ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ АГИТАЦИОННОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УРАНА ИЗ РУД ЧЕРНОСЛАНЦЕВОГО ТИПА

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследования по агитационному сернокислотному выщелачиванию руд черносланцевого типа на примере рудопроявления Устук (Узбекистан). В качестве выщелачивающего реагента использованы различные концентрации серной кислоты. Для определения оптимальных параметров атмосферного сернокислотного выщелачивания изучены различные параметры, влияющие на степень извлечения металлов: температурный режим, концентрация серной кислоты, продолжительность выщелачивания. Приведены данные о содержании металлов в продуктивном растворе укрупненного опыта агитационного атмосферного сернокислотного выщелачивания пробы. В результате исследований определены оптимальные параметры для селективного извлечения урана из руд черносланцевого типа. Для селективного извлечения урана из руд черносланцевого типа процесс агитационного атмосферного выщелачивания необходимо провести при условии: Т:Ж=1:3, времени выщелачивания 2 часа, температуре 25℃, концентрация серной кислоты -20-30 г/л. При этом в раствор выщелачивания извлекается уран на уровне 77,3-80,0%.

ABSTRACT

The article presents the results of a study on agitated sulfuric acid leaching of black shale-type ores using the example of the Ustuk ore occurrence (Uzbekistan). Various concentrations of sulfuric acid were used as a leaching reagent. To determine the optimal parameters for atmospheric sulfuric acid leaching, various parameters affecting the degree of metal recovery were studied: temperature, sulfuric acid concentration, leaching duration. Data on the content of metals in the productive solution of an enlarged experiment of agitation atmospheric sulfuric acid leaching of a sample are presented. As a result of the research, the optimal parameters for the selective extraction of uranium from black shale ores were determined. To selectively extract uranium from black shale-type ores, the process of agitated atmospheric leaching must be carried out under the conditions: T:L = 1:3, leaching time 2 hours, temperature 25℃, sulfuric acid concentration -20-30 g/l. In this case, uranium is extracted into the leaching solution at a level of 77.3-80.0%.

Ключевые слова: сернокислотное выщелачивание, руда черносланцевого типа, рудопроявление, редкоземельные элементы, извлечение.

Keywords: sulfuric acid leaching, black shale type ore, ore occurrence, rare earth elements, extraction.

Цель исследований

В настоящее время в Узбекистане основным источником извлечения урана являются гидрогенные месторождения урана песчаникового типа. Освоение этих месторождений производится методом подземного выщелачивания, на месте залегания руд.

Истощение разрабатываемых разведанных запасов урана на месторождениях песчаникового типа требует вовлечения в переработку новых открытых нетрадиционных типов урановых месторождений.

В республике имеются утвержденные запасы урана в рудах черносланцевого типа, пригодных для открытой отработки. Руды черносланцевого типа в Узбекистане относятся к нетрадиционным промышленным рудам, которые, как правило, характеризуются низким содержанием основных полезных компонентов, комплексным минеральным составом и труднообогатимостью. Наиболее характерны для черных сланцев Узбекистана - U, V, Мо, Re, Y, Sc, редкоземельные и другие элементы. В связи с этим, весьма актуальная является разработка новой комплексной технологии извлечения редких металлов из руд черносланцевого типа и внедрение ее в производство.

Черные сланцы – это водно-осадочные часто метаморфизованные горные породы, имеющие темный оттенок, обогащенные многофазным органическим веществом, в основном аквагенного и метаморфогенно-терригенного типов [1].

В данной статье рассмотрены возможности селективного извлечения урана из руд для упрощения дальнейшей переработки продуктивных растворов и процессов разделения металлов.

Выщелачивание представляет избирательное растворение одного или нескольких ценных компонентов из минерального сырья с использованием растворов минеральных кислот, щелочей и солей. В литературе имеются сведения о методах выщелачивания [2-3].

Проведены поисковые исследования по агитационному сернокислотному выщелачиванию пробы руд черносланцевого типа, которые включали атмосферное сернокислотное выщелачивание при различных условиях.

Цель работ состоит в определении основных параметров агитационного сернокислотного выщелачивания для селективного извлечения урана из руд черносланцевого типа на примере рудопроявления Устук (Узбекистан).

Материалы

Для исследований отобрана технологическая проба из руд черносланцевого типа рудопроявления Устук.

В табл. 1. представлены результаты химического анализа исследуемой пробы. Из приведенных данных следует, что пробы характеризуются типичным алюмосиликатным составом: 83,44% SiO₂ и 1,89% Al₂O₃. В пробе содержание сульфидной серы не высокое, составляет 0,003 % S_{сульфид}. Содержание CO₂ в пробе составляет 0,96%.

