Xử lý quặng uran khu vực pà lừa bằng kỹ thuật trộn ủ ở quy mô 500kg quặng mẻ để thu uran kỹ thuật

Để đạt được những mục tiêu đã đặt ra, đề tài đã tập trung nghiên cứu chi tiết các vấn đề về gia công quặng, xác định các chế độ và kỹ thuật tạo hạt phần quặng mịn đảm bảo độ bền nén, độ

Bé Khoa häc vµ C«ng nghÖ ViÖn n¨ng l−îng nguyªn tö viÖt nam

Danh sách những người tham gia thực hiện đề tài

1 Cao Hùng Thái TS Trung tâm CNXL quặng

2 Lê Thị Kim Dung ThS Trung tâm CNXL quặng

3 Phùng Vũ Phong ThS Trung tâm CNXL quặng

4 Trần Văn Sơn KS Trung tâm CNXL quặng

6 Hoàng Bích Ngọc CN Trung tâm CNXL quặng

7 Nguyễn Hồng Hà CN Trung tâm CNXL quặng

8 Vũ Khắc Tuấn CN Trung tâm CNXL quặng

9 Vũ Hưng Triệu KS Trung tâm XLCTPX&MT

10 Trần Văn Hòa KS Trung tâm Triển khai công nghệ

11 Nguyễn Duy Pháp ThS Trung tâm CN Tuyển khoáng

12 Đoàn Thanh Sơn ThS Trung tâm Phân tích

Ký hiÖu viÕt t¾t

SWCC: Soil water characteristic curve

CPH : QuÆng ch−a phong hãa

Tóm tắt

Đề tài được thực hiện nhằm mục tiêu nghiên cứu bổ sung một số vấn đề về kỹ thuật trộn ủ với axit và rửa thu hồi urani từ quặng cát kết khu vực Pà Lừa để xây dựng trình công nghệ xử lý quặng có tính hiệu quả cao và tính toán và thiết kế sơ bộ một số thiết bị chính quy mô 2 tấn quặng/mẻ

Để đạt được những mục tiêu đã đặt ra, đề tài đã tập trung nghiên cứu chi tiết các vấn đề về gia công quặng, xác định các chế độ và kỹ thuật tạo hạt phần quặng mịn

đảm bảo độ bền nén, độ thấm, xác định các thông số cho quá trình trộn ủ, nghiên cứu quá trình rửa quặng trên cột và tính toán, thiết kế sơ bộ một số thiết bị chính quy mô 2 tấn quặng/mẻ

Trong quá trình thực hiện, đề tài đã đưa ra được quy trình công nghệ đảm bảo hiệu suất thu hồi urani cao Đó là:

ư Trong quá trình gia công quặng, việc sử dụng quy trình đập 2 cấp đưa về cấp hạt thích hợp cho công đoạn xử lý, đảm bảo giảm thiểu phần hạt mịn và tiêu hao năng lượng;

ư Việc tạo hạt phần quặng mịn giúp tránh được hiện tượng tắc cột trong công đoạn rửa Chế độ công nghệ không quá khắt khe, quy trình đơn giản, nhưng làm tăng chi phí axit và tiêu hao năng lượng, giảm hiệu suất thu hồi urani Trong trường hợp cột rửa có độ cao lớn thì cần thiết phải có công đoạn này, đặc biệt quặng có nhiều loại phong hóa;

ư Trong giai đoạn trộn với axit, cần đập quặng xuống dưới 2,5 cm, chi phí axit 30 - 55 kg/tấn quặng (tùy thuộc vào loại quặng), độ ẩm 10 - 12%, chất KClO3 khoảng 3 kg/tấn quặng và thời gian ủ là 3 ngày; Lưu ý là phải ủ quặng trước khi đưa vào cột rửa;

ư Trong quá trình rửa bã quặng, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi urani như thành phần cấp hạt, tốc độ tưới, chiều cao lớp, lượng nước rửa, nhưng cơ bản nhất vẫn là tốc độ tưới Bản thân tốc độ tưới cũng phụ thuộc vào thành phần cấp hạt, loại quặng Kỹ thuật rửa nhiều bậc trong công đoạn rửa làm giảm tiêu hao nước, tăng nồng độ urani và các tạp chất trong dung dịch hòa tách Hiệu suất thu hồi urani có thể đạt từ 80 - 90%

ư Việc xử lý dung dịch hòa tách bằng trao đổi ion sau đó kết tủa sản phẩm bằng

NH4OH đã thu được sản phẩm đạt chất lượng cao (trên 80% U3O8) Hàm lượng tạp chất không đáng kể

Đề tài cũng đã tính toán các thông số cơ bản và thiết kế sơ bộ của các thiết bị trộn, tạo hạt và hệ cột rửa cho quy mô xử lý 2 tấn quặng/cột trên cơ sở các kết quả nghiên cứu

Với sự nỗ lực vủa tất cả các thành viên tham gia, đề tài đã hoàn thành các nội dung đúng tiến độ Kết quả của đề tài hoàn toàn có thể làm cơ sở tin cậy cho các nghiên cứu sau này

Abstract

The objective of this project is complementary research to determine the approriate technological regime in the processing of Palua uranium - bearing sandstone ore by mixing and curing with sunphuric acid to develop an effectively technological flowsheet

Main content of the project includes regime of ore crushing, pelletization

of fine ore, mixing and curing with sunphuric acid, washing to recover uranium Based on the data technological parameters, has been calculated and designed for the processing of Palua uranium- bearing sand stone ore on a scale of 2 tonnes/batch

Based on results, a effectively technological flowsheet was developed, such as:

- The approriate ore crushing regime consists of 2 stages;

- The necessary parameters for pelletization of a part of uranium - bearing sand stone ore under 300 µm size has been pointed out to eliminate blockage in the processing

- Approriate technological regime in mixing with sulfuric acid is maximum size of ore: 2,5 cm, acid consumption: 30 - 55 kg/ton, humidity: 10 - 12%, KClO3 consumption: 3 kg/ton, curing time: 3 days

- The optimum regime for washing stages has been established with a high recovery efficiency of about 80%-90%

- The main equipment have been calculated and designed in the technological flowsheet for processing 2 tonnes of uranium - bearing ore per batch

Concentration and purification of leach solution by ion exchange and then precipitation with NH4OH and H2O2 obtained yellowcake containg >80% U3O8, content of impurities reached ASTM standard

Mở đầu

Trong những năm gần đây, có 441 lò điện hạt nhân hoạt động ở 31 quốc gia trên thế giới với tổng sản lượng điện trên 364 000 MWe, chiếm trên 16% tổng điện năng trên toàn thế giới, chỉ sau nguồn than (40%) và thuỷ điện (19%) Nhiều quốc gia cũng xây dựng các lò nghiên cứu để cung cấp nguồn neutron phục vụ nghiên cứu khoa học, sản xuất thuốc, đồng vị công nghiệp và các mục

đích hoà bình khác Để các lò phản ứng hoạt động, tổng nhu cầu urani là 68.357

tU (năm 2005) Trong khi đó cũng năm 2005, các cơ sở từ 18 quốc gia chỉ sản xuất được tổng cộng khoảng 41.360 tU Như vậy lượng urani được sản xuất ra chỉ đáp ứng được gần 60% nhu cầu [14] Số thiếu hụt này đang được bổ sung bằng nguồn thứ cấp Giá urani hiện nay biến động rất nhiều

Hội đồng Năng lượng thế giới đã khẳng định, nếu muốn thực hiện các thoả thuận đã cam kết tại Kyoto, hạn chế việc thải khí gây hiệu ứng nhà kính vào khí quyển thì giải pháp duy nhất là phải tăng gấp 3 lần số nhà máy điện nguyên tử từ nay đến năm 2030 Cơ quan năng lượng hạt nhân quốc tế dự báo sẽ

có 60 nhà máy điện nguyên tử ra đời trong vòng 15 năm tới Nếu khai thác đủ

để cung cấp cho tất cả các nhà máy hiện nay và trong tương lai, các mỏ urani cũng sẽ cạn vào năm 2050 Theo Philippe Garderet, Giám đốc phụ trách nghiên

cứu của Areva thì: "Với đà khai thác hiện nay, các mỏ urani sẽ cạn kiệt trong vòng từ 40 - 50 năm Còn nếu nhu cầu tăng nữa, tức kéo theo mức tăng sản xuất, thời gian khai thác giảm xuống còn 30 năm"

Trước nguy cơ cạn kiệt của nguồn và sự leo thang giá uran, ngoài tìm các giải pháp cải tiến chu trình nhiên liệu, chế tào lò phản ứng thế hệ mới, nhiều công ty đã tăng cương tìm kiếm và khai thác các mỏ urani mới Hơn nữa, từ đầu năm 2006, Chính phủ ta đã chính thức cho phép xây dựng nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở Việt Nam, dự kiến đưa vào hoạt động vào khoảng 2017 - 2020 Trong bối cảnh này, việc tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện và lựa chọn công nghệ

xử lý quặng urani Việt Nam thích hợp nhất, từng bước nâng quy mô xử lý là việc làm hết sức cần thiết và quan trọng trong thời điểm hiện nay Điều này vừa phù hợp xu thế phát triển trên thế giới, vừa có thể có cơ sở vững chắc khi xây dựng các cơ sở sản xuất urani trong nước để nội địa hoá nhiên liệu cho các nhà máy điện hạt nhân trong tương lai

Đề tài “Xử lý quặng urani khu vực Pà Lừa bằng kỹ thuật trộn ủ ở quy mô

500 kg/mẻ để thu urani kỹ thuật” được xây dựng nhằm mục tiêu nghiên cứu bổ

sung một số vấn đề về kỹ thuật trộn ủ với axit và rửa thu hồi urani từ quặng cát kết khu vực Pà Lừa để hoàn thiện bộ số liệu trong quy trình xử lý quặng, xây dựng được quy trình công nghệ xử lý quặng có tính hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao, tính toán và thiết kế sơ bộ một số thiết bị chính quy mô 2 tấn quặng/mẻ trên cơ sở các số liệu trong đề tài và các đề tài trước đây

Để đạt được những mục tiêu đã đặt ra, đề tài đã tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

1) Gia công quặng:

+ Lấy mẫu đại diện để phân tích khoáng vật, thành phần hóa học

+ Phương pháp đập quặng, tính toán chi phí năng lượng

2) Xác định các chế độ và kỹ thuật tạo hạt phần quặng mịn đảm bảo độ bền nén,

độ thấm: độ hạt quặng, loại và lượng chất kết dính, độ ẩm, tốc độ quay

3) Xác định các thông số cho quá trình trộn ủ: khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm, kích thước quặng, tiêu hao axit, tiêu hao chất ôxy hoá, thời gian tới hiệu suất tách uran

4) Nghiên cứu quá trình rửa quặng trên cột:

+ Khảo sát các yếu tổ ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi uran: tỷ lệ phần quặng mịn, chiều cao lớp quặng, tốc độ, lượng nước rửa

+ Xác định số bậc trong quá trình rửa nhiều bậc ngược chiều

5) Xử lý dung dịch hoà tách để thu hồi uran

6) Tính toán và thiết kế sơ bộ một số thiết bị chính quy mô 2 tấn quặng/mẻ:

+ Tính toán các thông số cơ bản của các thiết bị chính trong dây chuyền công nghệ xử lý quặng

+ Thiết kế sơ bộ: máy trộn quặng, máy tạo hạt, hệ thiết bị rửa

Các nội dung của đề tài được thực hiện trong 20 tháng từ tháng 05/2006

đến tháng 12/2007 tại Trung tâm Công nghệ xử lý quặng và một số đơn vị khác thuộc Viện Công nghệ xạ hiếm với tổng kinh phí 330 triệu đồng từ Ngân sách nhà nước Việc sử dụng kinh phí hoàn toàn đúng theo quy định của Nhà nước

