Главная Коллекция "Revolution" Производство и технологии Пути повышения продуктивности отработанных урановых скважин

Пути повышения продуктивности отработанных урановых скважин

Краткая характеристика урана и его важнейших соединений. Основные методы получения оксидов урана. Подземное бактериально-химическое выщелачивание урана из руд инфильтрационного типа. Наработка бактериальных растворов в опытно-промышленных условиях.

Рубрика Производство и технологии
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 26.05.2018
Размер файла 2,5 M
рефераты на заказ со скидкой

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ

"НАВОИЙСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ КОМБИНАТ"

НАВОИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ

ХИМИКО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА "ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ"

НАУЧНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ ВЫПУСКНАЯ РАБОТА

Тема: "Пути повышения продуктивности отработанных урановых скважин"

Разработал: Эгамбердиев Саддам Мустафаевич

Руководитель: Тагаев Ильхом Ахрорович

НАВОИ - 2014 г.

Оглавление

  • Введение
  • 1. Аналитический обзор
  • 1.1 Краткая характеристика урана и его важнейших соединений
  • 1.2 Оксиды урана и их характеристика
  • 1.3 Технологическая характеристика оксидов урана
  • 1.3 Методы получения оксидов урана
  • 1.4 Важнейшие минералы и руды урана
  • 1.5 Технология получения урана
  • 1.6. Мировой опыт бактериально химического подземного выщелачивания (ПВ) урана
  • 2. Экспериментальная часть
  • 2.1 Результаты исследований
  • 2.1.1 Подземное бактериально-химическое выщелачивание ПВ урана из руд инфильтрационного типа
  • 2.1.2 Характеристика исследуемых руд
  • 2.1.3 Микробиологическая характеристика месторождений
  • 2.1.4 Наработка бактериальных растворов в опытно-промышленных условиях
  • 3. Биовыщелачивание в режиме“РUSH-РUII”
  • 4. Безопасность жизнедеятельности
  • Заключение
  • Литература
  • Приложения к квалификационной выпускной работе

Введение

Президент Республики Узбекистан И.А. Каримов в своей книге "Узбекистан на пороге XXI века: угрозы безопасности, условия и гарантии прогресса" отметил, что наше государство по праву гордится богатством своих недр - найдены абсолютно все элементы известной периодической системы Д.И. Менделеева [1].

Сегодня выявлено более 2,7 тыс. месторождений и перспективных рудопроявлений различных полезных ископаемых, включающих около 100 видов минерального сырья, из которых более 60 вовлечены в производство. Разведано более 900 месторождений, в которых подтвержденные запасы оцениваются в 970 млрд. долл. США. При этом общий минерально-сырьевой потенциал оценивается более чем в 3,3 триллиона долл. США [1].

По запасам золота, урана, меди, каменной и калийной солей Узбекистан входит в десятку ведущих стран мира. Узбекистан один из крупнейших производителей золота, урана, меди, добыча которых ведется Навоийским и Алмалыкским горно-металлургическими комбинатами. Горнодобывающая промышленность играет значительную роль в развитии экономики Республики [3-4].

Быстрые темпы развития всех отраслей промышленности в условиях независимого Узбекистана приводят к возрастанию добычи полезных ископаемых различных видов. Особенно быстро растет потребление радиоактивных металлов, в тоже время запасы промышленных руд постепенно иссякают. Поэтому необходимо изыскивать и применять наиболее дешевые и эффективные технологические процессы извлечения металлов из руд, старых и вновь образующихся отвалов горно-обогатительных металлургических предприятий [5].

Становится очевидным, что только совершенствование и коренное изменение методов добычи и переработки минерального сырья - создание безотходных и малоотходных технологий, обеспечивающих комплексное использование минеральных ресурсов - позволит обеспечить необходимыми металлами промышленность. Президент Республики Узбекистан И.А. Каримов отметил, что одной из важнейших задач в преодолении мирового кризиса является модернизация производства, совершенствование технического перевооружения [2].

Хозяйственная и производственная деятельность НГМК направлена на увеличение экономического потенциала республики. Несмотря на широкий ассортимент выпускаемой продукции, основное производство ориентировано на добычу и переработку золотосодержащих, урановых руд и фосфоритов.

В настоящее время переработка урансодержащей руды в НГМК осуществляется на одном гидрометаллургическом заводе и в трех рудоуправлениях - Северном, Южном, и Рудоуправлении № 5 (РУ-5) [6].

Цель исследования:

Поиск способов увеличения продуктивности отработанных урановых скважин;

Определение оптимального количества закачных и откачных скважин позволяющих увеличить выход продукции;

уран оксид подземное выщелачивание

1. Аналитический обзор

1.1 Краткая характеристика урана и его важнейших соединений

Открытие. Важнейшие изотопы

Уран был открыт Клапротом в 1789 г. Восстановлением углем природной желтой окиси Клапрот получил черный порошок, который был принят им за элемент. Лишь в 1841 г. Пелиго установил, что элемент Клапрота представляет собой оксид металла. Элементарный уран Пелиго получил восстановлением его хлорида калием. Менделеев приписал урану атомную массу 240 и определил его положение в VI группе Периодической системы. Радиоактивность природного урана была открыта А. Беккерелем в 1896 г. Особое место среди химических элементов уран приобрел после открытия Ганом и Штрассманом деления его ядер (U235) под действием нейтронов. Уран - основной элемент ядерной энергетики [7-12].

