Экстракция урана из пульп

Значительное снижение капитальных и эксплуатационных затрат может быть достигнуто в случае использования процесса экстракции непосредственно из неотфильтрованных пульп путем устранения дорогостоящей операции разделения жидкого и твердого и осветления раствора.

Кроме того, при этом можно извлечь дополнительное количество урана, обычно теряемого с кеком фильтров. Так как при экстракции из пульп нет необходимости разбавлять урансодержащий раствор после выщелачивания промывочными растворами, это, в свою очередь, обеспечит более высокую емкость экстрагента по урану и снижение расходов на реэкстрагенты.

Однако к настоящему времени работы по созданию промышленного метода экстракции урана из плотных пульп еще не вышли из стадии опытно-промышленных испытаний.

Основная трудность заключается в отсутствии пригодного для этого процесса аппарата. Работы, проведенные в конце 50-х годов в США и Канаде, подтвердили непригодность для этой цели горизонтального каскада смесителей-отстойников с мешалками. Это обусловлено тем, что перемешивание, требуемое для поддержания твердых частиц пульп во взвешенном состоянии, приводит к образованию стойких эмульсий и межфазной взвеси и тем самым к высоким потерям аминов, что делает процесс неэкономичным.

Использование алкилфосфатов в качестве экстрагентов в некоторой степени замедляло образование эмульсий и межфазной взвеси, но потери экстрагента вследствие его захвата твердыми частицами рафината были очень высокими. Например, при переработке пульпы с массовым содержанием 50% твердого при вращении мешалки со скоростью 500 об./мин потери экстрагента в результате захвата составляли 26,5—56,7 л/т твердого. Эти потери удавалось снизить до 3,8 л/т восьмикратным разбавлением сбросной пульпы водой в специальном отстойнике. Поэтому исследователи различных стран проводили эксперименты с использованием иных типов экстракторов.

Вращающийся пленочный экстрактор. В начале 60-х годов были опубликованы исследования (Великобритания) по экстракции из пульп во вращающемся пленочном экстракторе, представляющем собой сосуд с рядом дисков, смонтированных на общем горизонтальном валу на равном расстоянии друг от друга. Вращение дисков служило для удержания во взвешенном состоянии твердых частиц пульпы, находившейся в нижней части сосуда.

Поскольку пленочные экстракторы не оправдали возлагавшихся на них надежд, дальнейшие работы в этом направлении были прекращены.

Колонные аппараты. В Австралии была произведена попытка осуществить экстракцию из пульп в колоннах с наклонными (под углом 30°) тарелками. Эксперименты проводились на плотной пульпе (до 65% твердого) при расходе 21 м3/ч/м2. Полученные данные показали, что для обеспечения полноты извлечения урана 99% (экстрагент алкилфосфатного типа, органическая фаза — сплошная) потребуется колонна высотой 9 м. Расчетные потери экстрагента оценивались в 1,5 л/т руды, что вполне приемлемо.

Хотя количество опубликованных данных об этой колонне недостаточно, можно считать, что она, по-видимому, может быть использована лишь при определенных постоянных расходах пульпы, но ее применение имеет жесткие ограничения: 1) если угол наклона тарелок менее 15°, твердые частицы пульпы будут оседать на них; 2) необходимо очень тщательно соблюдать режим перемешивания, так как при излишней турбулентности возникают высокие потери аминов, а при недостаточной имеет место низкое извлечение урана; 3) при изменении расхода исходной пульпы колонна не сможет работать в требуемом режиме.

Более обширные исследования проводились с применением пульсационных колонных экстракторов. Так, канадская фирма «Эльдорадо ньюклеар» и исследователи Горного отделения департамента энергетики, горнорудной промышленности и сырьевых ресурсов перерабатывали пульпу с массовым содержанием 10% твердого, полученную после растворения в азотной кислоте урановых концентратов, в пульсационных колоннах с ситчатыми тарелками для получения двуокиси урана ядерной чистоты.

В 1966 г. были опубликованы данные об успешных результатах аминной экстракции урана из сернокислой пульпы после выщелачивания концентрата флотации, содержащей пирит и графит.

Экстракционное оборудование состояло из ситчатой пульсационной колонны диаметром 254 мм, изготовленной из нержавеющей стали, и трех смесителей-отстойников для промывки, реэкстракции и регулирования кислотности (рис. 9.12). Ситчатые тарелки из нержавеющей стали (с отверстиями диаметром 9,5 мм, которые занимали 27%' площади тарелок) были установлены на расстоянии 50 мм друг от друга по длине 3,6 м (две секции по 1,8 м). Отстойные камеры размещались в верхней и нижней частях экстракционной секции. Пульсация обеспечивалась диафрагмовым насосом, экстрагент в колонну подавали через трубку (диаметром 12,5 мм) в пульпопроводе. Подачу пульпы регулировали шламовым винтовым насосом с переменной скоростью.

