I - Đặt vấn đề Trong công nghệ uran có hai ph ơng pháp chính để hòa tách quặng uran: hòa tách bằng axit chủ yếu bằng axit sunfuric v hòa tách bằng hỗn hợp dung dịch cacbonat natri v bica
Trang 1Tạp chí Hóa học, T 42 (1), Tr 43 - 46, 2004
Nghiên cứu khả năng hòa tách quặng uran
bằng ph ơng pháp cacbonat
Đến Tòa soạn 9-4-2003
Thân Văn Liên
Viện Công nghệ Xạ hiếm
Summary
Two techniques are used for leaching uranium ores - acid leaching using mainly sulfuric acid and alkaline (using a mixture of sodium carbonate and bicarbonate) Alkaline leaching is particulary advantageous in the treastment of the ores with high content of carbonate minerals, since these minerals are not attacked by carbonate solutions The effect of oxidants, grind size, carbonate concentration and leaching time on the efficiency
of uranium recovery from the ores containing 3.5% of carbonate was investigated
I - Đặt vấn đề
Trong công nghệ uran có hai ph ơng pháp
chính để hòa tách quặng uran: hòa tách bằng
axit (chủ yếu bằng axit sunfuric) v( hòa tách
bằng hỗn hợp dung dịch cacbonat natri v(
bicacbonat natri Việc lựa chọn ph ơng pháp
n(o để hòa tách quặng phụ thuộc v(o dạng
quặng, đặc điểm th(nh phần khoáng vật v( hóa
học của quặng Nếu nh h(m l ợng canxit,
đôlômit v( manhetit trong quặng cao thì khi
hòa tách bằng ph ơng pháp axit đòi hỏi chi phí
nhiều axit; trong những tr ờng hợp nh vậy
th ờng sử dụng ph ơng pháp hòa tách cacbonat
l( thích hợp hơn cả B(i báo n(y trình b(y kết
quả hòa tách quặng có h(m l ợng uran 0,12%
v( h(m l ợng cacbonat 3,5% bằng ph ơng pháp
cacbonat
II - Ph ơng pháp nghiên cứu
Quặng uran đ ợc đập, nghiền trong máy
nghiền bi thanh v( s(ng phân cấp 1000 g quặng
có kích th ớc < 106 àm đ ợc hòa tách bởi 1 lít
hỗn hợp dung dịch cacbonat v( bicacbonat trong
bình phản ứng bằng thép không gỉ có dung tích
2 lít Thiết bị, dụng cụ dùng để nghiên cứu thí nghiệm hòa tách gồm có: thiết bị đun cách thủy dùng để duy trì nhiệt độ, máy khuấy cần mềm, máy đo độ pH v( thế oxi hóa của dung dịch Thí nghiệm hòa tách đ ợc tiến h(nh trong 48 giờ Sau các khoảng thời gian 2, 6, 12,
24, 36 v( 48 giờ lấy mẫu để phân tích Để lấy mẫu phân tích đ\ sử dụng pipet v( mỗi lần lấy mẫu l( 25 cm3 bùn, lọc v( rửa mẫu lần đầu bằng 25 ml dung dịch Na2CO3 5%, rửa lần 2 bằng 25 ml n ớc Phần b\ lọc v( n ớc rửa đ ợc phân tích để xác định uran bằng ph ơng pháp
đo quang
III - Kết quả v& thảo luận
1 ảnh h ởng của chất oxi hóa đến hiệu suất hòa tách
Trong quặng, uran tồn tại ở dạng hóa trị 6 v( hóa trị 4, đặc biệt trong quặng ch a phong hóa phần lớn uran tồn tại ở dạng hóa trị 4 (UO2) Để hòa tách quặng uran ch a phong hóa bằng dung dịch Na2CO3 đòi hỏi phải sử dụng chất oxi hóa để chuyển uran từ trạng thái hóa trị
4 sang trạng thái hóa trị 6 theo ph ơng trình phản ứng sau:
Trang 2UO2 + (1/2) O2 + 3Na2CO3 + H2O
Na4[UO2(CO3)3]+ 2NaOH
Nh vậy, cũng nh trong tr ờng hợp hòa
tách bằng axit, một trong những nhiệm vụ quan
trọng của ph ơng pháp hòa tách cacbonat l(
phải oxi hóa uran hóa trị 4 trong môi tr ờng
cacbonat
Chúng tôi đ\ tiến h(nh nghiên cứu ảnh
