Процесс бикарбонатного подземного выщелачивания урана из высококарбонатных руд

В условиях рыночной экономики рациональные технологии добычи полезных ископаемых, является основным решающим фактором, определяющим экономическую целесообразность проведения горных работ.

Доказывать преимущества подземного выщелачивания (ПВ) сегодня уже нет необходимости. Применение современных технических средств позволяет совершенствовать технологию отработки, эффективность которой во многом зависит от природных условий месторождений, каждое из которых уникально и имеет свои особенности.

При разработке химического направления ПВ следует твёрдо усвоить необходимость безусловного использования окислителей, как гарантий успешного осуществления процесса ПВ, независимо от применяемых реагентов. Из-за дороговизны и дефицита ранее окислители применялись эпизодически. Их отсутствие компенсировалось недопустимо высокой кислотностью рабочих растворов, Это, как правило, всегда приводило к перерасходу кислоты, сопровождалось кольматационными и другими отрицательными явлениями и в конце концов привело в тупик. Бедные и карбонатные руды, сосредоточенные в мощных многослойных толщах песков, отрабатывать таким способом уже невозможно.

В Навоийском горно-металлургическом комбинате (НГМК) была внедрена в производство так называемая безреагентная и слабокислотная схема ПВ пластовой водой, насыщенной кислородом воздуха [1, с. 112]. Это позволило практически полностью отказаться от серной кислоты, с хорошими показателями доработатывать месторождения и начать отработку таких же бедных месторождений. Эффективность такого способа ПВ, подтвержденная теоретическими, лабораторными и полевыми исследованиями, обусловлена практически полной имитацией природных условий рудообразования, характеризующимися переносом урана, смытого из гранитных массивов атмосферными водами, по водоносному горизонту бикарбонатными пластовыми водами, содержащими кислород. После расходования кислорода уран из воды выпадает в осадок на выклинивании зон пластового окисления, формируя в песчаных горизонтах за десятки и сотни тысяч лет скопления и залежи промышленного значения. Для разрушения таких залежей и извлечения из них урана достаточно насыщения бикарбокатных (˃100….200 мг/л НСО₃^-) подземных вод кислородом до пределов его растворения в пластовых условиях (˃50….100 мг/л).

При уменьшении в воде концентраций НСО₃^- ниже 100 мг/л возможны два пути его повышения - ввод бикарбонатных реагентов (NaHCO₃, NH₄HCO₃ и др.) и добавка в воду незначительного количества кислоты (до 2..5г/л) или углекислого газа для генерирования НСО₃^- за счёт разложения карбонатных минералов. Первый путь не целесообразен из-за снижения проницаемости пласта в результате образования солей жёсткости. К тому же искусственные реагенты в несколько раз пассивнее генерированных (природных) бикарбонат-ионов. Дороговизна сжиженного СО₂ не позволяет использовать его в промышленных масштабах. Следовательно, наиболее эффективной и доступной остаётся кислотно-бикарбонатная схема ПВ. Но при отсутствии карбонатов в рудном горизонте и эта схема может оказаться не приемлемой, тогда необходим переход на кислотное выщелачивание. Но в любом случае требуется окисление руд. Таким образом, независимо от конкретных геохимических и гидрогеологических условий рекомендуется для промышленного освоения месторождений следующая схема ПВ:

1.    Бикарбонатное выщелачивание пластовой водой, насыщенной кислородом воздуха. Если при этом процесс ПВ осуществляется с достаточной интенсивностью (извлечение не менее 2,0 % в месяц), то он продолжается до полного завершения извлечения урана. В противном случае производится переход к следующему этапу;
2.    Кислотно-бикарбонатное выщелачивание слабо подкисленными воздухонасыщенными пластовыми водами. Если и эта схема окажется не эффективной, то процесс переводится на заключительную стадию;
3.    Кислотное выщелачивание предварительно окисленных руд.

Как отмечалось выше, осадочные урановые месторождения инфильтрационного эпигениза формируются подземными водами. Идея применения метода ПВ для добычи урана и была выдвинута именно благодаря активной роли пластовых вод в рудообразовании - если пластовые воды формируют рудные тела, то они могут быть использованы для их разрушения. Смущали лишь ничтожно малые скорости массопереноса в природных условиях, хотя и было установлено, что при обнажении рудных тел горными выработками концентрации урана в дренируемых водах резко возрастали на несколько порядков (от п.10^-4...п.10^-6 до п.10^-2 г/л, т.е. до 10 мг/л и выше). Это явление, обусловленное окислением руд кислородом воздуха, и дало основание для проведения первых опытов по ПВ на месторождении Учкудук. Недостаточная интенсивность водного выщелачивания заставила отказаться от этого способа и заменить воду раствором серной кислоты. Спустя года мы начали использовать пласт в качестве природного автоклава для растворения кислорода и за счёт интенсификации окисления руд активизировать процесс водного выщелачивания.