На рис. 9.13. показана технологическая схема опытной установки. Органическую фазу пропускали через рамный осветлитель для удаления захваченного графита и затем направляли в смеситель-отстойник для промывки водой в целях удаления железа. Смеситель представлял собой стальной чан с перегородкой вместимостью 115 л, расположенный в одном отделении деревянного отстойника размером 1,2х2,4 м и высотой 0,6 м, футерованного эпоксидной смолой. Второй смеситель-отстойник использовали для реэкстракции урана из органической фазы заводским карбонизированным раствором. И, наконец, третий смеситель-отстойник был нужен для подкисления органической фазы после реэкстракции урана до ее подачи в пульсационную колонну. Значение pH поддерживалось на уровне 0,5 для снижения до минимума возможности образования межфазной взвеси.

Кислую исходную пульпу хранили в пачуке при содержании твердого ~60% и рН = 2. При проведении большей части экспериментов плотность пульпы корректировали до 30% твердого и pH до 1,5—2,0. Экстрагент состоял из раствора 0,1 M третичного амина (аламин-336) и 5 об. % изодеканола в керосине. Частота пульсаций —50 имп./мин при амплитуде ~18 мм. При увеличении частоты пульсаций с 50 до 75 имп./мин резко увеличивались потери амина и наблюдалась тенденция к образованию стойкой эмульсии. Потери амина были намного больше в случае использования тарелок с меньшим диаметром отверстий (4,7 мм, 32% площади). Точно так же наблюдалось увеличение потерь экстрагента с увеличением плотности пульпы.

Работа на заводе фирмы «Эльдорадо ньюклеар» с колоннами диаметром 254 мм показала, что можно перерабатывать пульпы плотностью до 35% твердого при потерях экстрагента менее 0,045 кг/т руды с расходом пульпы ~19 л/мин. Более того, оказалось, что в колоннах такого диаметра можно перерабатывать пульпу плотностью до 40% твердого, причем потери амина с рафинатом лишь незначительно превышали 0,045 кг/т руды.

Более высокая концентрация экстрагента влекла за собой значительное возрастание его потерь с рафинатом. Так, при увеличении концентрации с 0,1 до 0,25 M потери экстрагента увеличивались минимум в 10 раз.

Сравнение потерь экстрагента в процессе экстракции из пульп фирмы «Эльдорадо ньюклеар» с потерями при экстракции из осветленных растворов в смесительно-отстойных аппаратах показало, что потери амина при экстракции из осветленных растворов составляют 0,026 кг/м3, а при экстракции из пульп лишь 0,015 кг/м3.

Горный отдел проводил эксперименты с пульпами, полученными как после бактериального выщелачивания, так и после сернокислотного выщелачивания в автоклавах и при атмосферном давлении (руда типа кварцево-галечных конгломератов района Эллиот Лейк). Экстракцию из этих пульп осуществляли также в пульсационных колоннах диаметром 50,8 мм и общей высотой 7 м. При этом извлечение урана составляло ~98%. Что касается потерь экстрагента, то оказалось, что при переработке пульп после бактериального выщелачивания (70% —0,044 мм, плотность — 25%' твердого) потери амина не превышали 0,06 кг/т руды. Однако при экстракции из пульп сернокислотного выщелачивания при атмосферном давлении потери экстрагента в рафинат были значительными.

Потери экстрагента обусловлены следующими факторами: растворимостью в водной фазе (10—20 мг/л), захватом экстрагента твердыми частицами в рафинате, адсорбцией экстрагента на частицах пульпы, потерями в межфазной взвеси.

Основные потери происходят вследствие адсорбции и образования межфазной взвеси. Так, потери амина на твердых частицах пульпы могут быть в 10 раз больше, чем потери, обусловленные растворением экстрагента в рафинате (в зависимости от типа пульпы и рабочих условий).

Успешное применение процесса экстракции из пульп для извлечения урана более всего зависит от степени перемешивания экстрагента с пульпой. Даже в пульсационных колоннах потери амина резко возрастают при частоте пульсации >60 имп./мин.

Для успешной экстракционной переработки пульп после сернокислотного выщелачивания в пульсационных колоннах с ситчатыми тарелками рабочие параметры процесса должны быть следующими: водная сплошная фаза; тарелки из нержавеющей стали; диаметр отверстий тарелок 4,8 мм или больше; расстояние между тарелками ~51 мм; частота пульсации 35—60 имп./мин с амплитудой 25,4—50,8 мм; pH = 1,3—1,6.