h ởng của những chất oxi hóa khác nhau nh KMnO4, NaOCl, oxi của không khí lên hiệu suất hòa tách quặng Kết quả đ ợc chỉ ra ở bảng 1 Từ kết quả thực nghiệm cho thấy khi sử dụng MnO4-l(m chất oxi hóa cho hiệu suất hòa tách uran lớn nhất, còn khi dùng oxi không khí cho hiệu suất hòa tách uran nhỏ nhất
Bảng 1: ảnh h ởng của các chất oxi hóa lên hiệu suất hòa tách quặng uran
Hiệu suất hòa tách sau các khoảng thời gian, % Chất oxi hóa
2 giờ 6 giờ 12 giờ 24 giờ 36 giờ 48 giờ MnO4
-68,1 70,2 72,8 75,0 78,1 81,3
2 ảnh h ởng của kích th ớc hạt đến hiệu
suất hòa tách
ảnh h ởng của kích th ớc hạt đến hiệu suất
hòa tách đ ợc chỉ ra ở bảng 2 (hòa tách đ ợc
tiến h(nh ở nhiệt độ 900C, thời gian 48 giờ)
Kết quả cho thấy rằng kích th ớc hạt có ảnh
h ởng đáng kể đến hiệu suất hòa tách, trong
cùng một điều kiện hòa tách nh nhau nh ng
nếu cỡ hạt từ 300 đến 212 àm thì hiệu suất hòa
tách chỉ đạt 73,4% Trong khi đó, nếu cỡ hạt <
75 àm thì hiệu suất hòa tách đạt tới 82,5% Nh
vậy, điều cần chú ý khi sử dụng ph ơng pháp
hòa tách cacbonat l( quặng phải đ ợc nghiền mịn để tách khoáng uran ra khỏi những th(nh phần khác có trong quặng tạo điều kiện cho tác nhân hòa tách tiếp xúc với khoáng uran đ ợc dễ d(ng Nếu quặng không đ ợc nghiền mịn sẽ hạn chế tốc độ hòa tan uran, v( trong tr ờng hợp n(y muốn tăng hiệu suất hòa tách phải kéo d(i thời gian hòa tách quặng Tuy nhiên, trong thực tế cần tính toán so sánh các số liệu về chi phí nghiền v( các chi phí khác kèm theo nếu kéo d(i thời gian hòa tách quặng, từ đó lựa chọn kích th ớc thích hợp cho từng loại quặng uran cụ thể
Bảng 2: ảnh h ởng của kích th ớc hạt đến hiệu suất hòa tách
Kích th ớc hạt, àm 300ữ212 212ữ150 150ữ106 106ữ75 < 75
3 ảnh h ởng của nồng độ cacbonat lên hiệu
suất hòa tách quặng
Ph ơng trình phản ứng cơ bản của quá trình
hòa tách quặng uran bằng dung dịch cacbonat
có thể biểu diễn nh sau:
UO3+ 3 Na2CO3 + H2O
Na4[UO2(CO3)3]+ 2 NaOH
UO2 + (1/2) O2 + 3Na2CO3 + 2H2O
Na4[UO2(CO3)3]+ 2NaOH
Nh vậy l( trong quá trình hòa tách quặng giải phóng ra NaOH tự do cho nên sẽ l(m tăng
độ pH của dung dịch, điều n(y tạo điều kiện cho việc kết tủa diuranat natri Na2U2O7 Vì vậy, trong ph ơng pháp cacbonat không chỉ thuần túy sử dụng Na2CO3m( sử dụng dung dịch hỗn hợp cacbonat v( bicacbonat (khoảng 15 - 30%) Lúc đó l ợng NaOH giải phóng ra sẽ tác dụng với bicacbonat theo phản ứng sau:
NaOH + NaHCO3 Na2CO3 + H2O
Trang 3Vì vậy, nồng độ ion OH trong dung dịch sẽ
không tăng lên v( ngăn chặn đ ợc hiện t ợng
kết tủa uran d ới dạng muối diuranat natri
ảnh h ởng của nồng độ cacbonat lên hiệu
suất hòa tách quặng (khi nồng độ bicacbonat
không đổi) đ ợc chỉ ra ở bảng 3 v( đ ợc minh
họa ở hình 1
Từ kết quả thực nghiệm cho thấy khi nồng
độ cacbonat lớn hơn 0,33 M (t ơng đ ơng
khoảng 35 g/l) tốc độ phản ứng hầu nh không
phụ thuộc v(o nồng độ cacbonat Điều n(y có
thể giải thích nh sau: khi nồng độ cacbonat đủ
lớn tốc độ phản ứng đ ợc xác định bởi sự cung
cấp chất oxi hóa đến bề mặt phản ứng v( tỷ lệ
với l ợng chất oxi hóa có trên bề mặt Trong
điều kiện khuấy trộn mạnh, quá trình hòa tan
uran có thể chuyển v(o miền động học m( ở đó tốc độ hòa tan quặng đ ợc xác định bởi tốc độ oxi hóa để chuyển uran từ trạng thái hóa trị 4 sang trạng thái hóa trị 6 Các phản ứng lúc n(y
có thể biểu diễn nh sau:
U4+ - 2e U6+ (phản ứng xảy ra chậm),
UO3+ 3CO2
3 + H2O [UO2(CO3)3]