Выщелачивание урана из высококарбонатных руд (СО₂> 5 %) имеющих проницаемость 1,0-
1,5 м/сут, по сернокислотной технологии с достаточной экономической эффективностью невозможно в связи с большим расходом кислоты, газовой и гипсовой кольматацией пласта, низкими дебитами откачных скважин. Вместе с тем, учитывая, что комбинат располагает значительными запасами именно таких руд, разработка экономически эффективной и технически реализуемой технологии в сочетании с решением вопроса увеличения приемистости закачных скважин и дебитов откачных позволит расширить сырьевую базу комбината.

Исследования по оптимизации процесса выщелачивания урана из высококарбонатных руд проведены на одном из месторождений инфильтрационного типа на керновом материале, отобранном из трех скважин и представляющем верхнее и нижнее крылья уранового ролла. Для технологических исследований были сформированы четыре пробы руды в зависимости от их карбонатности и литологии и одна валовая (усредненная) проба, составленная из материала всех четырех типов руд:

проба № 1 - песок с карбонатностью по СО₂ до 0,2 %;

проба № 2 - песок с карбонатностью по СО₂ до 2 %;

проба № 3 - песчаник на карбонатном цементе с карбонатностью по СО₂ до 10 %;

проба № 4 - песок карбонатизированный с редкими прослоями глин и песчаников с карбонатностью по СО₂ до 7 %;

Химический состав руды и пластовой воды представлен в таблицах 1 и 2.

Таблица 1.

Химический состав проб руд (%)

*- проба валовая (В) пески и песчаники мелкозернистые с примесью среднезернистого (1 - 5 %) и алевритового (5 - 10 %) материала.

Таблица 2.

Химический состав пластовой воды (ОВП=350 мВ; рН=8,4)

Пробы сложены в основном обломочными минералами (кварц, полевые шпаты, обломки пород), устойчивыми к воздействию выщелачивающих растворов. Количество карбонатов в песках колеблется от 0,45 до 23,5 %, в песчаниках от 17 до 40 %. Высокое содержание карбонатов в песках обусловлено присутствием обломков крепких карбонатных песчаников и карбонатных стяжений, в которых обломочные зерна сцементированы карбонатным материалом. В основной массе песка карбонаты представлены отдельными зернами и реже их сростками. В песчаниках карбонаты слагают цемент обломочных зерен контактного, контактно-порового и порово-базального типов.

Урановая минерализация в песках и песчаниках представлена в основном настураном и очень редко коффинитом в виде черных сажистых пленок, налетов на поверхности обломочных зерен и реже на выделениях пирита. Часть урана в сорбированном состоянии присутствует в глинистом материале, фосфорите, лейкоксене и других минералах.

Испытания по выщелачиванию проб руды проводили в статических и динамических условиях. В качестве выщелачивающего реагента применяли бикарбонат натрия в присутствии окислителя - кислорода.

Таблица 3.

Результаты статистического выщелачивания урана из руды валовой пробы

Для проведения опытов использовали автоклавы, в которые после загрузки пробы руды и определенного количества растворителя закачивали сжатый кислород под давлением 10³ кПа. Некоторые результаты опытов по выщелачиванию урана раствором карбоната натрия (1 г/л) при различных значениях Ж : Т приведены в табл. 3. Полученные результаты свидетельствуют о высокой эффективности процесса. Анализ кеков показал, что карбонаты разрушаются реагентом незначительно, окислитель взаимодействовал преимущественно с ураном, о чем свидетельствуют практически неизменившиеся содержания Fe²⁺ и S. Исследования в динамических условиях осуществлялись в 8 фильтрационных колонках, в которых окислительная обстановка создавалась кислородом, выделяемым при разложении перекиси водорода, вводимой в состав выщелачивающего реагента (табл. 4). Установлена различная кинетика выщелачивания урана: наиболее низкая - для пробы руды 1-го типа, характеризуемой высоким исходным содержанием урана и низким - карбонатов, и высокая - для пробы руды 3-го типа с содержанием урана в 6 раз ниже, чем в руде 1-го типа, и самым большим содержанием карбонатов.

При сравнительном анализе результатов выщелачивания урана в статическом и динамическом режимах четко прослеживается положительная роль давления (табл. 5).

Таблица 4.

Обобщенные данные по результатам фильтрационного выщелачивания урана из технологических проб руды

Таблица 5.

Сравнительные результаты извлечения урана в автоклавах и в режиме фильтрационного выщелачивания (концентрация NaHCO₃ – 1 г/л; Ж : Т = 10)

Изучено влияние бикарбоната натрия на извлечение урана при фиксированной концентрации окислителя (1,2 г/л Н₂О₂, или 200 мг/л в кислородном эквиваленте). Установлено положительное влияние роста концентрации бикарбоната натрия на процесс выщелачивания урана из различных типов руд (табл. 6).

Как следует из данных таблиц 5 и 6, влияние фактора давления на прирост извлечения урана может быть более эффективным, чем увеличение вдвое концентрации бикарбоната натрия.

Таблица 6.

Извлечение урана (%) в автоклаве и фильтрационных колоннах (Ж : Т = 5)