Trên cơ sở các kết quả của đề tài sẽ tiến hành chế tạo hệ thống thiết bị

đồng bộ và xử lý quặng trên hệ thiết bị này, đánh giá chi phí, dòng vật chất, năng lượng của toàn bộ dây chuyền xử lý trong giai đoạn 2008 - 2009 Từ đó

đánh giá ý nghĩa kinh tế của khu mỏ này Việc thực hiện đề tài cũng là cơ hội rất tốt để đào tạo các cán bộ nghiên cứu trẻ, giúp họ có được những kiến thức cơ bản và từng bước làm chủ công nghệ xử lý quặng urani

Phần I Tổng quan I.1 Cơ sở phương pháp

I.1.1 Urani trong tự nhiên

Urani là một kim loại nặng, màu sáng bạc, tự cháy khi bị chia nhỏ, mềm hơn thép một chút, dễ dát mỏng, dễ kéo sợi Trong không khí nó bị phủ bởi một lớp ôxyt Làm việc với urani cần có kiến thức về nồng độ cho phép tối đa mà con người có thể hít hoặc ăn vào cơ thể con người [20] Urani hiện nay được cho

là khá phổ biến trong tự nhiên (với hàm lượng khoảng 2,3 gam/tấn trong vỏ trái

đất [19]), chiếm vị trí thứ 48 trong số các nguyên tố, nhiều hơn đồng, antimon, bạc hay cadmi và xấp xỉ với molybden, asen Nó nằm trong rất nhiều khoáng như pitchblende, uraninite, carnotite, autunite, uranophane, and tobernite Nó cũng được tìm thấy trong đá phosphate, lignite, monazite và có thể thu được từ các nguồn này Urani có nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp

I.1.1.1 Quặng cát kết

Theo các loại hình địa chất, Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã chia các trầm tích chứa urani đã biết trên thế giới thành 15 loại quặng chính và xắp xếp theo ý nghĩa kinh tế của chúng, chẳng hạn quặng bất chỉnh hợp, cát kết, phôtphorit, dạng núi lửa phun trào, dạng mạch vỉa, đá trầm tích biến chất Trong số đó, quặng cát kết đứng thứ hai, chỉ sau loại quặng bất chỉnh hợp [17]

Trầm tích cát kết thường xuất hiện ở dạng cát kết chứa cacbon và (hoặc pirit) trên các sông hay bờ biển Đá chủ phổ biến là dễ vụn và thường kết hợp với các vật liệu dạng túp Pitchblende và coffinite là các khoáng phổ biến nhất của quặng chưa ôxy hóa Các khoáng thứ sinh của urani như carnotite, tyuyamunite và uranophane thường có trong các vùng quặng ôxy hóa Urani kết tủa trong điều kiện khử do nhiều tác nhân khử có trong cát kết như các vật liệu chứa cacbon, sunfua (pirit, H2S), hydrocacbon và các vật liệu chứa sắt-magiê Ngoài urani trong cát kết, hàm lượng của các nguyên tố như Mo, Se, Cu và V cũng có thể là đáng kể Một đặc điểm rất quan trọng của trầm tích loại này là đá chủ có độ xốp và tính thấm tốt và bị bao bọc bởi các tầng có tính thấm kém hơn Nhìn chung, có thể thu hồi urani từ loại quặng này bằng phương pháp rẻ tiền như hòa tách in situ

Quặng cát kết đóng góp khoảng 18% trữ lượng urani trên thế giới Hàm lượng urani trong cát kết phổ biến từ 0,05 - 0,4% U3O8 Dạng cát kết có ở các nước như Mỹ, Nigiê, Kazakhstan, Nga, Uzbekistan, Bungari, Trung Quốc, Cộng hòa Séc, Gabon, Hungari, Nhật, Pakistan [17]

Quặng cát kết khu vực Pà Lừa

Vị trí địa lý: Mỏ urani Pà Lừa nằm ở hai thôn Pà Lừa và Pà Tôi thuộc xã Tabhinh, huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam Đây là khu vực có địa hình núi cao, bị phân cắt mạnh, nằm cách thành phố Đà Nẵng khoảng 120 km về phía tây nam

Đặc điểm địa chất: Mỏ urani Pà Lừa phân bố ở phần tây nam của nếp lõm sông Bung, là một phần của trũng chồng Nông Sơn, được lấp đầy bởi các trầm tích lục nguyên có tuổi Mesozoi Tham gia vào cấu trúc địa chất của khu mỏ có mặt các thành tạo trầm tích cả phân hệ tầng dưới - hệ tầng An Điềm (T3nađ1) Phân

hệ tầng này được chia làm 3 tập:

Tập 1: T3nađ11: là tập nằm sát đáy, phủ bất chỉnh hợp lên các đá diorit, granodiorit của phức hệ Bến Giằng - Quế Sơn Các đá của tập này bao gồm sạn kết chứa cuội màu tím gụ, cát kết hạt thô màu tím gụ, đặc điểm dễ nhận biết là các hòn cuội, thường là thạch anh có màu hồng Chiều dày của tập này từ 30 -

+ Lớp 3 nằm trực tiếp lên lớp 2 bao gồm các đá cát kết hạt thô, hạt trung màu tím nhạt, trên mặt ít xuất lộ trong khu mỏ, chỉ quan sát được ở một

số các điểm lộ tuyến 24, dưới sâu bắt gặp hầu hết ở các lỗ khoan (LK.1,

2, 3, 6, 11, 12, 13, 16) Bề dày lớp dao động từ 10 - 16 m

+ Lớp 4 phân bố thành dải hẹp chuyển tiếp lên trên lớp 3 bao gồm các đá cát kết hạt thô, hạt trung màu xám, xám sáng đôi chỗ trong cát kết chứa sạn Diện lộ tương đối rộng có thể quan sát được trên các điểm lộ khe Chính P1, P2, khe Cửa Hàng còn ở dưới sâu bắt gặp ở các lỗ khoan 1, 5,

11, 12, 13, 15, Trong lớp đá có chứa các thân quặng và thấu kính quặng urani Bề dày lớp dao động từ 20 - 40 m

+ Lớp 5 là lớp nằm trên cùng của hệ lớp 2a bao gồm các đá cát kết hạt nhỏ màu xám tạo thành dải hẹp theo hướng bắc nam, diện lộ lớp có thể theo dõi được ở các vỉa lộ khe Chính P1, P2, khe Cửa Hàng (phần trên mặt) và

các lỗ khoan 1, 5, 11, 12, 13, (phần dưới sâu) Bề dày dao động từ 1 -

10 m

Hệ lớp trên:

Các đá hệ lớp này lộ ra liên tục, phủ trực tiếp lên các đá của hệ lớp dưới Trên mặt có thể quan sát được trên mặt cắt AB, tuyến 24, khe P1, khe Cửa Hàng và dưới sâu trong các lỗ khoan 10, 11, 12, 13, 14, 15, 19 Mặt cắt của hệ lớp này được chia làm 2 lớp (từ dưới lên)

• Lớp 1 nằm trực tiếp lên các đá của hệ lớp dưới gồm các đá cát kết hạt thô

đến trung bình có chứa sạn màu xám, ở trên mặt quan sát được ở khe suối Chính và khe Cửa Hàng, vết lộ 20, dưới sâu có thể quan sát được ở các lỗ khoan 12, 13, 17, 10, 11 Bề dày của lớp này khoảng 10 m

• Lớp 2 là lớp cát kết hạt nhỏ màu xám, đôi chỗ là lớp bột kết màu xám Đá

bị phong hoá có màu xám vàng, xám nâu, bở rời ở trên mặt có thể quan sát được ở các vết lộ 3080, 1295, hào 218, Trong tập này có chứa thân quặng urani

Bề dày của các tập trong các lỗ khoan thay đổi từ vài mét đến hàng chục mét Bề dày của cả tập dao động từ 80 - 100 m

Tập 3: T3nađ13

Đặc điểm khoáng hoá urani khu vực Pà Lừa:

Kết quả công tác tìm kiếm tỷ lệ 1:10.000 và đánh giá tỷ lệ 1:2.000 đã chỉ

ra trong diện tích khu Pà Lừa tồn tại 3 lớp đá chứa quặng Tổng hợp các tài liệu cho thấy các dị thường phóng xạ hầu hết nằm trong phần thấp của hệ tầng An

Điềm, có thể xếp các dị thường xạ vào ba lớp đá chứa quặng 1, 2 và 3 Trong các lớp đá chứa quặng có các thân quặng và trong các thân quặng có các thấu kính quặng phân bố phức tạp, rất không đồng đều

Các kết quả nghiên cứu cho thấy trong diện tích khu mỏ có ba lớp đá chứa quặng là 1, 1a và 2 Kết quả đánh giá chi tiết trên diện tích 2,8 km2 đã khẳng định trong diện tích khu mỏ có ba lớp đá chứa quặng và được đánh số thứ

tự từ dưới lên là 1, 2 và 3 Lớp đá chứa quặng ở đây là lớp đá có thành phần thạch học tương đồng, trên bản đồ đồng lượng gamma tỷ lệ 1:2.000 nằm trong giới hạn đường đồng lượng có giá trị cường độ phóng xạ ≥ 30 àR/h (đo không màn chắn chì) và chứa các thân quặng urani công nghiệp Các thân quặng urani công nghiệp là các ổ, thấu kính, chuỗi thấu kính có hàm lượng U3O8 ≥ 0,01% Mỗi thân quặng lớn bao gồm các thân quặng nhỏ và được đánh số thứ tự từ 1, 1-1, 2, 2-1, 3, 3-1, và trong các thân quặng gồm các thấu kính quặng được

ký hiệu ví dự như 1-1a, 1-1b, 2a, Những đặc điểm chính của các lớp đá chứa quặng được mô tả như sau:

ư Lớp đá chứa quặng số 1 nằm ở phần thấp (hệ lớp 2a) của tập 2 phân hệ tầng An Điềm dưới Diện lộ của lớp này khá tốt có thể theo dõi được liên tục kéo dài từ tây bắc xuống đông nam theo đường phương chiếm một diện tích khá lớn trong khu mỏ Có nhiều dị thường đáng chú ý Cường độ phóng xạ trên các dị thường của lớp đá này khá cao, có điểm cao nhất là

VL 4-542 lên tới > 3.000 àR/h Quặng hoá nằm trong các đá hạt thô là chính, bao gồm sạn kết, cát sạn kết Hàm lượng U3O3 dao động lớn từ 0,001 - 0,675% Tính cho cả lớp thì hàm lượng trung bình đạt 0,046% với

hệ số biến thiên 176% Nếu lấy hàm lượng biên Cb ≥ 0,01% thì hàm lượng trung bình của lớp đạt 0,063% (với hệ số biến thiên 144%) Bề dày của lớp đá chứa quặng 1 theo mặt cắt trên mặt từ 30 - 60 m theo hướng dốc 30 - 50 m Mức độ biến thiên chiều dày theo đường hướng dốc tương

đối phức tạp Tại một số vỉa lộ trên lớp đá chứa quặng 1 phát hiện được khoáng vật urani nguyên sinh là nasturani và bằng mắt thường tại một số vỉa lộ có thể quan sát được các khoáng urani thứ sinh Trong lớp này có hai thân quặng có giá trị công nghiệp là thân quặng 1 và thân quặng 1-1 Trong thân quặng có nhiều thấu kính quặng

ư Lớp đá chứa quặng số 2 cũng nằm trong hệ lớp 2a phân hệ tầng An Điềm dưới ở trên mặt diện lộ của lớp này tương đối phổ biến, tạo thành dài kéo dài từ tây bắc xuống đông nam Bề dày của lớp thay đổi từ 20 - 50 m (trên mặt) và 20 - 40 m (dưới sâu) Trụ lớp là cát kết màu tím nhạt và có danh giới trùng với danh giới giứa lớp 3 và lớp 4 của hệ lớp 2a Vách là cát kết màu xám hạt nhỏ danh giới trùng với danh giới lớp 4 và 5 Đá chứa thân quặng chính là cát kết hạt trung bình và ít hơn là sạn, cát kết Giữa hai lớp