Природный уран состоит из трех изотопов: U238 - 99,2739%, продукт его распада U234 - 0,0057% и актиноуран U235 - 0,7204%. Первый и последний являются родоначальниками семейств естественных радиоактивных элементов урана (тип ядра по массе 4n+2) и актиноурана (4n+3). Их периоды полураспада равны соответственно 4,51.109 и 7,13.108 лет. С помощью циклотрона и ядерного реактора в настоящее время получено 11 искусственных радиоактивных изотопов и 1 изомер урана. Наиболее важный из них - U233 (T1/2 = 1,62.105 лет), как и U235 способен к цепной реакции деления, поэтому является ядерным горючим [13-17].

Уран в природе

Уран довольно широко распространен в природе. По распространенности он занимает 38-е место. Среднее его содержание в земной коре составляет 4.104% (масс.). Основная масса урана находится в изверженных горных породах и почве. Лишь ничтожная часть урана сосредоточена в рудах. Так как при выветривании уран переходит в растворенное состояние, то в воде рек содержится от 5.106 до 2.108% урана. Содержание его в водах океана составляет 1.107% [18].

Уран, наряду с первичными рудами магматического происхождения, образует вторичные осадочные рудные месторождения. Он содержится более чем в 100 различных минералах. Главные из них - окислы урана и смешанные соли ванадиевой, фосфорной, кремневой, мышьяковой, титановой и ниобиевой кислот. Наиболее важными первичными минералами промышленных месторождений являются уранинит и урановая смолка, а вторичным минералом - карнотит [19].

Физические и химические свойства урана

Уран - блестящий металл, напоминающий по внешнему виду сталь. Он обладает полиморфизмом. Низкотемпературная -фаза, существующая до 678 С, пластична, имеет ромбическую решетку. Плотность -урана равна 19,05 г/см3. Он обладает относительно высокой температурой плавления (1132 С) и кипения (4690 С) [20].

Хрупкая тетрагональная -фаза с плотностью 18,13 г/см3 устойчива в пределах температур 678-775 С и имеет сложное строение. Она переходит в мягкую -фазу, имеющую объемно-центрированную кубическую решетку и плотность 17,91 г/см3. Атомный радиус урана равен 1,54Е. Электропроводность близка к электропроводности железа [21].

Химические свойства урана

Уран - активный химический элемент. Он реагирует практически со всеми химическими элементами, кроме инертных газов. В ряду напряжения он стоит вблизи алюминия и бериллия.

На воздухе уран покрывается оксидной пленкой, которая не предохраняет его от дальнейшего окисления. Порошкообразный металл пирофорен. Компактный металл при нагревании на воздухе горит. При окислении урана образуются UO2 и U3O8 [22].

Уран бурно реагирует с кипящей водой и водяным паром с выделением водорода, который образует с ураном гидрид:

Это заставляет предохранять уран в ядерных реакторах от действия воды. При нагревании уран реагирует со всеми галогенами, азотом с образованием нитридов, углеродом с образованием карбидов, серой с образованием сульфида и фосфором с образованием фосфида. С большинством металлов уран образует интерметаллические соединения. При растворении в кислотах проявляет степени окисления +3, +4 или +6. Уран растворим в азотной соляной и серной кислотах. Органические кислоты растворяют металл только в присутствии небольших количеств соляной кислоты. Щелочи на уран не действуют, но щелочные растворы перекиси водорода растворяют металлический уран с образованием перуранатов [22].

Уран в растворе.

В водном растворе уран [13] образует ионы со степенями окисления +3, +4, +5 и +6. Ионы урана гидратированы и гидролизованы. Уран (III) в растворе находится в виде ионов U3+. Он неустойчив и вступает в реакцию с водой [22]:

Уран (IV) в растворе находится в виде ионов U4+, которые получаются при растворении тетрагалогенов урана или в результате окисления U3+. U4+-ион неустойчив в растворах, но сильно гидролизован и гидратирован:

При дальнейшем гидролизе образуются полиядерные соединения вида . В кислых растворах гидролиз подавляется.

Действием соответствующих реагентов из раствора, содержащего U4+, выделяются малорастворимые фторид, иодат, оксалат, пирофосфат, гипофосфат, купферонат, гидроксид UIV.

Уран (VI), благодаря высокому заряду и сравнительно небольшому радиусу иона U5+ не может существовать в виде простого иона и в растворе образует оксикатион ураноил UO2+. Он малоустойчив, стабилен лишь при pH = 2,5; при больших pH идет гидролиз, при меньшем - диспропорционирование:

Кроме того, имеет место гидролиз UO2+. Гидроксид UO2OH. xH2O амфотерен. UVI устойчив в неводных растворах.

Уран (VI) в растворе образует вследствие отщепления кислорода от воды оксокатион уранил - UO22+, который получается при окислении урана низших степеней окисления. При гидролизе уранил-иона образуется ряд многоядерных комплексов:

При дальнейшем гидролизе образуется U3O8 (OH) 2 и затем U3O8 (OH) 42 [23].