В табл. 2 приведены результаты масс-спектрального анализа (ICP-MS). Из табл. 2 следуют, что пробы руд рудопроявления Устук содержат 170 г/т урана, 2500 г/т ванадия, 150 г/т молибдена и 241 г/т редкоземельных элементов (РЗЭ).

Таблица 1.

Результаты химического анализа основных породообразующих компонентов (%) исследуемой пробы

Таблица 2.

Содержание отдельных элементов (г/т) в пробе руд рудопроявления Устук по данным масс-спектрометрического анализа (ICP-MS)

В результате изучения химического состава проб рудопроявления Устук делается вывод, что основным металлов для технологического извлечения является уран, в качестве сопутствующих компонентов в процессе извлечения урана попутно может извлекаться ванадий, рений, редкоземельные, молибден и др. металлы.

Методы

Проведены поисковые опыты по агитационному сернокислотному выщелачиванию пробы руд черносланцевого типа в различных условиях. В рамках этих исследований проведено атмосферное сернокислотное выщелачивания.

С целью определения оптимальных параметров извлечения ценных компонентов из руды проводилось атмосферное кислотное выщелачивание растворами серной кислоты.

1. Эксперименты по исследованию влияния температурного режима на извлечение урана при заданных условиях: температура от 25°С до 90°С, концентрация кислоты H₂SO₄  100 г/л, Т:Ж = 1:2, продолжительность выщелачивания 2 ч, крупность пробы 0,1 мм.

2. Эксперименты по исследованию влияния продолжительности выщелачивания в интервале 0,5-5 часов на извлечение металлов из пробы, при концентрации кислоты H₂SO₄ 100 г/л, Т:Ж = 1:2, Т=25 ℃, крупность пробы - 0,1 мм. Измерения проводились с интервалом 0,5 час.

3. Эксперименты по исследованию зависимость извлечения металлов от концентрации серной кислоты проведены в заданных условиях: расход серной кислоты H₂SO₄ - 10, 30, 50, 70, 100, 150, 200 г/л, Т:Ж = 1:2, Т=25℃, продолжительность выщелачивания 2 ч, крупность пробы - 0,1 мм.

4. Для селективного извлечения урана проведены исследования по агитационному выщелачиванию пробы раствором серной кислоты 20 и 30 г/л при температуре 25 ℃. Условия проведения выщелачивания: соотношение Т:Ж =1:3, продолжительность процесса 2 ч, крупность пробы -0,1 мм.

Опыты 1-4 по атмосферному выщелачиванию проб проводилось в термостойких стаканах и колбах емкостью 0,5 и 1,0 л под тягой. Агитация пульпы проводилась механическим и пневматическим способами.

5. Высокотемпературное агитационное выщелачивание пробы проводилось на реакторе 4534 Parr Instrument Company (США). Условия проведения опытов: соотношение Т:Ж = 1:3, продолжительность процесса 2 ч, крупность пробы -0,1 мм, температура Т=100℃, скорость перемешивания 500 об/мин.

6. Укрупненные опыты по выщелачиванию проводились на реакторе марки РП-0,03 ПВДФ, который разработанный и изготовленный компанией АО «ГК «РУСРЕДМЕТ», выполнен из материала ПВДФ имеет диапазон рабочей температуры от -30 до +140°С. Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. В реактор предварительно заливалось требуемое количество воды и серной кислоты, перемешивали в течении 2-3 мин, после чего постепенно порциями загружалась проба. Включался обогрев и терморегулятор. Пульпа выдерживалась при заданной температуре, постоянном перемешивании в течение указанного времени. По истечении определенного интервала времени отбиралась пульпа, фильтровалась и промывалась. Фильтрат, промывные воды и кек сдавали на определение содержания ценных компонентов и примесей. Условия: концентрация серной кислоты -20 г/л, Т:Ж=1:3, время выщелачивания 2 часа, температура 25℃. Вес пробы составил 20 кг.

Для изучения вещественного состава проб использовались химический, рентгенофлуоресцентный, рентгеноспектральный, масс-спектрометрический (ISP-MS) и др. методы анализа.

Результаты и их обсуждение

Результаты выщелачивания приведены на рис. 1-5.

На рис.1 представлены результаты исследования влияния температуры на процесс атмосферного кислотного выщелачивания пробы.

Рисунок 1. Влияние температуры на извлечение металлов при агитационном атмосферном выщелачивании пробы

Как видно из графиков, влияние температуры на извлечение урана, ванадия, молибдена и редкоземельных элементов из пробы в раствор незначительно. Так извлечение урана в раствор составило 87-91% в интервале температуры (с 25°С до 90°С). А извлечение ванадия, молибдена и РЗЭ в раствор составило 21-28%, 5-11%, 37-44% соответственно.

На рис. 2 представлены результаты исследования влияния продолжительности процесса на извлечение металлов при агитационном атмосферном выщелачивании пробы руд рудопроявления Устук.

Рисунок 2. Влияние продолжительности на извлечение металлов при агитационном атмосферном выщелачивании пробы

Из представленных графиков видно, что в исследуемых условиях процесс выщелачивания металлов из пробы проходит быстро. Достаточно 0,5 часа для завершения процесса взаимодействия пробы с серной кислоты. За 0,5 часа извлечение урана достигает 84%, ванадия 21%, молибдена 14%, редкоземельных элементов 37%. Дальнейшее повышение продолжительности до 5 часов является неэффективным, что не происходит значительное изменение извлечения металлов в раствор.На рис. 3 приведены результаты исследования влияния концентрации серной кислоты в растворе на извлечение металлов при агитационном атмосферном выщелачивании пробы руд рудопроявления Устук.

На рис. 3 приведены результаты исследования влияния концентрации серной кислоты в растворе на извлечение металлов при агитационном атмосферном выщелачивании пробы руд рудопроявления Устук.

Из представленных данных видно, что при выщелачивании пробы с увеличением расхода серной кислоты повышается извлечение металлов в раствор. При расходе кислоты 30-50 г/л наблюдается селективное извлечение урана в интервале 82-90%. Хорошие результаты по извлечению ванадия 25%, молибдена 11% и РЗЭ 51% достигается при расходе 200 г/л, однако при этом увеличивается расход кислоты.

Рисунок 3. Влияние расхода серной кислоты на извлечение металлов при агитационном атмосферном выщелачивании пробы

На рис. 4 приведены результаты исследования высокотемпературного агитационного сернокислотного выщелачивания пробы. Анализ результатов показывает, что при температуре 100 ℃: в интервале концентрации серной кислоты 20-100 г/л извлечение металлов в раствор составило: U-92,4-94,0%; V-18,5-47,9%; Mo-8,5-26,8%; РЗЭ-42,9-60,6%; с увеличением концентрации серной кислоты повышается извлечение металлов; не наблюдается селективное извлечение металлов.

Рисунок 4. Результаты агитационного атмосферного выщелачивания пробы при температуре 100℃

Результаты селективного атмосферного агитационного выщелачивания урана из пробы представлены на рис. 5.

Рисунок 5. Извлечение металлов из пробы при агитационном атмосферном выщелачивания при температуре 25℃ и концентрации серной кислоты 20-30 г/л

Из представленных данных видно, что при выщелачивании урана из пробы достаточно применение серной кислоты с низкой концентрацией. При расходе кислоты 20-30 г/л наблюдается селективное извлечение урана на уровне 77,3-80,0%, ванадия 1,5-6,1%, молибдена 3,3-23,1% и РЗЭ 23,1-36,7%.

Результаты укрупненного опыта по агитационному атмосферному выщелачиванию урана из пробы приведены в табл. 3. Вес пробы оставлял 20 кг, выход кека 19,5 кг.

Таблица 3.

Результаты укрупненного опыта агитационного атмосферного сернокислотного выщелачивания пробы руд рудопроявления Устук

Как видно из данных табл. 3, при укрупненном агитационном атмосферном выщелачивании пробы в раствор извлекается урана 78,5%, ванадия 17,1%, молибдена 15,3%, РЗЭ 9,9%. Продуктивный раствор выщелачивания пробы содержит 42 мг/л урана, 160 мг/л ванадия, 17,1 мг/л РЗЭ.

Выводы. В результате приведенных поисковых экспериментов установлена оптимальная концентрация серной кислоты для селективного извлечения урана в раствор при селективном выщелачивании пробы руд черносланцевого типа на примере рудопроявления Устук, которая составляет 20-30 г/л при температуре 25 ℃.

Список литературы:

1. Юдович Я.Э., Кетрис М.П. Геохимия черных сланцев. Л. Наука, 1988. -272 с.
2. ГОСТ Р 59129-2020 ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ. Термины и определения / дата введения 2021-07-01. – М.: Стандартинформ. –2020.- 20 с.
3. Медведев А.С., Богатырева Е.В. Теория гидрометаллургических процессов: Теория и практика гидрометаллургических процессов, лежащих в основе производства цветных и редких металлов: Учеб. пособие. – М.: Изд.Дом МИСиС, 2009. – 347 с.