1 và 2 có lớp mỏng cát kết màu xám - tím loang lổ và chiều dài của lớp theo đường phương tới hàng nghìn mét Cường độ phóng xạ lớp này khá cao và duy trì theo đường phương khá ổn định, có những vết lộ kéo dài

đến hàng trăm mét Hàm lượng urani dao động từ 0,003 - 0,6% ở phần trên mặt, còn trong các lỗ khoan có lỗ đạt 0,087% Hàm lượng trung bình cả lớp đạt 0,069% (hệ số biến thiên 197%), nếu lấy hàm lượng biên Cb ≥ 0,01% thì hàm lượng trung bình của lớp đạt 0,095% (với hệ số biến thiên 162%) Trong lớp đá này chứa các thân quặng 2 và một số thấu kính quặng nhỏ khác

ư Lớp đá chứa quặng số 3 khác với 2 lớp trước, nó nằm trong các loại đá mịn hơn (cát kết hạt nhỏ, cát bột kết) và nằm trong phụ tập trên 2b Diện

lộ trên mặt có phương kéo dài từ bắc xuống nam bắt đầu từ tuyến 13 qua tuyến 0 đến tuyến 56 Đá chứa quặng chưa phong hoá có màu xám, xám xanh, khi bị phong hoá có màu nâu vàng, nâu đỏ Hàm lượng U3O8 của lớp này không cao, thay đổi từ 0,004 - 0,064% và trung bình cả lớp là 0,031% (với hệ số biến thiên 143%) Nếu lấy hàm lượng biên Cb ≥ 0,01% thì hàm lượng trung bình của lớp đạt 0,047% (với hệ số biến thiên 105%)

Bề dày của lớp thay đổi từ 20 - 25 m Trong lớp đá này chứa các thân quặng nhỏ 3 và 3-1

I.1.1.2 Các khoáng chứa urani

Khoáng quặng nguyên sinh chủ yếu là uraninite hoặc pitchblende Ngoài

ra, người ta cũng đã phát hiện ra một số khoáng khác như carnotite (urani kali vanadat), davidite-brannerite-absite (urani titanat), các niobat của urani và đất hiếm

Có rất nhiều khoáng thứ sinh của urani Phổ biến nhất là gummite (như limonite là hỗn hợp của các urani ôxyt thứ sinh khác và tạp chất); urani phốtphát ngậm nước bao gồm autunite (với canxi), saleeite (mangan), torbernite (với

đồng); và urani silicat ngậm nước như coffinite, uranophane (với canxi) và sklodowskite (với magiê) [18]

Các khoáng nguyên sinh thường có mầu đen, xám và nâu còn mầu của các khoáng thứ sinh là dãy mầu vàng sáng, da cam, xanh lá cây và sự kết hợp hay xen kẽ các mầu này

1 Uraninite

Uraninite (UO2) có cấu trúc tinh thể hình lập phương hoặc hình tám mặt,

có trọng lượng riêng từ 8 - 10,5 (sắt là 7,85), độ cứng từ 5 - 6, màu đen xám [18] Uraninite là một thành phần quan trọng của gần như tất cả các loại quặng

Nó là quặng chủ yếu của urani và radi Người ta cũng phát hiện ra được hêli trong khoáng uraninite Radi và hêli có trong khoáng uraninite là do chúng là sản phẩm của quá trình phân rã urani Dưới tác động của khí hậu hoặc biến đổi khác, uraninite sinh ra một số khoáng như khoáng urani phốtphát (autunite, torbernite) và urani silicat (sklodowskite và cuprosklodowskite) Uraninite có tính phóng xạ cao [19]

2 Pitchblende

Pitchblende là dạng thô của uraninite, không có cấu trúc tinh thể rõ ràng

Nó là thành phần chủ yếu của gần như tất cả các loại quặng urani có hàm lượng cao và lượng urani lớn nhất được sản xuất ra từ khoáng này trên thế giới Pitchblende nhẹ hơn uraninite một chút, có trọng lượng riêng 6 - 9 nhưng các tính chất khác thì đều giống như uraninite Pitchblende thường kết hợp với một hoặc nhiều khoáng nguyên sinh của sắt, đồng, coban, chì, bạc và bismut Sự có mặt của các khoáng này trong quặng là điều kiện thích hợp để nhận biết pitchblende Nó cũng thường đi kèm với các khoáng chứa urani thứ sinh màu sáng khi bị phong hoá hay biến đổi nào đó [18]

3 Davidite

Davidite được tích tụ có thể ở nhiệt độ và áp suất cao trong các mạch thủy nhiệt hơn pitchblende Nó có nhiều tính chất như khoáng pegmatite Các khoáng kết hợp là ilmenite, hematite, mica, quartz, calcite và feldspar hồng Hầu như

không bao giờ tìm thấy davidite tinh khiết mà lẫn với ilmenite do nó có các tính chất vật lý và thành phần hóa học rất tương tự

4 Carnotite

Carnotite (K2(UO2)2(VO4)2 - 1-3H2O) là khoáng tương đối ít phổ biến Carnotite có quan hệ mật thiết với khoáng tyuyamunite (Ca(UO2)2(VO4)2 - 5-8H2O) Hai khoáng này thường đi cùng với nhau và khó có thể phân biệt được bằng các phương pháp thông thường Carnotite có màu vàng sáng, độ cứng là 2

và trọng lượng riêng xấp xỉ 4 - 5 Trong cát kết và đá vôi, các khoáng kết hợp là các khoáng khác của urani và vanadi Chú ý rằng carnotite cũng có tính phóng xạ

5 Torbernite

Cấu trúc torbernite (Cu(UO2)2(PO4)2-10H2O) gồm khối tứ diện của nhóm phốtphát liên kết với nhóm urani-ôxy thành khối bát diện méo mó Nó có thể mất nước và chuyển thành khoáng khác là meta-torbernite Torbernite có độ cứng là 2 - 2,5 và trọng lượng riêng khoảng 3,2 Các khoáng kết hợp là autunite, uranophane, uranocircite, meta-torbernite, uraninite và các khoáng khác của urani

6 Autunite

Autunite (Ca(UO2)2(PO4)2-10H2O) là một trong những khoáng có tính phóng xạ phổ biến và đáng chú ý Autunite có độ cứng là 2 - 2,5 và trọng lượng riêng khoảng 3,1 - 3,2 Các khoáng kết hợp là torbernite, meta-torbernite, uranocircite, uranophane, uraninite và các khoáng khác của urani

7 Uranophane

Uranophane (CaO*2UO3*2SiO2*6H2O) [18] là dạng canxi-urani silicat chứa nhóm silica thay cho nhóm phôtphát trong autunite, nặng hơn autunite một chút (trong lượng riêng là 3,85) và có mạng tinh thể hoàn toàn khác Nguồn gốc

và sự xuất hiện của nó rất tương tự nhau (ít nhất 2 trong số 3 khoáng này hầu như thường được phát hiện cùng với nhau)

I.1.2 Công nghệ xử lý quặng uran

I.1.2.1 Chuẩn bị mẫu quặng

Việc lựa chọn và chuẩn bị mẫu quặng là khâu có tính quyết định trong quá trình đánh giá thủy luyện quặng uran Mẫu đại diện phải có các tính chất vật

lý, hóa học của thân quặng, chẳng hạn như kích thước hạt, sự phân bố, thành phần hóa học và khoáng vật

Mẫu quặng thí nghiệm phải có thành phần của các cấu tử đúng như trong quặng gốc Khối lượng mẫu quặng cần thiết để có tính đại diện cao phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước hạt, hàm lượng và mức độ đồng nhất Thông

thường, phương pháp được sử dụng để xác định khối lượng quặng cần thiết dựa vào kinh nghiệm Trong bảng dưới đây sẽ trích dẫn mối quan hệ giữa kích thước hạt, và khối lượng mẫu cần thiết ở một số cấp hàm lượng khác nhau (sau khi chuyển đổi về đơn vị kilogam) [21]

Khối lượng mẫu phụ thuộc vào kích thước hạt (tính theo kg)

Kích thước hạt lớn nhất Khối lượng mẫu tối thiểu (kg)

inch mm Hàm lượng rất

thấp Hàm lượng thấp

Hàm lượng trung bình

I.1.2.2 Hòa tách quặng bằng axit sunfuric

Phương pháp sử dụng để hòa tan urani từ quặng phụ thuộc một phần vào tính chất vật lý của quặng như loại khoáng, khả năng giải phóng kim loại và bản chất của các khoáng khác đi kèm Hòa tách bằng axit sunfuric được sử dụng rộng rãi trong thực tế công nghiệp vì nếu sử dụng các axit khác như axit nitric hay clohydric đều không phù hợp vì nhiều lý do

Một số nguyên lý của quá trình hòa tách có thể được tóm tắt như sau:

1 Hòa tách cơ bản là một quá trình khuếch tán có tốc độ hòa tách tỷ lệ với nồng độ tác nhân, nhiệt độ, diện tích bề mặt của pha rắn và tốc độ khuếch tán qua lớp dung dịch gần kề tới bề mặt pha rắn Nhìn chung, tốc độ hòa tách tăng từ 1,5 - 2 lần khi tăng thêm 10oC;

2 Tốc độ khuếch tán là một hàm số của độ dầy của lớp khuếch tán và tỷ lệ nghịch với căn bậc 2 của tốc độ dịch chuyển tương đối các pha với nhau

Quá trình khuấy bùn quặng làm giảm độ dầy của lớp khuếch tán và làm tăng tốc độ hòa tách Với chế độ khuấy thích hợp thì tốc độ hòa tách tỷ lệ với phản ứng hóa học trên bề mặt chất rắn và do đó với diện tích bề mặt;

3 Trong quá trình hòa tách áp suất, tốc độ ôxy hóa tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt và áp suất riêng phần của ôxy trong hệ;

4 Hệ số khuếch tán (nghĩa là tốc độ khuếch tán) giảm khi độ nhớt của môi trường tăng lên

Trong dung dịch, axit sunfuric bị phân ly thành các ion sunfat, bisunfat và hydro Phản ứng của U(VI) để tạo ra uranyl sunfat và các phức uranyl sunfat xảy ra theo các phản ứng như sau:

UO3 + 2H+ = UO22+ + H2O

UO22+ + SO42- = UO2SO4

UO2SO4 + SO42- = [UO2(SO4)2]2- [UO2(SO4)2]2- + SO42- = [UO2(SO4)3]3-

Trong dung dịch có thể tồn tại bất cứ dạng nào của urani tùy thuộc vào nồng độ của axit và uran, nhiệt độ và các phức khác trong hệ Nếu dung dịch hòa tách được xử lý sau đó bằng trao đổi ion thì việc tạo thành các phức này rất

có lợi vì các nhựa trao đổi dạng anion có tính chọn lọc tốt hơn đối với urani so với nhựa dạng cation

Urani trong quặng ở dạng U(IV) phải được ôxy hóa trước khi quá trình hòa tan xảy ra Ion Fe3+ chính là chất ôxy hóa U(IV) trong quá trình hòa tách bằng axit sunfuric Sắt thì luôn có mặt vì bản thân trong quặng cũng chứa sắt, ngoài ra trong quá trình đập nghiền quặng, sắt cũng được bổ sung do bào mòn thiết bị