Определение урана

Для весового определения урана используют осаждение его в виде 8-оксихинолята, диураната аммония или перекиси урана с последующим прокаливанием до U3O8. UIV может быть определен титрованием в кислой среде ванадатом аммония, комплексоном II (ЭДТА) или III с индикатором арсеназо-I. UVI определяют титрованием с комплексоном III с индикатором 1- (2-пиридилазо) - 2-нафтолом. Для определения урана широко используют фотометрические методы с использованием арсеназо-I, арсеназо-III и 1- (2-пиридилазо) - резорцина. Для анализа на уран используют также люминесцентный метод [24].

Применение урана

Уран применяется в качестве ядерного горючего, U238 служит сырьем для получения ядерного горючего Pu239. U235 и U233 являются делящимися материалами. Все другие области применения урана в настоящее время мало существенны.

Карбиды. Уран образует три карбида стехиометрического состава UC, UC2 и U2C3. При непосредственном нагревании элементов в зависимости от взятых количеств образуются состава UC, UC2 или U2C3:

Карбид урана UC2 в измельченном состоянии пирофорен [13-14].

Комплексные соединения урана образуются с угольной, винной, лимонной, яблочной, молочной и другими органическими кислотами. В зависимости от концентрации адденда меняется соотношение комплексов различного состава. С ацетилацетонатом и другими дикетонами образуются растворимые в органических растворителях комплексы. Состав комплексных ионов может быть изображен формулой [U (CO3) n (OH) m] 42mn. В присутствии кислорода осуществляется переход в комплексный ион UVI.

В производстве широко применяется реакция комплексообразования уранил-иона с ортофосфорной кислотой:

где n = 1, 2, 3, 4, 5 и x = 0, 1, 2,…

Соли уранила образуют комплексные соединения с тиомочевиной. С теноилтрифторацетоном образуется комплекс UO2 (TTA) 2.2H2O. Получены также и другие комплексы урана [24].

1.2 Оксиды урана и их характеристика

Значение оксидов урана и его технологии.

В результате аффинажа самыми различными способами уран получают в виде одного из таких соединений, как уранилнитрат, диуранат аммония, пероксид урана, уранилтрикарбонат аммония [25].

Операции превращения этих соединений в конечные продукты показаны на схеме:

Следовательно, оксиды урана UO3, UO2 и U3O8 - важнейшие промежуточные продукты уранового производства при получении фторидов урана и металлического урана.

Кроме того, основой ТВЭЛов современных ядерных реакторов многих типов служит диоксид урана, который обладает высокой коррозионной и радиационной стойкостью. Применение огнеупорного UO2 дает возможность получать в реакторах значительно более высокие температуры, чем при использовании обычных металлических ТВЭЛов. Для изготовления таких ТВЭЛов используют, как правило, диоксид урана, обогащенный изотопом уран-235. Химические свойства такого диоксида аналогичны обычному. К диоксиду, обогащенному изотопом уран-235, предъявляются повышенные требования как по чистоте, так и по структуре и физическим свойствам.

Система "уран - кислород" представляет собой одну из самых сложных двойных систем. Три оксида урана - диоксид UO2, закись-окись U3O8 и триоксид UO3 известны уже более ста лет. Исследования последних лет показали, что возможно существование монооксида UO, а также таких соединений урана с кислородом, как U4O9, U3O7, U2O5 и что эти соединения, как и три ранее известных оксида, не являются стехиометрическими, и в действительности существует разнообразие нестехиометрических форм. Было показано существование в системе U-O нескольких фаз (табл.1).

При изучении системы "уран-кислород" обнаружено несколько гомогенных областей с переменным составом урана и кислорода. Одна из таких областей лежит, например, между составами UO2 - UO2,25. Существование стабильной фазы монооксида урана не доказано.

Монооксид урана. Низший оксид урана встречается только в виде тонких пленок на уране или включений в металл. Это хрупкое вещество серого цвета с металлическим блеском. По различным данным, его плотность составляет 13,6 - 14,2 г/см3. Монооксид имеет кубическую решетку типа NaCl. По мнению некоторых исследователей, при обычных условиях в свободном состоянии UO не существует. Основная трудность ее получения связана с тем, что она устойчива только при высоких температурах.

Диоксид урана UO2 (точнее, UO2Х) - вещество темно-коричневого цвета с кристаллической структурой типа CaF2. Это нестехиометрическое соединение может иметь состав от UO1,6 до UO2,25, причем дополнительные (сверх стехиометрии) атомы кислорода удерживаются в промежутках кристаллической решетки в результате внедрения атомов кислорода в решетку UO2 типа флюорита.

Диоксид урана может быть получен восстановлением триоксида или U3O8 водородом или оксидом углерода при 500-600С. Он образуется также при окислении урана на воздухе при 150 - 170С. Это - основной оксид, которому соответствует основной гидроксид U (OH) 4. Диоксид урана термодинамически устойчив при нагревании в вакууме или в восстановительной атмосфере до 1600С и возгоняется без разложения. При более высокой температуре он теряет кислород с образованием достехиометрического диоксида. В присутствии кислорода UO2 способен растворять его в себе с сохранением кубической структуры, образуя фазу UO2+x, где х зависит от температуры.

Диоксид урана не реагирует с водой и ее парами до 300С, нерастворима в соляной кислоте, но растворима в азотной кислоте, царской водке и смеси HNO3 и HF. При растворении в азотной кислоте происходит образование уранил-ионов UO22+. Известен один кристаллогидрат диоксида урана UO2.2H2O - черный осадок, выпадающий при гидролизе растворов урана (IV). Диоксид урана входит в состав уранового минерала уранинита.