4-+ 2OH- (phản ứng xảy ra nhanh),
OH_ + HCO3 CO2
3 + H2O (phản ứng xảy ra nhanh)
Điều n(y cũng giải thích vì sao khi sử dụng
l ợng chất oxi hóa 3,0 kg KMnO4/ 1 T quặng lại cho hiệu suất hòa tách cao hơn so với tr ờng hợp sử dụng 1,0 kg KMnO4/ 1 T quặng
Bảng 3: ảnh h ởng của nồng độ cacbonat lên hiệu suất hòa tách quặng
Hiệu suất hòa tách, % (1,0 kg KMnO4/ T quặng) 31,8 54,3 73,6 76,4 76,8 Hiệu suất hòa tách, % (3,0 kg KMnO4/ T quặng) 40,5 65,3 81,3 82,4 82,7
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Nồng độ Na2CO3, M
KMnO4: 1,0 kg/T KMnO4: 3,0 kg/T
Hình 1: Sự phụ thuộc hiệu suất hòa tách uran v(o nồng độ Na2CO3
4 Sự phụ thuộc của hiệu suất hòa tách v,o thời gian hòa tách
Sự phụ thuộc của hiệu suất hòa tách v(o thời gian hòa tách đ ợc chỉ ra ở bảng 4
Bảng 4: Sự phụ thuộc của hiệu suất hòa tách v(o thời gian hòa tách
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
Nồng độ Na2CO3, M
KMnO4: KMnO4:
Trang 45 So sánh một số th,nh phần chủ yếu của
dung dịch hòa tách thu đ ợc theo ph ơng
pháp cacbonat v, ph ơng pháp axit
Sản phẩm dung dịch uran thu nhận đ ợc từ
ph ơng pháp hòa tách cacbonat v( ph ơng pháp
hòa tách axit trên cùng một đối t ợng quặng
đ ợc chỉ ra ở bảng 5 So với sản phẩm dung dịch uran thu đ ợc bằng ph ơng pháp hòa tách axit thì rõ r(ng ph ơng pháp hòa tách cacbonat n(y có độ chọn lọc tốt hơn
Bảng 5 Th(nh phần dung dịch hòa tách bằng các ph ơng pháp khác nhau
Th(nh phần dung dịch, g/l Hòa tách cacbonat Hòa tách axit
IV - Kết luận
- Đ\ tiến h(nh nghiên cứu ảnh h ởng của
các thông số nh kích th ớc hạt, nồng độ
cacbonat, chất oxi hóa, thời gian hòa tách trong
điều kiện áp suất không khí lên hiệu suất hòa
tách quặng uran Kết quả cho thấy với các thông
số: nhiệt độ 900C, nồng độ Na2CO335,0 g/l v(
NaHCO315,0 g/l, chất oxi hóa KMnO43,0 kg /
1 T quặng, thời gian hòa tách 48 giờ cho hiệu
suất hòa tách uran đạt gần 81,3%
- So với ph ơng pháp hòa tách bằng axit,
ph ơng pháp hòa tách cacbonat có u điểm:
Tránh đ ợc sự ăn mòn, do đó thiết bị hòa tách
quặng chỉ cần l(m bằng nguyên liệu thép thông
th ờng l( đủ Hòa tách bằng ph ơng pháp
cacbonat có tính chọn lọc cao hơn, các nguyên
tố nh Fe, Al, Ti, Si có trong quặng hầu nh
không hòa tan hoặc hòa tan rất ít, do đó sẽ thu
nhận đ ợc dung dịch sạch hơn, vì vậy, có thể
kết tủa trực tiếp để thu hồi sản phẩm uran kỹ
thuật từ dung dịch hòa tách L(m việc với dung
dịch cacbonat sẽ an to(n hơn cho ng ời lao
động so với l(m việc với dung dịch axit
- Bên cạnh những u điểm đ\ nêu, ph ơng pháp hòa tách cacbonat có những nh ợc điểm
nh : hiệu suất hòa tách uran thấp hơn, quặng phải nghiền mịn hơn nên khó khăn cho khâu lọc rửa tiếp theo, không thể sử dụng ph ơng pháp chiết để thu hồi uran từ dung dịch hòa tách cacbonat
- Để nâng cao hiệu suất hòa tách bằng
ph ơng pháp cacbonat cần sử dụng các biện pháp nh : tăng nhiệt độ của quá trình v( tiến h(nh hòa tách d ới áp lực (sử dụng ôtôcla) hoặc kéo d(i thời gian hòa tách quặng
T&i liệu tham khảo
1 Uranium Extraction Technology Technical Report Series, No 3590 International Atomic Energy Agency (1993)
2 Cao Hùng Thái, Thân Văn Liên Tạp chí Hóa học, T 38, số 2 (2000)
3 R C Meritt Extrative Metallurgy of Uranium
Colorado Schooll of Mines Res Inst Golden (1971)