Chi phí axit là một hàm số phụ thuộc vào các cấu tử trong quặng Calcite, dolomite, magnesite và siderite phản ứng với axit ngay ở vùng nồng độ axit thấp

và nhiệt độ thường Sulfide, sắt kim loại, một vài loại phốt phát, molybdat, vanadat, ôxyt, florua, cũng tiêu tốn axit và làm bẩn dung dịch khi nhiệt độ hoặc nồng độ axit tăng lên Một số phản ứng điển hình xảy ra như sau:

CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + CO2 + H2O (Ca,Mg)(CO3)2 + 2H2SO4 = CaSO4 + MgSO4 + 2CO2 + 2H2O

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2FeCO3 + H2SO4 = FeSO4 + CO2 + H2O

Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O

S2- + H2SO4 = H2S + SO4

2-Phần lớn urani trong quặng cát kết ở dạng khoáng thứ cấp đã được ôxy hóa như carnotite, tyuyamunite, autunite, torbernite và uranophane Các khoáng này có thể tan được trong dung dịch axit và các chất ôxy hóa được bổ sung vào chỉ để đảm bảo chống lại sự khử của các cấu tử khác hoặc sắt kim loại

U(IV) nằm trong khoáng uraninite và dạng vô định hình của nó, pitchblende Một vài loại quặng khó hòa tách nhất là quặng chứa khoáng đa

ôxyt như brannerite và davidite Những khoáng này có thể chứa urani ở cả 2 hóa trị 4 và 6 cùng với titan, sắt và đôi khi với vanadi, thôri và các nguyên tố hiếm Hòa tách đống

Hòa tách đống đã trở thành phương pháp được sử dụng rộng rãi trong việc

xử lý các loại quặng vàng, bạc, đồng và urani có hàm lượng thấp Một trong những yếu tố chủ yếu quyết định sự thành công trong hòa tách đống là vấn đề thủy học của đống Hòa tách đống bao gồm cả quá trình thấm của tác nhân hòa tách qua các hạt quặng Trong vùng không gian trống của lớp quặng có tồn tại không khí cùng với dung dịch nên hòa tách đống là một hệ chưa bão hòa (unsaturated) và do đó phải áp dụng các kiến thức và công cụ của khoa học đất chưa bão hòa

Tính thấm của khối quặng chứa nhiều sét thường là rất kém Cuối những năm 1980, các nhà khoa học cho rằng loại quặng này không thích hợp cho quá trình hòa tách đống bằng axit, do đó cần loại trừ loại quặng này khi hòa tách

đống [9]

Trong hòa tách đống quặng đã tạo hạt bằng kiềm thì các hạt mịn liên kết với bộ khung bởi các lực vật lý như lực hút tĩnh điện và lực Van-de-wael Tuy nhiên, trong hòa tách bằng axit, trừ các lực này, sự kết hợp của các hạt quặng

được thực hiện bởi các phản ứng hóa học Xi măng phản ứng với quặng tạo ra các hợp chất có nước và tạo liên kết hệ ở dạng cầu, không bị vỡ trong quá trình hòa tách

I.1.2.3 Tái tạo hạt phần quặng mịn

Lý thuyết của quá trình tái tạo hạt được Tigerschiold tìm ra về mặt từ năm

1950, lý thuyết này phát biểu rằng các viên được hình thành bằng cách tập hợp các hạt nhỏ xung quanh các nhân trong quá trình nén ép Các yếu tố quyết định

đến sự tái tạo hạt thành công (chịu được lực nén ép nhưng có độ thấm tốt) là đặc

điểm của quặng (như độ hạt, loại khoáng vật, lượng nước), các thông số công nghệ (như thời gian, lực nén ép) và chất lượng và số lượng phụ gia [9]

Tái tạo hạt là một trong những giải pháp có hiệu quả để nâng cao độ thấm của khối quặng Ngoài ra nó còn hạn chế được sự cô lập của các hạt quặng trong quá trình tạo đống làm cho dung dịch thấm khác nhau trong các vùng của cùng một đống Quá trình tái tạo hạt có thể làm giảm thời gian hòa tách, tăng hiệu suất thu hồi, giảm chi phí và giá thành

áp suất

áp suất

Hình 1.1 áp suất sub - khí quyển trong

ống mao quản

I.1.2.4 Lý thuyết thủy học vùng chưa b∙o hòa

Thủy học vùng chưa bão hòa mô tả dòng và sự lưu giữ độ ẩm trong môi trường xốp trong điều kiện pha khí, pha nước và pha rắn đều tồn tại Điều kiện chưa bão hòa được định nghĩa là trạng thái mà áp suất đất-xốp-nước nhỏ hơn áp suất khí quyển Điều kiện này là do lực hấp phụ và mao quản hút và giữ nước trong khối quặng, và được gọi là “thế mao quản” hoặc “lực hút mao quản” Điều này được minh họa trên hình 1.1 dưới đây, trong đó nước dâng lên trong ống mao quản, như nước trong khối đất chưa bão hòa, có áp suất âm

Mối quan hệ chủ yếu để mô tả

một vật liệu chưa bão hòa là đường

cong đặc trưng nước trong đất của nó

(SWCC) Đó là quan hệ giữa lượng

nước và tổng lực hút Tổng lực hút có

2 thành phần là lực hút mao quản và

lực hút do thấm lọc Lực hút mao

quản không phụ thuộc vào tính chất

của vật liệu Ví dụ cái cảm biến được

lắp đặt để đo lực hút in situ có thể

được coi là cái đo áp suất của vùng

chưa bão hòa Việc xác định SWCC là trọng tâm để thiết kế một hệ chưa bão hòa bất kỳ như các đống hòa tách vì nó mô tả mối quan hệ cơ bản giữa trạng thái năng lượng của nước trong lỗ xốp và thể tích nước được lưu giữ trong phần

lỗ xốp Hình 1.2 đưa ra một SWCC điển hình cho các vật liệu có kết cấu thô và mịn

Vật liệu có kết cấu mịn có khả năng giữ ẩm hơn vật liệu thô ở vùng có lực hút cao do có kích thước lỗ xốp nhỏ hơn Do đó vật liệu có kết cấu thô hơn bắt

đầu ráo nước do sự hút tăng từ điều kiện bão hoà và mất độ ẩm do sự hút tiếp tục tăng lên Ngược lại, vật liệu có cấu trúc mịn hơn vẫn giữ nguyên lượng nước khi

có cùng sự hút Cuối cùng thì vật liệu có cấu trúc mịn hơn cũng sẽ bắt đầu ráo nước do sự hút tăng lên Tốc độ mà tại đó lượng nước giảm khi tăng sự hút là một hàm số của sự phân bố kích thước hạt của vật liệu Vật liệu đồng đều sẽ có khuynh hướng ráo nước nhanh trong khoảng hút nhỏ bởi vì kích thước lỗ nhìn chung là giống nhau

Tốc độ mà nước chảy qua đất bão hoà được mô tả bằng định luật Darcy như sau:

q sat = - k sat dh/dl

trong đó:

qsat - tốc độ dòng của nước;

ksat - hệ số dẫn nước;

dh/dl - biến thiên áp suất thuỷ tĩnh

Định luật Darcy cũng áp dụng được với đất chưa bão hoà Tuy nhiên, trong trường hợp này, hệ số k không phải là hằng số mà là hàm số của lực hút mao quản hoặc độ bão hoà

Quan hệ giữa hệ số dẫn nước và lực hút mao quản, thường được nói đến như một hàm số K của đất, là mối quan hệ chủ yếu thứ hai của đất chưa bão hòa Theo quan hệ này, trong điều kiện bão hòa, vật liệu thô có khả năng dẫn nước lớn hơn các vật liệu mịn Tuy nhiên, khi lực hút tăng lên thì hệ số dẫn nước của vật liệu thô giảm nhanh hơn hệ số dẫn nước của vật liệu mịn và cuối cùng vật liệu mịn trở thành vật dẫn nước tốt hơn Điều này xảy ra là do ở lực hút cao, các

lỗ trống lớn của vật liệu thô ráo nước nhanh và không còn khả năng dẫn nước nữa trong khi đó các lỗ nhỏ hơn của các vật liệu mịn không bị tháo kiệt nước và tiếp tục dẫn nước

Hòa tách đống là một môi trường chưa bão hòa, do đó việc điều khiển hòa tách đống cần quan tâm đến các điều kiện về dòng chảy phức tạp vốn có của thủy lực vùng chưa bão hòa Hai vấn đề thủy lực then chốt là dòng dung dịch phải đủ và (hoặc) đồng nhất qua đống Dòng đủ là cần thiết để đống quặng được hòa tách trong thời gian phù hợp (hiệu quả kinh tế), trong khi đó dòng đồng nhất lại cần thiết để cho phép toàn bộ quặng được hòa tách Quá trình hòa tách, rửa

đòi hỏi khối quặng phải có độ thấm tương đối tốt và vật liệu phải có sự đồng đều

để tránh việc tạo kênh của dòng dung dịch Các phần quặng nếu không được tiếp xúc tốt với dung dịch sẽ vẫn không được hòa tách hoặc rửa

Độ thấm không tốt của đống quặng là một trong những nguyên nhân chủ yếu nhất làm giảm khả năng thu hồi kim loại Độ thấm kém, tức là dòng dung dịch chậm dẫn đến thời gian kéo dài không kinh tế, hơn nữa hiệu suất thu hồi cũng giảm do đống quặng không được làm ướt hoàn toàn Tuy nhiên độ thấm của lớp quặng quá tốt thì thời gian tiếp xúc của quặng và dung dịch không đủ dẫn đến giảm hiệu suất thu hồi Hạt mịn và sét có trong quặng là một trong những nguyên nhân chủ yếu làm giảm độ dẫn nước Các hạt mịn sẽ bịt kín các

lỗ bên trong hạt làm giảm không gian trống của lớp Trong nhiều trường hợp, các hạt mịn bị dung dịch cuốn trôi xuống phần đáy lớp làm cho lớp quặng bị nút lại Vấn đề độ thấm của đống quặng cũng có thể xảy ra khi khối quặng bị nén

ép do sự thiếu cẩn thận khi xây dựng đống Mức độ vững chắc của đống trong suốt quá trình cũng gây ra vấn đề độ thấm Sự kết tủa của các ion như canxi, sắt cũng có thể làm giảm đáng kể độ thấm

I.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam

I.2.1 Nghiên cứu, ứng dụng trên thế giới

+ Hoà tách quặng

Sản lượng hàng năm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn tài nguyên, phương pháp khai mỏ, hàm lượng của quặng, địa chất và vấn đề môi trường Hiện nay, urani chủ yếu được sản xuất bằng các phương pháp lộ thiên, hoà tách ngầm và truyền thống Lượng urani sản xuất được từ 3 công nghệ này vẫn chiếm tỷ trọng chủ yếu, chiếm 70,3% tổng sản lượng năm 2001; 79,9% - năm 2002; 66,8% - năm 2004 Sản lượng urani thu được ở dạng sản phẩm phụ từ quặng đồng, vàng và phốt phát chiếm khoảng 10% [14]

+ Nghiên cứu, ứng dụng quá trình tái tạo hạt phần quặng mịn

1 Nghiên cứu ảnh hưởng của sự tái tạo hạt vào hòa tách đống (P.D Georgescu,

G Graur, R & D Institute for Rare and Radioactive Metals, Bucharest, Rumani) [9]:

Các thí nghiệm nghiên cứu tạo hạt được thực hiện bằng thiết bị tạo hạt phòng thí nghiệm với các thông số như lượng chất kết dính (thủy tinh lỏng, xi

măng), lượng nước, thời gian trộn và độ nghiêng của đĩa Thí nghiệm hòa tách

đống các loại quặng sau khi đập và tạo hạt được thực hiện trên cột, dung dịch

được tuần hoàn lại

Hai loại mẫu quặng urani của Rumani (một loại chứa 0,4 - 0,5% U, một loại chứa 0,1 - 0,15% U) đã được thử nghiệm Quặng được đập qua hai giai đoạn

sử dụng máy đập hàm và nghiền bi Cả hai loại quặng đều có tỷ lệ phần quặng mịn lớn (khoảng 50 - 60% < 0,063 mm)