Оксиды U4O9 и U3O7 образуют самостоятельные фазы нестехиометрического состава. Для оксида U3O7 характерно наличие метастабильных тетрагональных фаз. Существует по крайней мере пять таких фаз, которые при температуре выше 600С распадаются с образованием соответственно UO2 и U4O9 или U4O9 и UO2,6. При температуре выше 600С в системе U-O в области от U4O9 до U3O8 исчезают все метастабильные тетрагональные оксиды, и в равновесии находятся фаза U4O9 и фаза с ромбической структурой закиси-окиси [26].

Закись-окись урана U3O8 - нестехиометрическое соединение, имеющее несколько модификаций в зависимости от условий приготовления. Цвет вещества - от зеленого до оливково-зеленого и черного. Закись-окись образуется при окислении на воздухе диоксида урана и при прокаливании на воздухе до красного каления (650-900С) любого оксида урана, гидрата оксида или соли урана и летучего основания или кислоты.

Оксид U3O8 рассматривают иногда как UO2.2UO3 на основании того, что при растворении его в растворе присутствуют U4+ и 2UO22+. Однако доказано, что все атомы урана в U3O8 структурно эквивалентны и несут равный средний положительный заряд .

Закись-окись урана нерастворима в воде и разбавленных кислотах, но медленно растворяется в концентрированных минеральных кислотах с образованием смеси солей урана и уранила. В HCl и H2SO4 образуется смесь урана в степенях окисления четыре и шесть, а в HNO3 - только уранил-ион. При неполном растворении U3O8 в серной кислоте образуется U2O5, которая не получается при восстановлении оксидов урана водородом при нагревании. Закись-окись имеет гидрат U3O8. xH2O, который не кристаллизуется и очень легко окисляется до гидрата триоксида урана. Значение триоксида велико и потому, что она входит в состав смоляной руды - настурана [27].

Триоксид урана UO3 - один из промежуточных продуктов в производстве чистых солей урана, встречающихся также в некоторых окисленных урановых рудах.

UO3 - оранжево-желтый порошок, существующий в одной аморфной и пяти кристаллических формах, плотностью 5,92 - 7,54 г/см3. Он термодинамически устойчив на воздухе до температуры 600С. Триоксид урана получают окислением UO2 или U3O8 кислородом при давлении 30 - 100 атм. И температуре около 500С; прокаливанием гидрата перекиси урана UO4.2H2O; прокаливании уранилнитрата UO2 (NO3) 2.6H2O или диураната аммония (NH4) 2U2O7:

Триоксид урана амфотерен: с кислотами он образует соли уранила, например, UO2SO4, со щелочами - соли урановой кислоты, например, Na2U2O7. Известно несколько кристаллогидратов триоксида урана, которые можно рассматривать как кислоты.

В технологии широко применяют реакции количественного осаждения урана из растворов в виде диуранатов (или полиуранатов):

Пероксид урана UO4. nH2O существует только в форме гидратов с 2, 3, 4 и 4,5 молекулами воды. Его можно представить как комплекс UO2 (O2) x xnH2O. Он может быть получен действием пероксида водорода на соединения UVI и UIV в азотнокислом растворе. Пероксид урана - нерастворимое соединение, с помощью которого уран можно отделить от всех элементов, кроме тория, плутония, нептуния, циркония и гафния. Пероксид урана обладает кислотными свойствами [28, 49].

1.3 Технологическая характеристика оксидов урана

Оксиды урана имеют весьма важное значение в технологии производства ядерного горючего. В некоторых типах гетерогенных ядерных реакторов основой тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) является диоксид урана, который обладает высокой коррозионной и радиационной устойчивостью. Его огнеупорность дает возможность получать в ядерных реакторах очень высокие температуры и увеличивать тем самым коэффициент полезного действия. Кроме того, совместимость диоксида урана с различными материалами оболочки и его высокая плотность также с положительной стороны характеризуют этот вид ядерного горючего [29-30].

Из диоксида урана ТВЭЛы могут быть изготовлены в виде брусков, трубок, таблеток и т.д. обычными методами керамической технологии: холодным прессованием и выдавливанием с последующим спеканием изделий или горячим прессованием. В виде порошка диоксид урана диспергируется в металлических, графитовых или керамических матрицах.

Но, пожалуй, еще большее значение оксиды урана имеют как промежуточные продукты при производстве других соединений урана и главным образом фторидов. Наконец, нельзя не отметить, что оксиды урана как наиболее устойчивые его соединения могут быть использованы для целей хранения урана и послужить промежуточным звеном между урановорудным, аффинажно-металлургическим и фторидными производствами [31].

В связи с указанными выше областями применения оксидов урана к ним предъявляются совершенно определенные требования. Необходимо, чтобы оксиды урана были кондиционными по содержанию примесей. В том случае, если имеется в виду самостоятельное применение оксидов урана в гомогенных или гетерогенных ядерных реакторах, содержание примесей в них должно быть весьма малым, соответствующим требованию ядерной чистоты продуктов [32].

Если же оксиды урана являются промежуточными продуктами в производстве, например, фторидов урана, содержание примесей в них определяется целым рядом различных факторов.

Если же оксиды урана служат промежуточным звеном от уранового производства к аффинажно-металлургическому, по содержанию примесей они должны удовлетворять кондициям на технические продукты (несколько процентов примесей) [18].