КАЭ Франции проводит эксперименты по экстракции урана из пульп в пульсационных колоннах диаметром 30, 60 и 100 см, что соответствует расходу растворов 3, 12 и 30 м3/ч.

Внедрению метода экстракции из пульп на современном этапе препятствуют все еще значительные эксплуатационные расходы, обусловленные потерями экстрагента на твердых частицах пульпы и с межфазной взвесью. Потери амина в результате адсорбции на твердых частицах в 10 раз выше, чем потери растворенного урана в растворе. Межфазная взвесь, представляющая собой стойкую эмульсию из экстрагента, водной фазы и тонких частиц минерала, обычно перетекает вместе с органической фазой, и для извлечения экстрагента ее необходимо отделять от органической фазы, что имеет технологические трудности.

В последние годы основное внимание направлено на поиск методов, которые позволят свести до приемлемого уровня потери амина. Установлено, что добавка в пульпу до ее контактирования с экстрагентом поверхностно-активных веществ снижает последующий захват экстрагента рафинатом. Исследования ведутся в направлении поиска возможных реагентов, обладающих способностью уменьшать поверхностное натяжение пульпы, исключить абсорбцию экстрагента на твердых частицах и предотвратить образование межфазной взвеси. Если удастся добиться потерь аминов не более 0,045 кг/кг U3O8, то процесс экстракции из пульп обеспечит экономию по сравнению с другими методами в размере 64,5 цент/кг U3O8.

В качестве реагентов испытывались такие поверхностно-активные вещества, как сахароза, органический пассиватор «алхем-2214», декстроза, рыбий клей, гуаровая смола и др. Наилучшие результаты были получены при добавке углеводов и протеиновых гидрофильных коллоидов. Так, при добавке 0,225 кг рыбьего клея на 1 т сухого потери амина снижались до 74%.

Для снижения расходов на реагенты произведена попытка использовать реагенты в две ступени. Опытные данные позволили установить, что на первой ступени для снижения расхода дорогого рыбьего клея можно добавлять Na3CO3 или Na3SF6, а на второй ступени — рыбий клей. В табл. 9.2 приведены данные о потерях амина при добавке реагентов в две ступени с последующей экстракцией из пульп со сплошной органической фазой.

Была предложена технологическая схема экстракции из сернокислых пульп (рис. 9.14). Руду измельчают до 40% — 0,044 мм. Пульпу после выщелачивания разбавляют оборотной технологической водой до требуемой плотности, кислотность корректируют до pH = l,3—1,5. Рафинат подают в смеситель, куда добавляют известь до pH = 9, затем пульпу перекачивают в сгуститель для сгущения до 55 % твердого. Нейтрализованный нижний слив сгустителя сбрасывают в отвал; большую часть верхнего слива возвращают при pH = 9 в цикл для разбавления пульпы. Оборот щелочного раствора позволяет снизить расходы на нейтрализацию. Полагают также, что такая обработка рафината будет способствовать регенерации экстрагента, захваченного твердыми частицами рафината.

Согласно расчетам, экстракционная переработка пульп может оказаться выгоднее процессов экстракции и сорбции из осветленных растворов. В табл. 9.3 приведены сравнительные данные общих расчетных затрат на сорбцию из осветленных растворов и экстракцию из пульп (на примере условного завода производительностью 3000 т руды/сут, перерабатывающего кварцево-галечные конгломераты с содержанием урана 0,1%).

Даже если учесть расходы на поверхностно-активные реагенты, составляющие 44 цент/кг U3O8, то экстракция из пульпы будет способствовать снижению издержек производства на 19 цент/кг U3O8 по сравнению с сорбцией из осветленных растворов.

На данном этапе проводятся исследования по сгущению рафината в гидроциклонах, и полученные результаты показали, что таким образом также достигается снижение потерь амина. Возможно, что в ходе дальнейшей работы над пульсационными колоннами удастся добиться низких потерь амина.

Благодаря нейтрализации урансодержащей пульпы (pH = 9) концентрация растворенного амина в рафинате уменьшается до 1 мг/л. Потери амина с твердыми частицами также снижаются на 25%. Следовательно, целесообразно предположить, что в хвостохранилище будет сбрасываться менее 0,045 кг амина/т руды. Применение же рыбьего клея и Na2CO3 или Na2SiO3 вполне допустимо с точки зрения охраны окружающей среды, так как указанные реагенты являются нейтральными или же биологически разлагаемыми.

В настоящее время продолжаются исследования по созданию конкурентоспособного технологического процесса экстракции из пульп.