Khi nghiên cứu phần tạo hạt, các tác giả đã thu được kết quả là sự biến

đổi cỡ hạt tái tạo được (từ 10 - 40 mm) và phần trăm hạt bị vỡ (0 - 40%) khi bị nén khi thay đổi lượng xi măng, dung dịch làm ẩm và độ nghiêng của đĩa quay Các thông số quá trình tạo hạt cho thí nghiệm hòa tách được lựa chọn như sau:

Mẫu quặng sau khi đập và tạo hạt được nạp vào cột có đường kính 300

mm và cao 1.000 mm để mô phỏng điều kiện hòa tách đống Các thí nghiệm hòa tách được tiến hành gián đoạn, mỗi chu kỳ 5 giờ/ngày Tỷ lệ quặng/dung dịch là 3/1 và tốc độ dòng dung dịch là 285 l/giờ.m2

Từ kết quả thực nghiệm, các tác giả đã kết luận rằng phần lớn urani nằm

ở phần quặng mịn (< 0,63 mm) cả hai loại quặng đều có thể hòa tách tĩnh được

Sự tạo hạt trước khi hòa tách có một vài ưu điểm như tăng hiệu suất thu hồi lên

10 - 12%, dung dịch thu được trong hơn, có thể xử lý trực tiếp mà không cần khâu lắng lọc, hàm lượng urani trong bã quặng thấp hơn và chi phí tác nhân hòa tách giảm

2 ứng dụng hòa tách đống bằng axit loại quặng urani chứa sét ở Trung Quốc (Zeng Yijun, Li Jianhua, Li Tieqiu, Zhong Pingru, Beijing Research Institute ò Chemical Engineering & Metallurgy, CNNC, Beijing, China) [9]:

Độ thấm của khối quặng có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình hòa tách đống

và hiệu suất hòa tách, do đó loại quặng có hàm lượng sét cao sẽ rất khó hòa tách

đống Viện Nghiên cứu khai thác mỏ urani đã nhiều năm nghiên cứu vấn đề tác nhân xi măng hóa, phương pháp tạo hạt cũng như giải pháp trộn ủ quặng đã tạo hạt

Thí nghiệm kiểm tra đặc điểm của quặng bao gồm lấy mẫu, chuẩn bị mẫu quặng, phân tích cỡ hạt, xác định thành phần khoáng vật, hóa học của quặng và thí nghiệm hòa tách truyền thống

Thí nghiệm tạo hạt: việc tạo hạt được thực hiện trên thiết bị dạng đĩa quay bằng thép không gỉ có góc điều chỉnh được, tốc độ quay 40 vòng/phút, đường kính 500 mm Phương pháp xác định bao gồm: xác định cỡ hạt (Φ 5 ∼ 40 mm), dung lượng hấp thu nước (khoảng 20%), kiểm tra độ nén (> 3N) Phương pháp xác định 3 giai đoạn được sử dụng trong tạo hạt Trước hết cho quặng đã tạo hạt vào cột không mầu, xác định số hạt, hòa tách bằng nước sạch, sau đó bằng dung dịch chứa 20 - 30 g axit, và cuối cùng bằng dung dịch chứa 50 - 100 g axit Sau mỗi giai đoạn hòa tách, xác định số hạt bị vỡ vụn, so với ban đầu Phần trăm hạt không bị vỡ vụn chính là độ bền hòa tách của hạt

Thí nghiệm cột: cả độ bền hòa tách của hạt và các thông số hòa tách được

đánh giá bởi các thí nghiệm trên cột Trên cơ sở thí nghiệm cột, tiến hành một loạt các thí nghiệm cột nhiều giai đoạn với quy mô tăng dần (thường 1 - 5 tấn quặng) nhằm thu được các số liệu cần thiết để xây dựng pilot

Khi thí nghiệm với 3 loại quặng urani thì thu được kết quả như sau: Với quặng urani dạng cao lanh có tỷ lệ hạt - 0,5 mm chiếm 45 - 75% thì sự tạo hạt cải thiện được tính thấm rõ rệt Hiệu suất hòa tách đạt 95%, thời gian hòa tách dưới 30 ngày ở thí nghiệm cột và dưới 40 ngày ở thí nghiệm nhiều giai đoạn ở quy mô lớn hơn Đối với quặng urani có chứa mica, tỷ lệ hạt - 0,5 mm chiếm 35%, nếu hòa tách đống trực tiếp thì độ thấm đạt dưới 10 l/ m2giờ và thời gian cần trên 6 tháng, tuy nhiên, sự tạo hạt cho phép độ thấm tăng lên hơn 10 lần và thời gian là dưới 60 ngày Còn đối với quặng urani chứa một lượng lớn các mảnh vụn ôxyt sét, tỷ lệ hạt - 0,3 mm khoảng 30%, không thể hòa tách đống trực tiếp, sau khi tách riêng phần hạt mịn cho tái tạo hạt lại và hòa tách đống thì hiệu suất hòa tách đạt 96%, thời gian hòa tách dưới 60 ngày

Như vậy, sự tạo hạt không những cải thiện độ thấm của hòa tách đống mà còn tăng cường phản ứng hòa tách Độ thấm của đống quặng đã tạo hạt đạt trên

600 l/ m2giờ So sánh với hòa tách đống trực tiếp, hòa tách có tạo hạt giảm được thời gian hòa tách từ 200 xuống còn 60 ngày, hiệu suất hòa tách trung bình tăng

từ 40 lên tới 96% Do đó, kỹ thuật tạo hạt được sử dụng rộng rãi trong hòa tách

đống các loại quặng urani chứa sét ở Trung Quốc

Qua thực nghiệm nhiều năm, Viện Nghiên cứu khai thác mỏ urani đã có

được công nghệ và các thông số công nghệ trong lĩnh vực tạo hạt, trộn ủ, vận hành hòa tách Cho đến nay, kỹ thuật tạo hạt trong hòa tách đống bằng axit đã

được áp dụng thành công trong việc xử lý 11 loại quặng có độ thấm nhỏ như

quặng ôxyt niken hàm lượng thấp, đuôi quặng đồng-côban, quặng urani dạng granit

+ Nghiên cứu về ứng dụng thuỷ học vùng chưa bão hoà (unsaturated zone hydrology) để tối ưu hoá hoà tách đống [17]:

Dựa vào lý thuyết thuỷ lực vùng chưa bão hoà, các tác giả đã tiến hành các thí nghiệm trên cột có cấu tạo tương tự ở hình 1.2 nhưng cột có tiết diện hình vuông, mỗi cạnh 30 cm, cao 160 cm và chiều cao thành ngăn cách giữa 2 phần vật liệu thô và mịn ở đáy cột là 30 cm Vật liệu trong cột được làm ướt bằng muối Các thí nghiệm được thực hiện theo 2 bước, bước sơ bộ nhằm xác

định điều kiện để tạo ra dòng dạng phễu, sau đó bước thứ hai là bước chủ yếu để khảo sát ảnh hưởng của dòng tới quá trình rửa muối

Từ nghiên cứu, các tác giả đã xác định được phần trăm dung dịch ra khỏi cột ở các phần vật liệu thô và mịn tuỳ lưu lượng tưới, xây dựng các đường cong thu hồi muối ở từng phần theo thời gian tưới Trên cơ sở các số liệu thu được, các tác giả cũng đã xây dựng được mô hình có thể ứng dụng để thiết kế và vận hành

+ Theo báo cáo trình bày tại “Technical Meeting on Uranium Small-Scale and Special mining and Processing Technologies), được tổ chức từ 19-22/6/2007 ở Vienna, tổ chức AREVA NC-BU Mines đang triển khai một dự án thực hiện từ

2005 - 2008 xử lý quặng urani hàm lượng thấp (<0,1% U3O8) bằng hoà tách

đống ở Somair Dự án được tiến hành theo 4 bước: nghiên cứu phòng thí nghiệm, thử nghiệm trên cột mẫu quặng đại diện của cả khu mỏ, thử nghiệm trên cột các mẫu của từng khu vực riêng biệt và thử nghiệm quy mô pilôt

Công nghệ mà họ đang nghiên cứu bao gồm các công đoạn: đập quặng, agglomerat (trong đó có axit, chất kết dính), tạo đống và hoà tách, dung dịch thu

được chuyển tới nhà máy xử lý bằng chiết dung môi Hiệu suất thu hồi urani trong công đoạn hòa tách đạt 68 - 70%, chi phí axit trung bình 20 - 30 kg/tấn quặng Theo kế hoạch, tới năm 2009 sẽ đi vào sản xuất urani Đây là cơ sở đầu tiên sử dụng hoà tách đống ở Niger và là lớn nhất thế giới trong thời điểm này

I.2.2 Nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây, một số đề tài nghiên cứu khoa học các cấp đã

đề cập đến vấn đề xử lý quặng cát kết của Việt Nam

1 Đề tài “Nghiên cứu xử lý quặng cát kết khu vực Pà Lừa với quy mô 2 tấn quặng/mẻ để thu sản phẩm urani kỹ thuật” [4]

Quặng được sử dụng trong đề tài là quặng cát kết khu vực Pà Lừa, tỉnh Quảng Nam Các mẫu được lấy qua các vết lộ, các hào thuộc các lớp đá chứa quặng số 1, 1a và 2 đảm bảo đại diện cho các loại hình có mức độ phong hóa khác nhau và có hàm lượng trung bình từ 0,05 - 0,20% U3O8 Không có sự thay

đổi đáng kể hàm lượng urani theo cấp hạt nghiền Hàm lượng cacbonat dao

động từ 3 - 6%, trong đó quặng CPH nhiều gấp 2 lần so với quặng BPH và PH

Việc thử nghiệm hòa tách tĩnh theo mẻ được tiến hành trong các thùng nhựa có dung tích 200 lít (D = 0,6 m; H = 0,9 m) Mỗi thùng chứa 250 - 300 kg quặng, chiều cao lớp quặng 0,7 - 0,8 m Chi phí axit từ 20 - 40 kg/tấn quặng Quặng được đập, nghiền đến kích thước ≤ 30 mm Tỷ lệ quặng có kích thước < 3mm sau quá trình đập nghiền khác nhau tùy thuộc vào loại quặng Đối với quặng BPH và CPH thì tỷ lệ này là 15 - 30%, riêng quặng PH lên tới 50 - 60% Trong một số thử nghiệm đối với quặng CPH, quặng được đưa vào nghiền búa

để có cỡ hạt ≤ 25 mm

Đề tài đã nghiên cứu quá trình hòa tách kết hợp với trộn ủ quặng CPH Với chi phí axit 30 kg/ tấn quặng, chất ôxy hóa 3 kg/tấn quặng và ủ 3 ngày, hiệu suất hòa tách urani đạt > 89% Hàm lượng tạp chất sắt, silic và nhôm thấp hơn tại thời điểm đạt tới hiệu quả hòa tách urani tối đa Vì vậy đây là phương pháp thích hợp làm tăng hiệu quả quá trình hòa tách

Đề tài đã nghiên cứu hoà tách tĩnh nhiều bậc ngược chiều (1 - 10 bậc) có tuần hoàn dung dịch, thu được dung dịch có nồng độ urani đạt > 3 g/l Sau đó thu hồi urani bằng phương pháp kết tủa trực tiếp