Другое важное требование, предъявляемое к оксидам урана, связано с их химическим составом, соотношением урана и кислорода, валентной формой урана. Из всех оксидов урана наиболее целесообразно применять в гетерогенных ядерных реакторах оксид урана стехиометрического состава UO2, так как для него характерна наибольшая теплопроводность, наименьший рост зерна при спекании и выделение минимального количества осколочных элементов во время облучения. Однако в этом случае не следует применять такие теплоносители как вода и углекислота, которые при высоких температурах будут окислять диоксид стехиометрического состава [33].

1.3 Методы получения оксидов урана

Производство оксидов урана из уранилнитрата.

Получение оксидов урана из уранилнитрата основано на процессе термической диссоциации соли (шестивалентного гидрата) при повышенной температуре [34-35]:

Этот процесс является наиболее распространенным в технологической практике США, а также Канады и Англии. Несмотря на кажущуюся простоту, он является достаточно тонким, так как физические свойства получаемых оксидов сильно зависят от условий прокаливания (температуры, скорости ее подъема, вакуума и т.п.), а это важно для последующих стадий технологического передела.

Следует отметить, что при низких температурах (200 - 450С) получается более реакционно-способный триоксид урана, легко превращаемый в диоксид и тетрафторид урана, поэтому процесс термической диссоциации уранилнитрата проводят при температурах, не превышающих 400 - 450С.

В настоящее время процесс осуществляется в печах кипящего слоя. Упаренный до 70 - 100% гексагидрат уранилнитрата впрыскивается форсунками в печь кипящего слоя, который создается на основе гранул UO3 под действием воздушного дутья. Аппарат обогревают с помощью внешнего источника. Удаление триоксида урана из кипящего слоя осуществляется по переливным трубам. Отходящие газы фильтруют через металлокерамический фильтр. Оксиды азота улавливают и иногда утилизируют для получения азотной кислоты. Эти пары могут быть также абсорбированы и вновь возвращены в процесс в виде водного раствора азотной кислоты.

Остаточное содержание в триоксиде урана воды и нитрат-иона определяется, главным образом, температурой кипящего слоя; в интервале температур 300 - 450С содержание воды и нитрат-иона в триоксиде урана практически не изменяется и составляет соответственно 0,1 - 0,2% и 0,4 - 0,5%.

Процесс денитрации в аппаратах псевдоожиженного слоя характеризуется отсутствием местных перегревов, высокой скоростью термической диссоциации вследствие высокой теплопроводности кипящего слоя, а также хорошей регулируемостью процесса. К другим достоинствам процесса относятся невысокая коррозия аппарата, отсутствие загрязнений продуктов, сравнительная дешевизна операции.

Получение оксидов урана из диураната аммония

Диуранат аммония (NH4) 2U2O7 - один из распространенных промышленных продуктов уранового производства. Ценность его для производства оксидов урана состоит прежде всего в том, что он не содержит в своем составе нелетучих компонентов, кроме урана. Достоинства диураната аммония как осадителя [19]:

простота получения аммиачным осаждением практически из любого раствора урансодержащего раствора;

полнота перехода урана в осадок при таком осаждении;

сравнительно низкая стоимость и недефицитность аммиака;

возможность регенерации аммиака при прокаливании диураната аммония;

получение сбросных по урану маточных растворов.

В зависимости от температуры прокаливания диуранат аммония может быть переведен либо в триоксид урана, либо в закись-окись урана. В первом случае процесс протекает по уравнению:

При более высоких температурах термическая диссоциация диураната аммония сопряжена с образованием закиси-окиси урана по реакции:

Состав закиси-окиси урана колеблется в зависимости от условий, и под U3O8 подразумевают продукт состава UO2,61 - UO2,64.

Глубокая сушка диураната аммония - пастообразного капиллярно-пористого материала - довольно сложна, поэтому на прокаливание обычно поступает влажный продукт. При температуре 400С аммиак удаляется практически полностью, вода - в большей части. Прокаливание диураната аммония при 600С связано с полным удалением аммиака и воды; однако в этих условиях уже протекает разложение триоксида урана на закись-окись урана и кислород.

При соблюдении некоторых условий вместо получения закиси-окиси в результате диссоциации аммиака 2NH3 N2 + 3H2 возможно и более глубокое восстановление урана до UO2+x, для чего достаточно трети аммиака, имеющегося в диуранате аммония. Полноте реакции способствует предварительное удаление влаги из соли, циркуляция газов из печи с их возвратом после удаления влаги, температура 750 - 800С [36-37].

В некоторых случаях прокаливание диураната аммония может быть связано с эффективной очисткой урана, например, от иона фтора. Этот процесс имеет большое значение при переработке флюоритовых и фосфоритно-апатитовых урановых руд, а также в переделе продуктов газодиффузионного производства и шлаков восстановительной плавки урана. Диуранат аммония, полученный из растворов, содержащих ион фтора, всегда загрязнен им. Это загрязнение может быть вызвано как осаждением труднорастворимых фторидов кальция и магния, так и сорбцией растворимых солей плавиковой кислоты. Наличие иона фтора в диуранате аммония может привести к значительной коррозии аппаратов последующих химико-технологических переделов.

