитационное обогащение

Основой метода гравитационного обогащения является различие плотности урановых минералов и минералов пустой породы, что позволяет производить разделение этих минералов по скорости их падения в жидкой или иногда газообразной среде.

Плотность примерно 70% всех породообразующих минералов равна 2,4 – 2,9 г/см³, в то время как основные урановые минералы (уранинит, настуран) в 3 – 4 раза тяжелее минералов пустой породы. Некоторые минералы (урановые черни) очень мягки и для них гравитационное обогащение не эффективно (в процессе дробления они переходят преимущественно в мелкие классы).

Наиболее подходящие объекты гравитационного обогащения – руды, содержащие уранинит, настуран и другие тяжелые урановые минералы в виде зерен, не шламующихся при измельчении, и ассоциированные с магнетитом или гематитом.

Виды гравитационного обогащения: отсадка, концентрирование на столах, обогащение в тяжелых суспензиях.

Отсадка – процесс разделения смеси минеральных зерен различной плотности в восходящей вертикальной пульсирующей струе воды (или воздуха).

При использовании концентрационных столов разделение минеральных зерен по плотности происходит в струе воды на плоской, слегка наклонной (по диагонали) поверхности стола, снабженной нарифлениями. Концентрационный столы позволяют разделять даже тонковкрапленные руды, но применяется очень редко из-за низкой производительности и потребности в больших площадях.

При обогащении в тяжелых средах (минеральных суспензиях) используют водные суспензии магнетита и т.п., образующие тяжелые гомогенные среды. В суспензии зерна минералов либо тонут, либо всплывают, хотя процесс протекает очень медленно вследствие большой вязкости среды.

3. Флотационное обогащение.

Флотационный процесс основан на прилипании частиц несмачивающихся минералов к пузырькам воздуха при аэрации пульпы и вынесении их этими пузырьками на поверхность (флотация означает всплывание). Частицы смачиваемых минералов остаются в воде. Понятно, что при этом плотность минералов не имеет значения. Гидрофобизации (т.е. способность не смачиваться жидкостью, не взаимодействовать с жидкостью) поверхности извлекаемых минералов и образования пены, к которой прилипают флотируемые минералы, достигают искусственно добавлением флотореагентов, причем расход их очень мал.

Но флотационный метод обогащения урановых руд нерентабелен. Объясняется это: 1) тонкой вкрапленностью урановых руд; 2) окисленным состоянием урана; 3) трудностью подбора реагентов-коллекторов; 4) сложностью схем.

Для решения частных задач флотацию все же иногда применяют. Флотацию иногда используют для выделения имеющихся в урановых рудах (а также в радиометрических и гравитационных урановорудных концентратов) сульфидных минералов и разделения руды или концентратов на карбонатный и силикатный продукты.

Лекция №3

Кислотное и карбонатное выщелачивание уранового сырья; характеристика пульп и растворов, получаемых в результате выщелачивания. Принципиальные схемы, основные стадии; техника выщелачивания, аппаратура. Особенности подземного выщелачивания.

Методы механического обогащения урановых руд (радиометрический, гравитационный, флотация) в настоящее время являются лишь вспомогательными способами предварительной обработки руд в тех случаях, когда это является экономически выгодным.

Основным методом обогащения урановых руд и получения достаточно богатых и чистых урановых концентратов является химическое концентрирование, которое заключается в селективном выщелачивании урана из рудного сырья с последующим, также селективным выделением из раствора достаточно чистых соединений урана – так называемых урановых химических концентратов.

Выщелачивание – это перевод в раствор одного или нескольких компонентов под действием соответствующих технических растворителей: воды, водных растворов кислот, щелочей или оснований, растворов некоторых солей (например, соды) и т.д.

Основная цель выщелачивания – наиболее полное и селективное растворение урана.

Несмотря на многообразие типов минералов и руд, содержащих урна, большая их часть растворяется в минеральных кислотах и горячих растворах карбонатов щелочных металлов. В соответствие с этим существует два основных способа выщелачивания урановых руд: кислотное и карбонатное (содовое). Выбор кислотного или карбонатного процесса зависит главным образом от типа руды.

Большинство руд перерабатывают, используя кислотное выщелачивание, которое осуществляется легче карбонатного, т.к. минералы урана растворяются лучше в кислоте.

При выборе процесса большое значение имеет состав пустой породы. Если в руде присутствует кальцит или магнезит, то целесообразнее использовать карбонатное выщелачивание, так как кислотное в этом случае требует большего количества реагентов. Наоборот, при извлечении урана из руд с высоким содержанием диоксида кремния следует применять кислотное выщелачивание, так как он практически инертен по отношению к кислотам.

Выбор реагентов для выщелачивания следует проводить, учитывая коррозионную активность их водных растворов. В гидрометаллургии уран используются аппараты большого размера, на изготовление которых требуется много конструкционных материалов. Следовательно, необходимо выбирать дешевые стойкие материалы.

Процессы выщелачивания различаются не только по виду применяемых реагентов, но и по принципиальному аппаратурному оформлению. Существует перколяционный и агитационный методы выщелачивания.

При использовании перколяционного метода слой руды неподвижен, а выщелачивающие растворы просачиваются через относительно крупный кусковой материал. Агитационный метод предусматривает совместное перемешивание смеси тонкоизмельченной руды и выщелачивающих растворов.

Достоинства перколяционного метода: отсутствие фильтрации, так как растворы из перколятора выходят прозрачными; простота аппаратуры. Но этот метод имеет и существенные недостатки: малая скорость выщелачивания; периодичность загрузки и работы в целом; большие объемы аппаратуры; трудность автоматизации процесса; необходимость работы с крупнокусковым материалом (не менее 2 – 5 мм), что сказывается на полноте извлечения урана.

При выщелачивании урановых руд преобладает агитационный метод. Он обеспечивает чрезвычайно интенсивное перемешивание взвеси урановой руды в растворителе.