Đề tài đã xây dựng hệ thống thử nghiệm xử lý quặng cát kết quy mô 2 tấn quặng/mẻ theo sơ đồ công nghệ gồm các công đoạn chính là đập nghiền, trộn, hòa tách tĩnh và kết tủa trực tiếp thu urani kỹ thuật Vấn đề làm chủ tốc độ hòa tách tĩnh, kết tủa tạp chất, thu hồi thải lỏng và tái sử dụng nước đã được tìm hiểu

và đề xuất cách giải quyết Hiệu suất hòa tách urani, nồng độ urani và tạp chất trong dung dịch sau hòa tách phụ thuộc rất lớn vào loại quặng và phương pháp hòa tách Dòng chảy pha lỏng qua lớp quặng, nồng độ và lượng axit cần thiết có thể được đảm bảo khi duy trì chế độ dàn tưới ổn định với lưu lượng 50 - 70 l/m2giờ hoặc sử dụng axit đặc trong giai đoạn đầu quá trình hòa tách) Đề tài nghiên cứu kết tủa trực tiếp thu hồi urani từ dung dịch hòa tách đạt yêu cầu chất lượng và cũng đã tìm hiểu việc sử dụng chất trợ lắng làm tăng tốc độ các quá trình lắng và lọc Việc tái sử dụng nước trong dây chuyền công nghệ xử lý quặng urani là cần thiết và khả thi, một mặt làm giảm chi phí nước sạch, một mặt giảm chất thải lỏng cần xử lý

2 Đề tài “Nghiên cứu công nghệ để chuẩn bị cho bước xử lý quặng urani ở quy mô pilốt” [5]

Đề tài đã hoàn thành báo cáo tổng quan trên cơ sở tham khảo kết quả nghiên cứu thu được trong hơn 20 năm qua trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý quặng chứa urani tìm thấy ở Việt Nam Đã tổng hợp và đánh giá các phương pháp nghiên cứu xử lý quặng và các kết quả thu được làm cơ sở cho việc luận bàn về bước triển khai nghiên cứu tiếp theo ở quy mô pilot Dựa trên quan hệ giữa độ phóng xạ và hàm lượng urani trong mẫu, đã xác định được mức độ phân

bố urani trong các mẫu quặng khác nhau thuộc khu vực Đông Nam Giằng, Pà Lừa, Pà Rồng thuộc bồn trũng Nông Sơn Đã khảo sát quá trình trao đổi ion đối với dung dịch thu được từ quá trình hòa tách tĩnh quặng urani khu vực Nông Sơn

3 Đề tài “Nghiên cứu chuyển quy mô từ thiết bị phòng thí nghiệm lên thiết bị

800 lít cho quá trình hòa tách urani từ quặng cát kết Nông Sơn bằng phương pháp thấm” [1] đã xây dựng được một mô hình thực nghiệm với việc đưa ra khái niệm “lần xử lý” biểu thị yếu tố thời gian xử lý quặng:

8068 , 3 X 1017 , 0 X 0009 , 0

8068 , 3 X 1017 , 0 X 0009 , 0 2 2

t ).

2013 , 0 0006 , 0 ( 1

t ).

0775 , 0 X 0077 , 0 (

+

ư

+ +

ư

=

Từ phương trình này, chúng ta có thể tính được hiệu suất hòa tách urani R

từ quặng sau các lần xử lý t khi biết nồng độ axit sử dụng

4 Đề tài “Nghiên cứu động học quá trình hòa tách quặng cát kết chứa urani chưa phong hóa” [2]

Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là quặng cát kết khu vực Pà Lừa, chủ yếu thuộc loại chưa phong hóa và một phần là bán phong hóa Thành phần chính của quặng như sau: UO3: 0,14%; ThO2: 45,9ppm; Ra: 0,28ppb; Fe: 1,816%,; SiO2: 69,77%; Al2O3: 4,74% và hàm lượng cacbonat 2 - 4% Để tài đã nghiên cứu cả hòa tách khuấy trộn và hòa tách thấm

Trong hòa tách thấm đã sử dụng cột nhựa có tiết diện 95 cm2 và chiều cao lớp quặng là 1 m Thấm ướt quặng bằng nước và để khô cột qua ngày Dung dịch tưới qua cột quặng là dung dịch axit sunfuric có nồng độ không đổi (30, 40

và 50 g/l) và lưu lượng không đổi (0,85 lít/giờ) Quá trình hòa tách dừng lại khi nồng độ axit của phân đoạn trước và phân đoạn tiếp theo khác nhau không quá 2 g/l

Đề tài đã nghiên cứu động học quá trình khuấy trộn cũng như hòa tách thấm Kết quả cho thấy các quá trình này tuân theo mô hình nhân phản ứng giảm dần, giai đoạn tiền khuếch tan ban đầu do quá trình hóa học và khuếch tán cùng nhau kiểm soát, giai đoạn sau do quá trình khuếch tán hoàn toàn kiểm soát Đề tài xác định được năng lượng hoạt hóa ở giai đoạn tiền khuếch tán (12,29kcal/mol) và năng lượng hoạt hóa của quá trình ở giai đoạn khuếch tán (3,95 kcal/mol) Đề tài đã xây dựng được mô hình quá trình hòa tách thấm quặng urani nghèo cho một đơn vị cơ sở, mô hình này có thể sử dụng để dự

đoán và tính toán trước một số thông số cần thiết đối với quy mô thực nghiệm lớn hơn Đề tài này cũng đã xây dựng một số phương trình làm cơ sở cho bài toán tối ưu các điều kiện công nghệ theo giá thành sản phẩm khi triển khai

Phần II Thực nghiệm II.1 Tiến hành thực nghiệm

II.1.1 Chuẩn bị mẫu quặng

1 Vị trí lấy mẫu (nguồn từ Liên đoàn Địa chất xạ hiếm)

Để đảm bảo tính đại diện cho toàn khu vực quặng Pà Lừa và đảm bảo tỷ

lệ giữa quặng phong hóa, bán phong hóa và chưa phong hóa, Liên đoàn Địa chất xạ hiếm đã lấy quặng ở cả 3 lớp đá chứa quặng 1, 2 và 3 Quặng được lấy ở các vết lộ (quặng chưa phong hóa và bán phong hóa) và trong các hào (quặng phong hóa) (Sơ đồ vị trí lấy mẫu xem phần phụ lục)

Trong lớp đá chứa quặng 1: lấy tại các vết lộ 1 - 122, 3066, 2410 và các hào H.1, H.2, H.3, H.10 và H.200

Trong lớp đá chứa quặng số 2: lấy tại các vết lộ 4 - 542, A-20, 119, 1759

Quặng lấy về được đóng trong các bao, do quá trình vận chuyển, các bao

đã bị lẫn lộn, vì vậy trước khi lấy mẫu đại diện và xử lý đã được phân loại thành các loại quặng phong hóa, bán phong hóa và chưa phong hóa

II.1.2 Gia công quặng

Quặng CPH và BPH nguyên khai hầu hết có kích thước rất lớn (lên tới

300 - 350 mm) Hiện tại không có máy đập cỡ lớn, do đó tất cả các cục có kích thước lớn hơn 100 mm phải được đập bằng tay Các khảo sát về phân bố cấp hạt phụ thuộc vào độ rộng của khe đập được thực hiện trên máy đập nhỏ của Trung Quốc cho phép đập quặng có kích thước dưới 100 mm xuống vài mm

Cách tiến hành như sau: các cục quặng được nạp liên tục vào máy đập (đã

điều chỉnh khe đập đến giá trị nhất định) Sau đó sàng phân cấp và xác định khối lượng của từng cấp hạt để tính toán thành phần phần trăm của từng cấp

Việc tính toán năng lượng nghiền được tiến hành bằng tra cứu tài liệu và

áp dụng công thức thực nghiệm BOND

II.1.3 Xác định các chế độ và kỹ thuật tạo hạt phần quặng mịn

Các thí nghiệm được tiến hành trên máy trộn nhỏ có đường kính D = 20

cm và dài L = 20 cm có thể thay đổi tốc độ quay Quặng (khối lượng 300 g quặng/mẻ) được trộn trước với chất ôxy hóa, chất đóng rắn theo tỷ lệ đã chọn sau đó bổ sung dung dịch chất kết dính Cho máy quay ở tốc độ sao cho các hạt lăn theo thành thùng (với máy này là 85 - 90 vòng/phút) tới khi quá trình tạo hạt

ổn định khoảng 15 phút Sau đó cho ra khỏi máy, để khô trong 3 - 5 ngày, các hạt được đem ngâm với dung dịch axit H2SO4 trong thời gian 3 - 5 ngày rồi đem tách riêng rắn lỏng (có dội nước

Cân 5 kg quặng chưa tạo

hạt, còn lượng chất ôxy hóa,

nước, axit được thêm vào được

tính toán trước tùy mục đích của

từng thí nghiệm khảo sát Tất cả

được nạp vào máy và trộn cho

đến khi thấy đồng đều và ủ

trong một số ngày nhất định

Sau đó bổ sung nước (đo chính

xác thể tích) đến ngập khối

quặng, đậy kín và định kỳ lấy

mẫu dung dịch phân tích thành

phần urani và sắt để xác định

tương đối hiệu suất hòa tan các

kim loại ra khỏi quặng

II.1.5 Nghiên cứu quá trình

rửa quặng trên cột

II.1.5.1 Nghiên cứu sơ bộ

Các thí nghiệm được thực hiện trên cột nhựa để xác định sơ bộ sự phân bố

dò ng chảy dung dịch trong lớp quặng có thành phần cấp hạt khác nhau Cấu tạo

Cửa dung dịch ra 0,2 m

Hình 2.1 Sơ đồ cột thí nghiệm rửa sơ bộ

Hình 2.2 Cột rửa thu hồi urani phòng

thi nghiệm

cột được mô tả như ở hình 2.1 Cột bao gồm 5 đoạn ống nối với nhau, có đường kính trong là 13,2 cm và chiều cao là 140 cm, chiều cao vách ngăn dòng phía

đáy cột là 20 cm Quặng đã đập được chia

thành 2 phần (thành phần cấp hạt của mỗi

phần như bảng 3.10), mỗi phần được nạp

vào nửa cột (theo phương thẳng đứng của

vách ngăn dòng) Khối lượng quặng đã sử

dụng gồm 9,9 kg phần thô và 11,8 kg

phần mịn Chiều cao lớp quặng ban đầu là

124 cm Nước được tưới liên tục với lưu

lượng nhất định từ trên xuống qua đĩa

II.1.5.2 Khảo sát các yếu tổ ảnh hưởng

đến hiệu suất thu hồi urani

Các thí nghiệm rửa được thực hiện

trên cột nhựa có đường kính trong D =

Để có chiều cao lớp quặng đạt 2 m, với quặng CPH đã sử dụng 21 kg và quặng BPH là 24 kg

II.1.5.3 Xác định số bậc trong quá trình rửa nhiều bậc ngược chiều

Từ số liệu phân tích thành phần dung dịch thu được từ các lần rửa của thí nghiệm với tốc độ dòng thích hợp sẽ vẽ được đường cong rửa Trên cơ sở đường cong này sẽ xác định số bậc cần rửa theo kỹ thuật nhiều bậc ngược chiều

II.1.6 Thử nghiệm xử lý quặng ở quy mô 500 kg quặng/mẻ bằng kỹ thuật trộn ủ

Việc thử nghiệm rửa bã quặng quy mô 500 kg quặng/cột đã sử dụng quặng hỗn hợp gồm cả 3 loại quặng CPH, BPH và PH theo tỷ lệ 1:1:1 (khối lượng) Công đoạn trộn quặng được tiến hành trên máy trộn có sẵn nên phải tiến

hành nhiều mẻ nhỏ Sau đó khối quặng được ủ chung trong một đống đủ 3 ngày rồi xúc đổ vào cột Hệ cột gồm cột nhựa có đường kính trong D = 30 cm và chiều cao H = 600 cm (hình 2.3) Tưới dung dịch qua lớp quặng như thao tác ở các thí nghiệm trên cột nhỏ