При прокаливании диураната аммония, содержащего ион фтора, протекают следующие реакции:

(сорбированный фторид аммония разлагается и улетучивается в виде фтористого водорода и аммиака). До температур примерно 700С фтор практически не удаляется; заметное его отщепление происходит при температуре 900С. При более высоких температурах (порядка 950 - 1000С) фтор может быть удален почти количественно. Проведение процесса в кипящем слое связано с резким увеличением эффективности удаления иона фтора.

Получение оксидов урана из его пероксидов

Для получения оксидов урана методом прокаливания может быть использован пероксид урана UO4 . 2H2O, получающийся на одной из конечных стадий аффинажа урана и не содержащий нелетучих компонентов, кроме урана. При температуре около 400С разложение пероксида на воздухе протекает по реакции с образованием триоксида урана. Повышение температуры до 400 - 600С связано с разложением пероксида урана или полученного из него триоксида урана до закиси-окиси урана по реакции:

Так же, как и при прокаливании диураната аммония, примеси в большинстве своем концентрируются в оксидах урана. Количественно удаляются лишь вода, кислород и азот в результате сорбированного из азотнокислого раствора иона NO3.

Размеры частиц, а следовательно, удельная поверхность и реакционная способность получаемых оксидов зависят от условий прокаливания. Оптимальной температурой процесса принято считать 400 - 450С [38-39].

Получение оксидов урана из оксалата уранила

Оксиды урана могут быть получены при термической диссоциации оксалата уранила, который в интервале температур 120 - 210С теряет свою кристаллизационную воду. При дальнейшем повышении температуры до 350С идет образование триоксида урана:

При еще более высоких температурах 500 - 600С разложение оксалата уранила в вакууме или инертной атмосфере сопровождается образованием диоксида урана, что обусловлено восстанавливающим действием оксида углерода:

Диоксид урана, полученный термической диссоциацией оксалата уранила, пирофорен, легко взаимодействует с газообразным фтористым водородом т плавиковой кислотой [40-42]].

Получение оксидов урана из аммонийуранилтрикарбоната

Аммонийуранилтрикарбонат разлагается на воздухе при температуре 700 - 900С с образованием закиси-окиси урана [43]:

В этом же интервале температур, но в инертной атмосфере или под вакуумом разложение аммонийуранилтрикарбоната сопровождается образованием диоксида урана:

Роль восстановителя в данном случае играет диссоциирующий аммиак. Восстановление происходит вследствие диссоциации NH3. При соблюдении определенных условий удается получить диоксид урана состава UO2,05 - UO2,06, что удовлетворяет требованиям последующей операции гидрофторирования оксида для получения тетрафторида урана [43].

Восстановление высших оксидов урана до диоксида

Все рассмотренные методы получения оксидов урана давали в основном возможность получить высшие оксиды урана (триоксид и закись-окись урана). Для восстановления этих последних чаще всего используется водород или расщепленный аммиак при повышенных температурах. Прокаливание ниже 1000С независимо от парциального давления кислорода приводит к образованию окисла урана состава UO2,61 - 2,64. Скорость отщепления кислорода от триоксида урана зависит от температуры. В течение всего процесса прокаливания эта скорость остается примерно постоянной. Следует отметить, что дальнейшее повышение температуры уже меньше сказывается на изменении скорости реакции, в связи с чем при производстве закиси-окиси урана поддерживают температуру около 800С.

Скорость реакции восстановления закиси-окиси урана водородом зависит прежде всего от температуры [44].

1.4 Важнейшие минералы и руды урана

В настоящее время известно около 150 минералов, включающих уран как основной компонент, и еще около 50 других минералов, содержащих незначительные количества урана в качестве примесей. Урановые минералы можно разделить на две большие группы - первичные и вторичные.

Первичными называются минералы, образовавшиеся при формировании земной коры (как правило, магматического происхождения). Вторичные минералы - те, которые образовались на более поздних стадиях под действием природных факторов [45].

Основными минералами как первичных, так и вторичных месторождений являются уранинит и настуран.

Уранинит - содержит уран в виде оксида урана (IV) и имеет формулу UO2, хотя практически всегда содержит некоторое количество оксида урана (VI) UO3. Цвет минерала - черный; плотность 7,6 - 10 г/см ; содержание урана 62 - 95 %. В кислотах растворяется с трудом, лучше всего в концентрированной соляной кислоте, азотной кислоте, в серной кислоте - в присутствии окислителя [46].

Настуран (урановая смолка, смоляная обманка). Обычно минералу приписывают формулу U3O8, его состав переменен и более точная формула отвечает составу xUO2-yUO3-zPbO. «Обманкой» минерал называют за то, что он меняет цвет от черного до светло-серого, а смолкой - за то, что его зерна похожи на капли застывшей смолы.

Плотность настурана составляет 4,5 - 7,7 г/см ; содержание урана в нем 66 - 85 %. Как и уранинит, в кислотах настуран растворяется также с трудом: лучше всего в концентрированной соляной кислоте, азотной кислоте, в серной кислоте в присутствии окислителя.

Во вторичных месторождениях, наряду с уранинитом и настураном, часто встречаются гидратированные оксиды и соли урана - сульфаты, силикаты, фосфаты и др. Наибольшее практическое значение из них имеют: отенит - желто-зеленый гидратированный уранилфосфат кальция (Ca(UO2)2(PO4)2-8H2O), карнотит - желтый уранилванадат калия (K2(UO2)2(VO4)2-3H2O) и коффинит - гидратированный силикат урана (IV) (USiO ? ? OH) ? ) черного цвета [46].