Hóa chất sử dụng cho phân tích bao gồm:

dung dịch urani nitrat chuẩn nồng độ 20,3

γ/ml (1γ = 10-6 g/l), dung dịch asenazo III

0,08%, axit ascobic, kẽm hạt và axit HCl

1:1

Xây dựng đường chuẩn: thường lấy 0,2;

0,4; 0,6; 0,8 và 1 ml dung dịch urani chuẩn

cho vào các cốc có dung tích 50 ml Thêm

vào mỗi cốc (kể cả cốc làm dung dịch

không có urani làm dung dịch trống) 5 ữ

10 ml dung dịch HCl 1:1, sau đó 0,2 gam

axit ascobic và 5 ữ 10 hạt kẽm Lắc nhẹ và để yên trong vòng 30 phút để khử urani (VI) về urani (IV) Sau đó cho toàn bộ dung dịch vào các bình định mức

có dung tích 25 ml có sẵn 1 ml dung dịch asenazo III (chú ý không đưa cặn kẽm vào bình định mức làm ảnh hưởng đến kết quả đo và tráng cốc cẩn thận), định mức bằng dung dịch HCl 1:1 đến vạch và đo mật độ quang ở bước sóng 655 nm

Từ các số liệu thu được vẽ đồ thị quan hệ giữa nồng độ và mật độ quang Đường biểu diễn trong khoảng nồng độ này là một đường thẳng

Mẫu đo: việc chuẩn bị mẫu và đo mật độ quang của mẫu cần phân tích được

thực hiện hoàn toàn tương tự như các mẫu chuẩn Thể tích mỗi mẫu được lấy chính xác sao cho mẫu đo có nồng độ trong khoảng nồng độ của đường chuẩn, ngoài khoảng này thì kết quả sẽ không chính xác Trong trường hợp dung dịch

có nồng độ cao hơn, không lấy mẫu trực tiếp được thì phải pha loãng trước

Tính toán nồng độ: nồng độ urani trong mẫu được xác định bằng phương pháp

nội suy dựa vào mật độ quang của mẫu và đường chuẩn, sau đó tính toán theo thể tích mẫu và hệ số pha loãng

Hình 2.3 Hệ cột rửa quy mô 500 kg

quặng/cột

II.2.2 Phân tích sắt bằng phương pháp chuẩn độ

Đối với dung dịch có nồng độ sắt cao (trong đề tài này là các dung dịch hoà tách và dung dịch ra khỏi cột nhựa) thì thường dùng phương pháp chuẩn độ Nguyên tắc của phương pháp này dựa vào sự tạo phức bền của ion Fe3+ với EDTA trong môi trường pH = 2 ữ 3 và sự đổi màu của phức giữa Fe3+ với axit sunphosalisilic theo các phương trình sau:

Fe3+ + H2Y2- = FeY- + 2H+FeInd2+ + H2Y2- = FeY- + 2HInd + H+

(đỏ tím) (vàng) (không màu) Cách tiến hành: dùng pipet lấy chính xác thể tích (V ml) mẫu cần xác định hàm

lượng vào bình nón có dung tích 250 ml Thêm khoảng 10 giọt chỉ thị và lắc

đều Nếu dung dịch chưa có màu đỏ tím thì thêm từ từ từng giọt dung dịch

CH3COONa 5% vào dung dịch Lắc đều dung dịch cho tới khi xuất hiện màu đỏ tím thì bắt đầu tiến hành chuẩn độ bằng dung dịch EDTA đã biết nồng độ Khi chuẩn nên đun nóng dung dịch tới khoảng 60 ữ 70oC để phản ứng tạo phức xảy

ra nhanh hơn Khi dung dịch từ màu đỏ tím chuyển sang màu vàng nhạt thì dừng chuẩn độ Ghi số ml dung dịch EDTA đã tiêu tốn là V0 ml

Tính toán nồng độ: nồng độ sắt trong dung dịch được tính theo công thức sau:

CFe = CEDTA.V0/V

II.3 Thiết bị, dụng cụ chủ yếu

Các thiết bị và dụng cụ chính được sử dụng cho đề tài nghiên cứu bao gồm:

- Máy đập hàm Hòa Phát (Việt Nam), Máy đập hàm Trung Quốc;

- Máy đập trục;

- Máy trộn mẫu (Mỹ);

- Thiết bị tạo hạt (Việt Nam);

- Các loại cột rửa tự chế tạo bằng nhựa PVC;

- Bơm dung dịch có bộ phận điều chỉnh tốc độ hãng Cole-Parmer (Mỹ), Model No 7553-75;

- Hệ cột trao đổi ion tĩnh (Việt Nam);

- Máy đo pH 540 GLP (WTW) của Đức;

- Máy so mầu SPECTRONIC 20D (Spectronic instruments, USA);

Phần III Kết quả và thảo luận III.1 Thành phần quặng

III.1.1 Phân bố cấp hạt

Có thể nhận biết các loại quặng bằng mắt thường Quặng chưa phong hoá

có dạng cục màu xám, bề mặt thường mịn Quặng bán phong hoá cũng có dạng cục nhưng có màu nâu nhạt, bề mặt có nhiều lỗ xốp nhỏ và nhẹ hơn quặng chưa phong hoá một chút Quặng phong hoá khi khai thác về thường đã ở dạng bột xốp màu vàng xẫm, kích thước hạt nhỏ nên có thể sử dụng xử lý hóa học được ngay Đối với hai loại quặng chưa phong hóa và bán phong hóa thì phần lớn (trên 90%) có dạng cục lớn hơn 10 cm Sự phân bố các cấp hạt của các loại quặng này được đưa ra trong bảng 3.1 dưới đây

Bảng 3.1 Phân bố cỡ hạt quặng nguyên khai

III.1.2 Thành phần khoáng vật

Số liệu thu được bằng phân tích nhiễu xạ Rơn ghen (SIEMENS D5005) của Đại học quốc gia Hà Nội đối với các loại quặng được đưa ra trong các hình

ở phần phụ lục Kết quả cho thấy, khoáng vật chủ yếu của quặng cát kết này là

((K,Na)(Fe+3,Al,Mg)2(Si,Al)4O10(OH)2), calcite (CaCO3), kaolinite (Al2Si2O5(OH)4), sericite (K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O), illite ((KH3O)Al2Si3AlO10(OH)2), siderite (FeCO3), sphene (CaO.SiO2.TiO2) Khoáng

chứa urani chủ yếu là nasturani ((U,Th)O2.(O0,5-3)UO3.xPbO)

III.1.3 Thành phần hóa học

Thành phần một số cấu tử trong mẫu đại diện của các loại quặng được

đưa ra trong bảng 3.2 Kết quả cho thấy hàm lượng urani trong các loại quặng

đều thấp, khá đại diện cho quặng cát kết khu vực Pà Lừa và đáp ứng được mục

tiêu nghiên cứu của đề tài Số liệu phân tích cũng cho chúng ta thấy thành phần

chủ yếu của quặng cát kết khu vực Pà Lừa là silic

Bảng 3.2 Thành phần của một số cấu tử quan trọng trong các loại quặng

Thành phần (%) Loại quặng

Các mẫu quặng cũng đã được phân tích bằng máy ICP-MS tại Trung tâm

Phân tích và Môi trường (Viện Công nghệ xạ hiếm) Kết quả được đưa ra trong

Trong các mẫu quặng, hàm lượng nhôm tương đối cao (trên 5%), khi

chúng tan vào dung dịch có thể làm tăng độ nhớt của dung dịch và cản trở sự

khuếch tán Chúng cũng sẽ ảnh hưởng tới quá trình hấp thu urani vào nhựa trong

quá trình trao đổi ion Tổng các kim loại kiềm và kiềm thổ cũng khá lớn Ngoài

ra, cũng cần quan tam đến sự có mặt của nguyên tố vanadi, hàm lượng của

vanadi tương đương với urani Vì vậy, trong quá trình hoà tách quặng cần lưu ý

sự hoà tan của nó Nếu nó tan vào dung dịch ít thì không có vấn đề gì, nhưng

nếu tan mạnh thì cần có khâu thu hồi trước khi thu hồi urani

Khi quặng được đập nhỏ tới kích thước cần thiết để nghiên cứu thì sự

phân bố urani và các tạp chất có sự biến đổi tùy theo cấp hạt Các số liệu về sự

phân bố urani theo cấp hạt được đưa ra trong bảng 3.4 Ta thấy rằng, đối với hai

loại quặng này, sự phân bố urani theo cấp hạt là có nhưng không thực sự rõ rệt

Điều này có thể do các khoáng urani được phân bố xen kẽ với các khoáng khác

trong quặng

Bảng 3.4 Biến đổi hàm lượng urani theo cấp hạt (tính theo phần trăm U)

III.2 Khảo sát quá trình đập quặng

Mục tiêu chính của quá trình đập quặng là tạo ra khối quặng có kích thước phù hợp cho quá trình tách urani ra khỏi quặng ở giai đoạn tiếp theo Tuy nhiên, trong quá trình đập sẽ sinh ra một phần hạt mịn có thể gây tắc cột, khó khăn cho quá trình rửa tiếp theo Vì vậy phải lựa chọn giải pháp đập để giảm thiểu lượng hạt mịn nhưng cũng phải tiết kiệm chi phí năng lượng

III.2.1 Sự phân bố cấp hạt

Khi qua máy đập hàm, cục quặng bị ép giữa hai hàm và vỡ ra Sự phân bố các cấp hạt sẽ khác nhau tuỳ theo độ cứng cũng như các tính chất vật lý khác của quặng và độ rộng phần khe hẹp nhất giữa hai hàm Trong điều kiện thực tế hiện nay của đơn vị chưa có máy có thể đập được các cục quặng cỡ lớn (>100 mm), vì thế để giảm kích thước cục quặng lớn đã phải gia công bằng tay Sau đó mới thử nghiệm đập trên máy đập nhỏ Các số liệu thực nghiệm được đưa ra trong bảng 3.5

Từ số liệu thực nghiệm đối với hai loại quặng bán phong hoá và chưa phong hoá có thể thấy rằng:

Thứ nhất, với mỗi giá trị độ rộng của khe thì đều có một phần quặng có kích thước lớn hơn giá trị đó Điều này là do khi đập, cục quặng không bị vỡ thành các cục tròn mà vỡ theo thớ thành dạng mảnh và dài mà khi phân cấp thì lại sử dụng bộ sàng có lỗ hình vuông, hoặc do cục quặng có kích thước đủ để rơi

ra đúng lúc má động cách xa má tĩnh nhất Mặt khác, một phần nhỏ quặng đã bị lọt qua khoảng cách giữa hai má và thành bên của máy

Bảng 3.5 ảnh hưởng của độ rộng khe tới phân bố cấp hạt quặng sau khi đập hàm

Thu hoạch Khe 20 mm Khe 15 mm Khe 10 mm

TT Cớ hạt

(mm)

TL (%) TL tích lũy (%) TL (%) TL tích lũy (%) TL (%) TL tích lũy (%)

Quặng chưa phong hoá

Tiếp theo, do độ bở tơi của quặng thấp nên hầu hết quặng sau khi đập đều

có kích thước lớn hơn 0,6 mm Phần hạt mịn có khả năng gây tắc cột chiếm phần tương đối thấp (dưới 10%) Phần mịn này có cần thiết phải tái tạo hạt chúng thành các hạt lớn hơn hay không còn phải xem xét ảnh hưởng của chúng trong các công đoạn xử lý tiếp theo Độ rộng của khe càng nhỏ thì tỷ lệ phần mịn càng tăng lên Chúng ta có thể giảm được lượng quặng mịn bằng cách lựa chọn chế độ đập quặng phù hợp, đó là không điều chỉnh độ rộng khe đập xuống ngay giá trị định trước và sử dụng quá trình tuần hoàn phần quặng thô Tuy nhiên cũng cần lưu ý đến chi phí năng lượng và các phát sinh đi kèm

Rõ ràng là đối với quặng cát kết loại CPH và BPH khi gia công tới cỡ hạt phù hợp cho hoà tách đống thì việc sử dụng giải pháp đập hàm là phù hợp hơn

so với đập búa mà trước đây đã từng làm Để quặng có kích thước hạt thuận lợi cho hòa tách trộn ủ, độ rộng của khe giữa các má đập là 15 mm là thích hợp

III.2.2 Lựa chọn chế độ đập quặng

Tính toán mức đập cho các thiết bị đập được áp dụng theo công thức:

I = Dmax/dmax

trong đó:

I: mức đập;

Dmax: kích thước lớn nhất của quặng nguyên khai;

dmax: kích thước lớn nhất của quặng sau khi đập

áp dụng công thức này ta tính được mức đập đối với đối tượng nghiên cứu sẽ là I = 200/20 = 10 Tuy nhiên, trong thực tiễn nếu áp dụng mức đập này

để lựa chọn thiết bị đập và khe đập sẽ dẫn tới hiện tượng quặng bị quá đập hoặc quặng sẽ quá mịn không đạt ý muốn Vì vậy, nên chia thành các mức đập khác nhau Cụ thể sẽ lựa chọn 2 mức đập Khi đó:

I1 = Dmax/dmax1 và I2 = dmax1/dmax2Giai đoạn 1, giảm kích thước từ Dmax = 200 mm xuống dmax = 100 mm (phù hợp với máy đập cỡ nhỏ Khi đó mức đập I1 = 2

Giai đoạn 2, quặng tiếp tục được đập để giảm tới kích thước - 20 mm và I2 = 5

Các thiết bị đập được lựa chọn bao gồm 2 máy đập hàm, máy thứ nhất có kích thước đập a1 = 250 mm (D x R = 250 x 120; công suất 4,5 kW) và máy thứ hai có a2 = 100 mm trong mỗi quá trình đập đều sử dụng sàng phân cấp

Quy trình đập quặng như sau: quặng có kích thước lớn hơn 100 mm sẽ qua máy

đập thứ nhất Sau khi qua sàng, phần quặng lớn hơn 100 mm lại được đưa vào máy thứ nhất cùng với quặng đầu Số quặng có kích thước nhỏ hơn 100 mm sẽ

được đưa vào máy đập thứ hai Phần quặng thô sẽ được quay lại máy để đạt 100% qua sàng 20 mm

III.2.3 Tính toán năng lượng đập quặng

Năng lượng tiêu hao để đập 1 tấn quặng được tính theo chỉ số công đập BOND bằng công thức:

) D

1 d

1 ( 5 , 7

80 80

ω

= ωtrong đó:

ω: năng lượng tiêu hao để đập, kWh/t;

ω1: chỉ số công đập BOND, kWh/t;

D80, d80: kích thước lỗ sàng để 80% quặng đầu và quặng đã đập lọt qua,

àm

D80 = (0,5-0,8)B, ở đây B là bề rộng của cửa cấp quặng

Năng lượng tiêu hao cho quá trình đập phụ thuộc vào tính chất như độ cứng của quặng, chỉ số công đập và yêu cầu kích thước đập Quặng cát kết khu vực Pà Lừa (cả loại CPH và BPH) có độ cứng trung bình Do đó chỉ số công đập

đối với dạng quặng này sẽ là ω1 = 12,71 kWh/t [17] Với kích thước quặng lớn nhất ban đầu 200 mm và cần gia công xuống kích thước 20 mm thì năng lượng tiêu hao cho quá trình đập sẽ là:

) 200000

1 20000

1 (

* 71 , 12

* 5 ,

III.3 Tạo hạt phần quặng mịn

Mục tiêu của quá trình là phần quặng mịn được tạo thành hạt có kích thước lớn để đảm bảo cho quá trình xử lý quặng không bị hạn chế bởi sự gây tắc, bít các đường dẫn của dòng dung dịch; hạt phải giữ được bền trong môi trường hoà tách bằng axit và phải đạt được hiệu suất hoà tách urani ở mức độ có thể chấp nhận được mà không ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất của toàn bộ quá trình thu hồi urani từ quặng Có một số yếu tố có ảnh hưởng nhiều tới quá trình tạo hạt và chất lượng hạt Dưới đây là kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu

tố đó

III.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ quay

Các thí nghiệm được tiến hành trên máy tạo hạt (đường kính của thùng là

20 cm, chiều dài 20 cm) và có thể điều chỉnh được tốc độ Trong quá trình thí nghiệm đã quan sát được các hiện tượng sau:

- Khi tốc độ quay nhỏ (50 vòng/phút), xuất hiện hiện tượng khối quặng bị trượt theo thành của thùng do đó tạo thành các khối lớn không tạo được các hạt có

kích thước mông muốn Khi tăng dần tốc độ thì mức độ trượt giảm và khối quặng sẽ được lăn theo, các mảng quặng bị xé nhỏ và vo viên

- Khi tốc độ quay quá lớn (khoảng 120 vòng/phút) thì lại xuất hiện khối quặng

bị văng lên quá cao do quán tính, sau đó sập xuống đáy tạo ra các mảng quặng

- Chỉ khi tốc độ thích hợp (khoảng 80 - 90 vòng phút) quá trình tạo hạt mới được thực hiện tốt Với tốc độ này, các khối quặng được đẩy đến độ cao nhất định trong thùng, sau đó chúng lăn xuống dưới Trong quá trình lăn các trung tâm lấy thêm các hạt mịn khác và vo viên lại Các trung tâm lớn thì bị vỡ hoặc xé thành các viên nhỏ hơn Kết quả sẽ thu được các hạt quặng có kích thước phù hợp với gian đoạn xử lý tiếp theo Chính vì vậy, trong các nghiên cứu tiếp theo đã sử dụng tốc độ trong khoảng này

Tuy nhiên, thông số tốc độ quay lại phụ thuộc vào kích thước của thùng quay Kích thước càng lớn thì tốc độ quay càng giảm đi để đảm bảo cho sự lăn của khối quặng quanh thành thùng Do đó, tùy theo việc sử dụng máy tạo hạt có kích thước nào sẽ phải thử nghiệm để chọn ra tốc độ thiết bị đó

III.3.2 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian

Khi nghiên cứu sơ bộ, đã thử nghiệm khảo sát ảnh hưởng của thời gian quay tới quá trình tạo hạt Kết quả khảo sát cho thấy, nếu thời gian không đủ, các viên chưa lớn được và rất xốp, không bền Tuy nhiên, nếu quá thời gian cần thiết, các viên bị ép chặt làm cho nước bên trong bị đẩy ra ngoài do đó các viên

dễ bị kết dinh với nhau thành khối và chúng dính chặt vào thành thùng, phá huỷ các viên đã tạo thành Đã xác định được khoảng thời gian phù hợp cho quá trình tạo hạt cho các loại quặng là trong khoảng 14 - 16 phút

III.3.3 Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm

Trong quá trình tiến hành nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm tới quá trình tạo hạt, khi độ ẩm thấp việc cấp dung dịch rất khó đều cho khối quặng, vì vậy khu vực có dung dịch sẽ vón lại và lớn dần nên hạt thu được khá lớn Ngược lại, khi có dư dung dịch thì lại có hiện tượng các hạt bết lại với nhau và với tang quay, dẫn đến cũng không lăn theo tang quay để vê viên tạo hạt Các số liệu thực nghiệm về tỷ lệ khối lượng các cấp hạt sau khi tạo hạt với quặng có kích thước -300 àm có sử dụng hỗn hợp Na2SiO3.9H2O và Na2SiF6.2H2O làm chất kết dính được đưa ra trong bảng 3.6

Qua kết quả khảo sát, độ ẩm thích hợp cho quá trình tạo hạt quặng chưa phong hoá, bán phong hoá, phong hoá tương ứng sẽ là 16%, 15% và 15%

Bảng 3.6 ảnh hưởng của độ ẩm tới quá trình tạo hạt đối với các loại quặng

Tỷ lệ cấp hạt (% khối lượng)

Cỡ hạt (mm) Độ ẩm

14%

Độ ẩm 15%

Độ ẩm 16%

Độ ẩm 17%

Độ ẩm 20%

Quặng chưa phong hoá

3 Một số các chất kết dính hữu cơ: chitosan, gelatin

4 Hỗn hợp Na2SiO3.9H2O và Na2SiF6.2H2O trong đó Na2SiO3.9H2O đóng

vai trò là chất kết dính còn Na2SiF6.2H2O là chất đóng rắn

Sau hàng loạt các thí nghiệm, nhóm tác giả thấy rằng đối với 3 loại chất kết dính đầu tiên, hầu như các hạt tạo thành không chịu được môi trường axit,

dù nồng độ axit rất loãng Chúng bị mủn ra nhanh chóng về trạng thái ban đầu Chỉ có loại kết dính thứ tư là có khả năng bền trong môi trường axit mạnh như trộn ủ Do đó, để đáp ứng mục tiêu nghiên cứu thì tác nhân lựa chọn tương đối phù hợp là hỗn hợp Na2SiO3.9H2O và Na2SiF6 2H2O Với tác nhân này sẽ có phản ứng xảy ra:

2 Na2SiO3 9H2O + Na2SiF6 2H2O = 3SiO2 + 6NaF + 20 H2O

SiO2 tạo thành trong môi trường axit H2SO4 tồn tại ở dạng polysilisic có tác dụng kết dính Một lượng NaF được tạo thành sẽ tham gia phản ứng với axit tạo ra một phần nhỏ HF Trong môi trường axit, phản ứng trên luôn được diễn ra theo chiều từ trái sang phải

+ Khảo sát ảnh hưởng của chất kết dính

Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng chất kết dính với quặng có kích thước -300 àm được đưa ra trong bảng 3.7

Bảng 3.7 ảnh hưởng của tỷ lệ chất kết dính đối với các loại quặng

Mẫu

Tỷ lệ chất

đóng rắn (%)

Tỷ lệ chất kết dính (%)

Độ ẩm (%)

Độ vỡ của hạt (%)

Hiệu suất tách U (%)

Quặng chưa phong hoá

Mẫu

Tỷ lệ chất

đóng rắn (%)

Tỷ lệ chất kết dính (%)

Độ ẩm (%)

Độ vỡ của hạt (%)

Hiệu suất tách U (%)

Quặng phong hoá

đề cập Qua kết quả khảo sát thì đối với loại quặng có kích thước -300 àm của các loại quặng chưa phong hoá, bán phong hoá và phong hoá được lựa chọn tỷ lệ chất kết dính đưa vào tương ứng là 6,9%; 6% và 4%

+ Xác định ảnh hưởng của chất đóng rắn tới hiệu suất hoà tách của các loại quặng urani

Qua kết quả nghiên cứu sơ bộ, đã thấy có hiện tượng khi có thêm chất

đóng rắn vào trong khâu tạo hạt thì hiệu suất thu hồi urani có một số thay đổi nhỏ Trong thí nghiệm này, đã tiến hành các thí nghiệm trộn hỗn hợp quặng (kích thước -300 àm) với chất kết dính ở một tỷ lệ xác định (4% với quặng PH; 6% với quặng BPH và 6,9% với quặng CPH) và chất đóng rắn ở các tỷ lệ khác nhau rồi khảo sát hiệu suất hoà tách quặng urani Các số liệu thực nghiệm được

đưa ra trong bảng 3.8

Bảng 3.8 ảnh hưởng của tỷ lệ chất đóng rắn đối với các loại quặng

Hiệu suất thu hồi urani (%) STT Tỷ lệ chất đóng rắn

Na2SiF6 2H2O (%) Quặng CPH Quặng BPH Quặng PH

Kết quả khảo sát cho thấy rằng khi có mặt của chất đóng rắn, có nghĩa là

có thêm sự có mặt của ion F- đã làm cho khả năng tách urani từ quặng chưa