Таблица 4.1.

Оценка мировых ресурсов урана (по состоянию на 1990 г.)

Разведанные

Доля от общих

Страна

месторождения урана, тыс. т U3O8

запасов, %

Австралия

889

27

Казахстан

558

17

Канада

511

15

ЮАР

354

11

Намибия

256

8

Бразилия

232

7

Россия

157

5

США

125

4

Узбекистан

125

4

Всего в мире

3 340

100

При существующих мировых ценах на уран экономически рентабельна разработка месторождений с содержанием > 0,1 % урана. Свыше 90 % известных дешевых резервных месторождений урана находятся на территории Австралии, Канады, ЮАР, США, Франции. Два месторождения конгломератных пород охватывают ~ 50 - 60 % запасов этих стран. К ним относятся месторождение в районе озера Эллиот, расположенное на севере от озера Гурон в Канаде, и золоторудные поля Ранда в ЮАР. Дополнительно от трети до четверти мировых запасов расположено в западных штатах США в виде отложений песчаника, основные массы которых распределены примерно поровну между плато Колорадо и бассейном Вайоминг и широко рассеяны по этим регионам. Важные залежи жильного типа расположены в Заире (ранее Бельгийское Конго), Канаде и в США [47].

1.5 Технология получения урана

Основной задачей технологии урана является получение урана в форме, пригодной для использования его в ядерных реакторах. Такими формами могут быть: уран металлический, диоксид урана, тетрафторид урана. В каждом конкретном случае, в зависимости от вида конечного продукта, выбирается своя технологическая схема переработки урановых руд [48].

Важным фактором, определяющим выбор технологической схемы, является требование ядерной чистоты урана, предназначенного для использования в ядерных реакторах. Содержание некоторых элементов в ядерном топливе (Cd, B, P.33. и др.) не должно превышать 10-6 - 10-5 % масс. Для достижения такой чистоты ядерных материалов требуются специальные методы очистки [49].

Специфику технологических схем переработки урановых руд определяют состав и свойства сырья. Обычно содержание урана в рудах колеблется от десятых до сотых долей процента. Из-за тонкой вкрапленности минералов урана в рудах последние не поддаются механическому обогащению и извлечение урана из руд в большинстве случаев проводится химическим путём.

Таким образом, химико-технологические схемы переработки урановых руд с учётом выше перечисленных условий представляют собой довольно сложные и многостадийные процессы [49].

Характеристика урановых руд

Основными технологическими характеристиками урановых руд являются [50-65]:

химический состав нерудной составляющей (вмещающей породы);

«контрастность» руды;

крупность зёрен урановых минералов и их агрегатов.

По химическому составу вмещающей породы урановые руды подразделяются на следующие разновидности:

а) силикатные, состоящие в основном из силикатных минералов;

б) карбонатные, содержащие более 15% карбонатов;

в) железо-окисные, представляющие собой комплексные железо-урановые руды;

г) сульфидные, содержащие более 20 % сульфидных минералов;

д) фосфатные, содержащие более 8 % P2O5 и др.

Химический состав нерудной составляющей играет решающее значение при выборе способа их химической переработки. Из силикатных руд уран выщелачивают кислотами; из карбонатных - содовыми растворами; сульфидные руды предварительно подвергают обжигу; железо-окисные руды подвергают переплавке, а затем уран выщелачивают из шлака и т.д.

Другой важной характеристикой урановых руд является «контрастность» - степень неравномерности содержания урана в кусковой фракции горной массы. По «контрастности» руды подразделяются:

а) «контрастные» - смесь богатых штуфов, содержащих основную массу урана и породы с низким содержанием урана, содержание урана в штуфах превышает в десятки раз среднее содержание урана во всей горнорудной массе;

б) «слабоконтрастные» - руды с более или менее равномерным распределением урана по всей горнорудной массе; могут быть руды с небольшим превышением урана в штуфах (в 3 - 5 раз).

Общая технологическая схема получения урана из руды представлена на рис. Рассмотрим отдельные стадии общей схемы.

Рис 1.1 Общая схема переработки урансодержащих руд

1.6. Мировой опыт бактериально химического подземного выщелачивания (ПВ) урана

Народнохозяйственная потребность к урану требует, что выпуск урановой продукции НГМК должен быть увеличен в 1,8 раза. В связи с этим возникла острая необходимость поиска альтернативных, взамен традиционным способам извлечения урана технологий [51-65].

Одним из направлений интенсификации процесса подземного выщелачивания (ПВ) урана является использование различных окислителей, выбор и практическое применение которых для целей ПВ имеет ряд сложностей и ограничений.

В настоящее время методы биогеотехнологии успешно используются в мировой практике для извлечения целого ряда металлов таких, как медь, золото, уран и др. [5-10].

Применение биотехнологии в процессах гидрометаллургии уменьшает загрязнение окружающей среды и позволяет вовлечь в переработку руды, извлечение металлов из которых традиционными методами неэкономично.

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, ниже статического уровня грунтовых вод, рудное тело должно иметь достаточную величину, конечная концентрация урана в растворах должна удовлетворять экономическим требованиям к процессу извлечения урана [26].

В Канаде в промышленных условиях проводится бактериальное выщелачивание урановых руд месторождения Элиот - Лейк. На шахте "Стенрок" кислые шахтные воды содержат 1,812 г/л 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 [27].

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 [28].

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 [29].

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 [30].

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 [31].

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 завершили в 1975 г. при ежегодном производстве урана 35 т [32].

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 [33].

2. Экспериментальная часть

2.1 Результаты исследований

2.1.1 Подземное бактериально-химическое выщелачивание ПВ урана из руд инфильтрационного типа

В 1999 году сотрудниками ЦНИЛ НГМК совместно с ИМБ АН РУз были проведены лабораторные исследования по выщелачиванию урана на трех рудных пробах с использованием двух штаммов бактерий А. fеrrоохidаns. Установлено, что применение бактерий увеличивает извлечение урана по сравнению с контрольным опытом на 8-24% и при благоприятных условиях снижает расход серной кислоты. Процесс выщелачивания протекал более эффективно в пробах с преобладанием сульфидной серы. В лабораторных опытах по выщелачиванию урана с использованием бактериальных растворов применялась так же биокультура, обработанная геомагнитным полем, после чего было установлено, что применение такой культуры сокращает время выщелачивания и снижает расход серной кислоты [36,37].

В 2000 году на отработанном блоке месторождения Бешкак проведены два локальных полевых опыта в режиме “рush-рuII”, с целью выявления принципиальной возможности крупно-масштабного культивирования бактерий в полевых условиях и последующего использования наработанной культуры для выщелачивания. В результате первого опыта, проведенного на закисленной и выведенной из эксплуатации (ввиду некондиционности содержаний) откачной скважине, продуктивность откаченного раствора возросла максимум в 25-30 раз, составив 641-773 мг/л. Эксперимент показал, что метод бактериально-химического окисления урана повышает эффективность процесса извлечения урана из отработанных блоков [36,37].

Для проведения укрупненных опытных работ по бактериальному выщелачиванию урана в непрерывном (фильтрационном) режиме, для апробации нового метода интенсификации извлечения урана было составлено техническое задание на проектирование опытного участка и технологическая инструкция. В 2001 году на опытной ячейке ПВ-11 месторождения Бешкак проводились натурные испытания по использованию микроорганизмов. Была показана возможность извлечения урана с использованием микроорганизмов в режиме фильтрационного выщелачивания на уровне кислотного ПВ. При функционировании установки в непрерывном режиме концентрация урана в растворах бактериального выщелачивания увеличилась в 1,6 раза, в растворах контрольной ячейки кислотного выщелачивания - в 1,4 раза. За период испытаний извлечение урана из продуктивных растворов бактериального выщелачивания составило 41,5 %, из контрольной ячейки - 28,2% [38-39].

В июле 2006-2011 гг. на залежи 5-1 месторождения “Кетменчи" проведена аналогичная работа в режиме “рush-рuII” на двух скважинах [40-42]. Эксперимент показал принципиальную возможность интенсификации процесса ПВ методом бактериально-химического окисления урана.

2.1.2 Характеристика исследуемых руд

Месторождение Кетменчи ЮРУ НГМК открыто в 1956 г., но в связи со сложными горнотехническими условиями его освоение было сначала отложено, а затем в 1967 г. возобновлено в результате начавшегося промышленного применения подземного выщелачивания, что привело к переоценке его перспектив и переводу запасов в разряд промышленных [41-42].

Месторождение Кетменчи локализовано в двух структурно-формационных ярусах: нижнем, представленном сложно дислоцированными палеозойскими отложениями, и верхнем, представленном слаболитифицированными отложениями осадочного мезокайнозойского чехла. Практически повсеместно развиты четвертичные отложения различной мощности.

На месторождении разведано 30 залежей, которые приурочены к горизонтам мелко - и среднезернистых песков, песчано-глинистых и гравийных пород на глинистом и известковом цементе, обогащенных органическим углеродом [43-44].

Форма рудных залежей самая разнообразная - от извилистых лент до изометричных трапеций. Протяженность залежей изменяется от 300-800 м до 1,5-2,0 км при ширине 50-150 м. Глубина залегания продуктивных пластов варьирует от 100 до 460 м. Внутри залежей распределение промышленных концентраций полезного компонента прерывистое, представлено в виде небольших блоков, сгруппированных на отдельных участках, разделенных безрудными промежутками пород на 5 км и более.

По химическому составу руды месторождения относятся к алюмосиликатным с малым содержанием карбонатов. Содержание СО2 в среднем близко к 1-2%. Высококарбонатные прослои (до 8-10% СО2) встречаются спорадически и составляют в общем объеме не более 5-10%.

По составу вмещающих пород месторождение представляет собой галечно-гравийный, песчаный и алеврито-глинистый материал. Отличие руд от вмещающих пород состоит, главным образом, в присутствии урановой минерализации до 1,5%. По содержанию урана руды месторождения Кетменчи в основном рядовые и бедные, каких-либо других промышленно ценных компонентов руды не содержат [45-46].

В глинисто-карбонатных рудах преобладает уран в U+4 форме. В песчаных рудах преобладает уран в U+6 форме. Рудовмещающие породы несут как правило неслоистую массивную текстуру. По составу урановой минерализации руды относятся к черновым. Незначительное количество находится в сорбированной форме в фосфоритах, растительном детрите и гидроокислах железа. Крайне редко отмечается настуран. Уранорганические соединения ассоциируются с органическими веществами. растительного происхождения [47-48].

...

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены