Luận án tiến sĩ mô hình hoá quá trình hoà tách thấm quặng urani và ứng dụng để tính toán chuyển quy mô

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt CPH- Quặng urani chưa phong hoá BPH- Quặng urani bán phong hoá PH- Quặng urani phong hoá V_thấmướt,max - Thể tích thấm ướt tối đa, lít V_thấmướt,r -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NG ƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS PHẠM VĂN THIÊM

2 TS CAO ĐÌNH THANH

HÀ NỘI - 2009

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan các số liệu trong bản luận án này đã được tôi hoàn thành tại Viện Công nghệ xạ hiếm dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS Phạm Văn Thiêm, TS Cao Đình Thanh và sự giúp

đỡ của tập thể cán bộ nghiên cứu Trung tâm Công nghệ xử lý quặng, Trung tâm Xử lý chất thải phóng xạ và môi trường, Viện Công nghệ xạ hiếm Các số liệu này hoàn toàn trung thực, là của riêng tôi và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ các công trình nào khác

Nghiên cứu sinh

Phạm Quang Minh

LỜI CẢM ƠN

Em xin bầy tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Phạm Văn

Thiêm, TS Cao Đình Thanh, tập thể cán bộ nghiên cứu của

Trung tâm Công nghệ xử lý quặng, Trung tâm Xử lý chất thải phóng xạ và môi trường, Viện Công nghệ xạ hiếm và tập thể cán

bộ Bộ môn Quá trình và Thiết bị công nghệ hóa chất, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ em hoàn thành bản luận án này

Em xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Công nghệ

xạ hiếm – Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất: phòng thí nghiệm, thiết bị nghiên cứu, hóa chất,… cũng như thời gian để em thực hiện thành công các nghiên cứu trong bản luận án này

Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các giáo sư, các nhà khoa học đã đọc và góp nhiều ý kiến quí báu cho bản luận án

Hà Nội, tháng 10 năm 2009

MỤC LỤC Trang

Trang phụ bỡa ………

Lời cam đoan ………

Lời cảm ơn ………

Mục lục ………

Danh mục cỏc kớ hiệu, cỏc chữ viết tắt ………

Danh mục cỏc bảng ………

Danh mục cỏc hỡnh vẽ, đồ thị ………

MỞ ĐẦU ……… 1

Ch ương I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ……… 4

1.1 Khái quát chung về hòa tách trong công nghệ urani … 4

1.1.1 Cơ sở của quá trình hoà tách axit và hoà tách cacbonat …… 5

1.1.2 Quá trình hòa tách đống… 8

1.2 Các quá trình diễn biến trong hòa tách đống ……… 10

1.2.1 Các quá trình diễn biến trong hòa tách đống 10

1.2.1.1 Các quá trình vi mô ……… 11

1.2.1.2 Các quá trình trung gian ……… 12

1.2.1.3 Các quá trình vĩ mô … 13

1.2.2 Một số vấn đề quan trọng trong hoà tách đống 14

1.2.2.1 Khả năng thấm …

1.2.2.2 Dòng ưu tiên ……… 17

1.2.2.3 áp dụng thực tế cho hòa tách đống ………… 17

1.3 Mô hình hóa quá trình hòa tách đống và chuyển quy mô 19

1.3.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới 19

1.3.2 Kết quả nghiên cứu trong nước 24

1.3.3 Tính toán chuyển quy mô trong hòa tách đống quặng urani 26

1.4 Kết luận rỳt ra từ tổng quan tài liệu và nội dung nghiờn cứu đề 27

xuất

Chương II: ĐỐI TƯỢNG, THIẾT BỊ DỤNG CỤ, PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

VÀ THỰC NGHIỆM ……… 30

2.1 Đối tượng nghiên cứu …… 30

2.2 Thiết bị, dụng cụ 32

2.3 Phương pháp phân tích ……… 33

2.3.1 Phương pháp xác định urani……… 33

2.3.2 Phương pháp xác định nồng độ axit……… 33

2.4 Thực nghiệm ……… 34

2.4.2 Thí nghiệm sơ bộ định hướng 34

2.4.2 Chương trình thực nghiệm 36

2.4.3 Kết luận rút ra từ thực nghiệm 39

Chương III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ……… 41

3.1 Phương pháp hòa tách thấm 41

3.1.1 Định nghĩa "Một chu kỳ xử lý "……… 41

3.1.2 Định nghĩa "Một lần xử lý " ……… 42

3.1.3 Tính bất biến của số lần xử lý đối với mọi quy mô hòa tách 44

3.2 Xây dựng mô hình quá trình hòa tách thấm quặng urani theo phương pháp hòa tách mao dẫn ngược từ số liệu thực nghiệm 47 3.2.1 Kết quả thực nghiệm ……… 47

3.2.2 Xây dựng mô hình hòa tách thấm từ các số liệu thực nghiệm … 48

3.2.2.1 Nguyên lý chung……… 48

3.2.2.2 Mô tả toán học quá trình hòa tách thấm ……… 50

3.2.2.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ axit và số lần xử lý …… 51

3.2.2.2.2 Ảnh hưởng của chiều cao……… 53

3.2.2.2.3 Ảnh hưởng của độ hạt và phân bố cấp hạt ……… 55

3.2.3 Khả năng áp dụng của mô hình cho các trường hợp thực tế…… 60

3.2.4 Kiểm chứng và đánh giá mô hình ……… 61

3.2.5 Các trường hợp biên 62

3.2.6 Cơ sở phương pháp tính toán chuyển quy mô 63

3.3 Kiểm tra mô hình trên thiết bị thí nghiệm 800 lít ……… 65

3.3.1 Tính toán hiệu suất và thời gian hòa tách quặng ……… 66

3.3.2 Thực nghiệm xử lý quặng trên thiết bị 800 lít ……… 68

3.4 Áp dụng mô hình để tính toán về tối ưu ……… 72

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… 77

Các công trình liên quan đã đăng tải ……… 79

T ài liệu tham khảo ……… 81

Các phụ lục ……… 89

Phụ lục 1: Ảnh thực nghiệm hòa tách thấm trên cột

Phụ lục 2: Kết quả nghiên cứu về khả năng giữ nước và khả năng thấm của

quặng

Phụ lục 3: Phương trình tính, các thông số vào cho bảng tính trên chương

trình Excell và kết quả tính từ mô hình

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

CPH- Quặng urani chưa phong hoá

BPH- Quặng urani bán phong hoá

PH- Quặng urani phong hoá

V_thấmướt,max - Thể tích thấm ướt tối đa, lít

V_thấmướt,r - Thể tích thấm ướt tối đa của một đơn vị khối lượng quặng khô, lít /kg k_thấm - Hệ số thấm, m/s

ε - Thể tích trống của cột quặng, cm3

ρbk - Tỷ trọng đống của quặng

ai - Hệ số của phương trình toán mô tả quá trình thấm

à = H/H0 - Đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi chiều cao khi so sánh với chiều cao cơ

sở của khối quặng, ở đây là H0=0,37m, à có miền xác định trong khoảng [1 - +8],

ξ = C/C0 là đại lượng biểu hiện sự khác nhau của nồng độ axit hoà tách khi so sánh với nồng độ axit được chọn làm gốc, ở đây là C0=50 g/l, ξ có miền xác định trong khoảng [0 - 2]

k0 - Hệ số hiệu chỉnh tính đến phân bố kích thước hạt của khối quặng cơ sở

θ = k0 / k - Hệ số hiệu chỉnh đặc trưng cho độ lệch phân bố hạt giữa khối cơ sở và khối

đang triển khai

danh mục các bảng và hình vẽ Danh mục các bảng:

Bảng 2.2 Nồng độ axit ra sau khi khi dội qua cột (mol H 2 SO 4 /lít) 34

Bảng 2.3 Phân bố kích thước của quặng đầu vào trong cột thí nghiệm 39

Bảng 3.1 Số lần xử lý (N) đặc trưng, hiệu suất sử dụng axit, nồng độ axit

dư & nồng độ urani trong dung dịch cuối 47

Bảng 3.2 Các hệ số của hàm và tổng bình phương các sai số 52

Bảng 3.3 Số liệu về hiệu suất hòa tách đối với từng khoảng cấp hạt đối với

Bảng 3.4 Sự phụ thuộc của hiệu suất hoà tách vào phân bố hạt 57

Bảng 3.6 Kết quả hiệu suất hòa tách quặng trên thiết bị 800 lít tính từ mô

Bảng 3.7 Các số liệu đầu về thí nghiệm xử lý quặng trên thiết bị 800L 70

Bảng 3.8 Các dung dịch thu được trong quá trình hòa tách 71

Bảng 3.9 Hiệu suất thu hồi urani theo số lần xử lý 71

Danh mục các hình vẽ và đồ thị:

Hình 1.1 Đặc điểm của các kỹ thuật hòa tách chính 4

Hình 1.5 Mô hình đống và các "dòng" cơ bản 13

Hình 1.6 Sự thay đổi nồng độ urani trong dung dịch axit trong quá trình di

chuyển liên tục của vùng hoà tách qua lớp quặng 17

Hình 2.1 Biểu diễn bằng đồ thị các số liệu nồng độ axit ra sau khi khi dội qua

cột chứa quặng (mol H 2 SO 4 /lít) theo thời gian (giờ) 35

Hình 2.2 Sự phụ thuộc của hiệu suất hoà tách vào N & C 39

Hình 3.1 Định nghĩa chu kỳ và lần xử lý 43

Hình 3.2 Mô hình hòa tách thấm quặng urani 46

Hình 3.3 Xác định dạng hàm R = F(N), đường liền là hàm fit, đứt chấm là số

Hình 3.4 Sự phụ thuộc của hiệu suất hoà tách vào phân bố hạt 58

Hình 3.5 So sánh giá trị R thực nghiệm và lý thuyết 62

Hình 3.6 Sự phụ thuộc của F[A/U] vào N, à, ξ 73

Hình 3.7 Sự phụ thuộc của F[Q,N] vào N, à, ξ 74

Hình 3.8 Dự đoán quá trình hoà tách thấm urani ở quy mô lớn tính từ mô hình 75

Hình 3.9 Xác định điểm cực tiểu của F_mt 76

2006 ban hành "Chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình đến năm 2020" Theo chiến lược này đến năm 2020 nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của nước ta sẽ đi vào hoạt động Để thực hiện chiến lược này, Thủ tướng Chính phủ đã ký quyết định số 114/2007/QĐ-TTg ngày 23 tháng 7 năm 2007 về việc phê duyệt "Kế hoạch tổng thể thực hiện Chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình đến năm 2020" Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam cần chuẩn bị các điều kiện công nghệ để nội địa hóa từng phần chu trình nhiên liệu hạt nhân, khai thác hiệu quả nguồn tài nguyên urani trong thời gian tới

Những kết quả nghiên cứu bước đầu cho thấy quặng urani trong cát kết Nông Sơn nói chung có hàm lượng trung bình tương đối thấp, do vậy phương pháp hoà tách tĩnh là phù hợp do có ưu điểm là chi phí thấp và không cần đầu tư những thiết bị đặc biệt Trên cơ sở so sánh một số phương pháp xử lý quặng đã được thực hiện tại Viện Công nghệ xạ hiếm từ hơn một chục năm trở lại đây cho đối tượng quặng cát kết vùng bồn trũng Nông Sơn, có thể đi tới kết luận sơ bộ rằng phương pháp hòa tách tĩnh (hay

cụ thể hơn là hòa tách đống) là phương pháp xử lý có nhiều khả năng sẽ được ứng dụng

để triển khai ra quy mô lớn

Mặc dù đã có một số nghiên cứu xử lý quặng theo phương pháp hòa tách tĩnh trong những năm trước đây tại Viện Công nghệ xạ hiếm nhưng tất cả những nghiên cứu này đều chỉ mang tính thăm dò với mục tiêu chủ yếu là đánh giá khả năng sử dụng phương pháp để thu hồi urani từ quặng nghèo Do vậy, các thông tin thu được và các kết luận rút ra từ đó thường chỉ mang tính “định tính”, trong khi để có thể thiết kế cho

những thiết bị sản xuất có quy mô lớn hơn thì cần phải có những thông tin có tính

“định lượng” hơn, và điều quan trọng là những thông tin này phải có giá trị ngoại suy

được ra cho các thiết bị lớn hơn

Qua tham khảo các tài liệu, đặc biệt là các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của IAEA, có thể thấy rằng các tài liệu có được đều chỉ mô tả các hệ thống đã có và đang hoạt động trong công nghiệp, không có tài liệu nào nói về tính toán thiết kế các quá trình hòa tách đống Các công trình nghiên cứu được công bố trên thế giới chủ yếu về

lý thuyết và nguyên lý chung, các kết quả chủ yếu là cho một số đối tượng như quặng vàng, bạc hay đồng còn với quặng urani là rất ít Để có thể xây dựng nên các hệ thống

xử lý mới, tài liệu hướng dẫn của IAEA cũng chỉ đề nghị tiến hành làm thực nghiệm dần từng bước, bắt đầu từ quy mô nhỏ chuyển dần lên quy mô lớn hơn

Mới đây trong Hội nghị về Công nghệ khai thác và xử lý quặng urani do IAEA

tổ chức tháng 6/2007 tại Viên (áo), Hãng AREVA (Pháp) đã trình bày báo cáo về kế hoạch khai thác và xử lý quặng urani ở Somair (Niger) cũng chỉ đề nghị các bước thực nghiệm dần từ quy mô cột trong phòng thí nghiệm lên quy mô pilôt nhỏ trước khi đưa

ra triển khai

Các nghiên cứu về mô hình quá trình hòa tách đống thường gặp phải khó khăn

do phải đưa ra các giả thiết để đơn giản hóa quá trình so với quá trình thực tế, trong khi quá trình hòa tách đống phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính thiên nhiên của quặng, mang tính thực nghiệm rất lớn, điều này làm cho kết quả ứng dụng về mô hình hòa tách đống còn nhiều hạn chế Nhiều công trình đã công bố chỉ đưa ra được các kết luận về những

đặc điểm chung của quá trình hòa tách đống

Mặt khác, công nghệ urani nói chung, cũng như các bí quyết mấu chốt về kỹ thuật trong tính toán thiết kế và vận hành quá trình hòa tách đống xử lý quặng hay những phần mềm tính toán cho các quá trình này vẫn là sở hữu của các quốc gia và các công ty Những công bố về công nghệ urani còn khá hạn chế

Từ những phân tích trên chúng tôi đặt mục tiêu cho luận án là xây dựng được một mô hình quá trình hòa tách thấm có thể áp dụng tính toán chuyển quy mô, từ một

số lượng nhỏ các thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm xây dựng một mô hình hòa tách thấm có thể áp dụng để tính toán thiết kế cho các hệ thống hòa tách đống lớn đạt kết

quả mong đợi, nhằm tiến tới xây dựng một quy trình công nghệ hoàn chỉnh về xử lý quặng urani, chế tạo urani kỹ thuật đạt tiêu chuẩn ASTM từ quặng urani Việt Nam

Trên cơ sở đó đưa ra đề tài luận án: "Mô hình hóa quá trình hòa tách thấm

quặng urani và ứng dụng để tính toán chuyển quy mô"

Những nội dung nghiên cứu thực hiện mục tiêu trên là:

1) Nghiên cứu xây dựng phương pháp hòa tách thích hợp để áp dụng vào quá trình hòa tách đống quặng cát kết chứa urani Nông Sơn

2) Xác định những đặc điểm cơ bản của quặng trong hòa tách đống Thực nghiệm quá trình hòa tách thấm quặng urani từ một số lượng nhỏ các thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm nhằm tìm ra những điểm mấu chốt để làm cơ sở cho tính toán chuyển quy mô 3) Xây dựng một mô hình hòa tách thấm trên cơ sở kết quả nghiên cứu các nội dung trên Mô hình có thể áp dụng để tính toán thiết kế cho các hệ thống hòa tách đống lớn

đạt kết quả mong đợi

4) Kiểm tra, đánh giá và áp dụng mô hình hòa tách thấm quặng urani

Luận án có cấu trúc như sau:

Chương 1: Tổng quan tài liệu, giới thiệu quá trình hòa tách thấm quặng urani, xem xét các cách tiếp cận để mô hình quá trình hòa tách đống, kết quả nghiên cứu trên thế giới

và trong nước

Chương 2: Đối tượng, dụng cụ thiết bị, phương pháp phân tích, nghiên cứu thực nghiệm

Chương 3: Kết quả và thảo luận, nghiên cứu xây dựng một mô hình hòa tách thấm mà

có thể áp dụng để tính toán thiết kế cho các hệ thống hòa tách đống, khả năng áp dụng của mô hình, kiểm định và đánh giá mô hình

Kết luận và kiến nghị

Chương 1: Tổng quan I.1 Khái quát chung về hoà tách trong công nghệ urani

Hoà tách là một trong những công đoạn quan trọng nhất trong quy trình công nghệ xử

lý quặng urani Mục tiêu chủ yếu của quá trình hoà tách trong công nghệ xử lý quặng urani là tách chọn lọc và triệt để urani ra khỏi quặng

Những công nghệ hoà tách chính thường dùng hiện nay là:

- Hoà tách khuấy trộn tại áp suất khí quyển

- Hoà tách dưới áp suất cao

- Trộn ủ quặng với axit

- Hoà tách đống bằng axit

- Hoà tách ngầm dưới mặt đất

Các ưu nhược điểm của các kỹ thuật hòa tách thể hiện ở hình sau

Hình 1.1 Đặc điểm của các kỹ thuật hòa tách

Người ta thường sắp xếp quá trình hoà tách vào 2 loại:

- Hoà tách khuấy trộn, trong đó pha rắn (quặng và chất oxy hoá rắn) dưới dạng hạt nhỏ và pha lỏng (tác nhân hoà tách và sản phẩm hoà tách) đều ở trạng thái chuyển

- Khó điều khiển quá trình

- Thời gian hòa tách dài

- Xử lý quặng hàm lượng cao

- Chi phí cao

- Dễ điều khiển quá trình

- Thời gian hòa tách ngắn

- Thể tích thiết bị nhỏ Hòa tách

Ngầm Đống Khuấy trộn

I.1.1 Cơ sở của quá trình hoà tách axit và hoà tách cacbonat

Urani tồn tại trong quặng ở nhiều dạng khoáng urani khác nhau, nhưng đều ở hai trạng thái, trạng thái hoá trị 6 (UO3 còn gọi là urani trioxyt) và hoá trị 4 (UO2 còn gọi là urani đioxyt) Các khoáng urani có thể hoà tan trong axit hoặc cacbonat

*Quá trình hoà tách urani bằng axit H2SO4

- Hoà tan urani trioxit (UO3):

Urani ở trạng thái hoá trị 6 phản ứng với dung dịch axit H2SO4 nhanh và dễ dàng Theo phương trình sau:

Sự ưu tiên tạo thành phức này hay phức khác được quyết định bởi hoạt độ của urani, axit trong dung dịch và nhiệt độ Sự tạo phức đã góp phần thúc đẩy phản ứng hoà tan urani trioxit UO3 trong axit sunfuric một cách nhanh chóng vì nó làm tăng giá trị

âm của ∆G và làm cho cân bằng dịch chuyển về phía phải

Phản ứng hoà tan urani trioxit trong axit sunfuric rất phức tạp Kể đến cả sự tạo thành phức, có thể mô tả bằng phương trình:

UO3 + 3H2O + H2SO4 = [UO2(H2O)4SO4]0

- Hoà tan urani đioxyt UO2

Urani ở trạng thái hoá trị 4 (UO2) hoà tan khó khăn trong axit và yêu cầu phải

ôxy hoá thành urani hoá trị 6:

Phản ứng ô xy hoá có thể là rất phức tạp, quá trình ô xy hoá nhanh trong môi trường axit thực hiện chủ yếu do tồn tại ion Fe3+ trong dung dịch Trong công nghiệp

xử lý quặng urani nguời ta thường dùng các chất ô xy hoá sau: MnO2, KMnO4, NaClO3, NaNO3

Vai trò của ion Fe3+ trong việc hoà tan UO2 trong môi trường axit là quan trọng nhất Ta có thể thấy rõ trong sơ đồ sau:

UO2 (r) + 2 Fe3+ (1) → UO22+ (1) + 2 Fe2+ (1)

2 Fe2+ (1) + MnO2 (r) + 4H+ (1) → 2 Fe3+ (1) + Mn2+ (1) + 2H2O (1)

Fe2+ (1) ↔ Fe3+ (1) + e− (E0 = + 0,77V)

Mn2+ (1) + 2H2O ↔ MnO2 (r) + 4H+ (1) + 2e− (E0 = + 1,22V)

Như vậy sắt là chất xúc tác làm việc theo sơ đồ:

Fe2+ + chất oxi hoá Fe3+ + U4+ Fe2+ + chất oxi hoá Fe3+ + U4+

Như vậy ion Fe3+ chính là tác nhân chuyển điện tử từ các chất ô xy hoá tới urani

Trong thực tế nồng độ ion Fe3+ trong dung dịch thường phụ thuộc vào nồng độ

Đối với hầu hết các loại quặng urani quá trình hoà tách đảm bảo khi duy trì thế

ôxy hoá ở khoảng 450mV - 500mV

Chi phí axit trong hoà tách axit phụ thuộc chủ yếu vào thành phần các loại khoáng tiêu tốn axit như canxit, siderit, đolomit, magnesit Ngoài ra cũng tiêu tốn vào một vài loại khoáng kim loại như sắt, khoáng sunfua, photphat, ôxit của các kim loại như Cu, Ni, Cr, Mn, Ti Để duy trì quá trình ôxy hoá khử, cũng như để hoà tan các hợp chất urani cần một độ axit nhất định của môi trường, vì vậy khi hoà tách vấn đề

quan trọng là kiểm tra giá trị pH của môi trường Nồng độ axit cao tức là lượng axit tiêu thụ lớn do đó lượng dư axit lớn điều này yêu cầu lượng vôi trung hoà lớn và ảnh hưởng đến lượng chất ôxy hoá cần dùng Tuy nhiên vẫn phải quan tâm tới giá trị pH ở cuối quá trình hoà tách, do quá trình kết tủa urani lại sau khi hoà tan cũng là vấn đề quan trọng trong hoà tách urani

Một phần cơ bản chi phí axit trong quá trình xử lý quặng urani là hoà tan tạp chất ta có thể thấy trong các phương trình sau:

nSiO2 + nH2O [H2SiO3]n CaSiO3 + H2SO4 H2SO4 + H2SiO3

* Quá trình hoà tách urani bằng cacbonat

Hoà tách bằng phương pháp cacbonat dựa trên phản ứng sau với tác nhân là hỗn hợp cacbonat và bicacbonat

UO3 + 3Na2CO3 + H2O Na4[UO2(CO3)3] + 2NaOH Bao gồm các giai đoạn sau:

- Đối với urani đioxyt cần phải có chất ôxy hoá Có thể dùng các chất oxi hoá khác nhau như: KMnO4, O2, không khí

Trong phương pháp này cũng tạo thành một số tạp chất như các khoáng sunfua tạo thành muối sunfat:

4FeS2 + 15O2 + 12Na2CO3 + 4H2O 2Fe2O3 +8NaSO4 + 8NaHCO3 +4CO2

Vơí CaSO4, MgSO4, BaSO4 :

CaSO4 + Na2CO3 Na2SO4 + CaCO3 Với Fe2O3, Al2O3, CaCO3, MgCO3 không phản ứng với cacbonat SiO2 trong khoáng tan ít hơn

Đối với phương pháp hoà tách cacbonat hiệu suất của quá trình cũng phụ thuộc vào các yếu tố như hoà tách axit nhưng vấn đề ăn mòn thiết bị không lớn vì không có môi trường ăn mòn mạnh như phương pháp axit Tuy nhiên phương pháp cacbonat đòi hỏi mức độ nghiền mịn cao, do đó tiêu tốn năng lượng, quá trình lọc bùn khó, giá thành Na2CO3 đắt hơn axit H2SO4

Nhận xét:

- Trong quá trình hòa tách quặng urani nói chung và hòa tách quặng urani bằng axit nói riêng, ngoài các phản ứng giữa khoáng urani và axit còn nhiều phản ứng phụ với các khoáng đá chủ và kim loại đi kèm

- Phản ứng xảy ra giữa khoáng urani và axit tương đối thuận lợi khi các yếu tố

về nồng độ axit và thế ô xi hóa được đảm bảo: thế ôxy hoá ở khoảng 450mV - 500mV, với hòa tách khuấy trộn pH =1-1,5, với hòa tách thấm người ta thường dùng axit nồng

độ khoảng từ 10-80 gam/l đối với từng trường hợp cụ thể

I.1.2 Quá trình hoà tách đống

Hòa tách quặng ở trạng thái tĩnh bằng cách cho dung dịch chảy qua lớp quặng

từ trên xuống dưới tác dụng của trọng lực hay bằng cách làm ngập toàn bộ khối quặng

đang được chứa trong một thiết bị chứa thường được gọi chung bằng một thuật ngữ chung là hòa tách đống (heap leaching) Tuy nhiên, kỹ thuật hòa tách bằng cách làm ngập lớp quặng, sau đó rút dung dịch ra bằng cách cho chảy xuống hay chảy lên thì còn được gọi bằng một thuật ngữ khác nữa là hòa tách thấm (percolation leaching)

Hòa tách đống là phương pháp rất thích hợp và thuận tiện để xử lý những đống quặng có hàm lượng urani thấp, hay cho những khu mỏ quặng urani chỉ có trữ lượng quặng thấp và cách xa những cơ sở chế biến quặng lớn, không thuận tiện cho việc khai

thác và chuyển chở quặng về cơ sở xử lý tập trung, vì vậy, cần có phương pháp xử lý sơ

bộ tại chỗ để thu hồi urani từ quặng và chở sản phẩm urani thô về

Hòa tách đống thường không đòi hỏi đầu tư lớn cho những thiết bị đắt tiền Các loại quặng cát kết thường cũng không yêu cầu phải được nghiền nhỏ khi hòa tách bằng axit Các thiết bị khuấy trộn và lọc bùn (tách lỏng-rắn) cũng thường không cần đến trong quá trình hòa tách đống do dung dịch đi ra từ đống hòa tách thường đã tương đối sạch, do vậy chi phí đầu tư cho một hệ thống xử lý quặng bằng hòa tách đống thường

rẻ hơn nhiều lần so với dây chuyền xử lý quặng theo công nghệ hòa tách thông thường

Hòa tách đống là phương pháp có nhiều triển vọng để áp dụng thu hồi uran từ các loại quặng nghèo một cách kinh tế Trong phương pháp hoà tách đống quặng được khai thác và chất thành đống trên một hệ thống sàn thu gom dung dịch Dung dịch hoà tách được phân bố (thường bằng giàn tưới) trên đống và thấm qua lớp quặng, sau đó

được thu lại đem xử lý tiếp Trong hoà tách đống, do không cần kích thước hạt mịn, quặng có thể trực tiếp chuyển vào từ khâu khai thác mỏ hoặc qua đập nghiền thô Trong quá trình thấm tách, quặng được nghiền đến kích thước - 1 inch (-25,4 mm) hoặc nhỏ hơn (đôi khi được tạo hạt), sau đó cho vào các bể hoặc thùng chứa Dung dịch hoà táchđược thấm từ trên xuống hoặc từ dưới lên qua lớp quặng tĩnh [7]

Các kỹ thuật hay quy trình hòa tách đống đang được áp dụng phổ biến trên thế giới chủ yếu như sau:

- Cho dung dịch chảy qua đống quặng bằng cách phun liên tục hoặc bơm dung dịch hòa tách gián đoạn vào các hố quặng nhỏ trên đỉnh đống quặng hòa tách

- Cho dung dịch chảy qua đống quặng theo từng chu kỳ gián đoạn Phương pháp này nhằm tạo ra hiệu ứng được gọi là “mao dẫn ngược”

- Cho ngập hoàn toàn lượng quặng được hòa tách trong một thiết bị chứa Phương pháp này có thể được tiến hành gián đoạn hay liên tục, và dòng dung dịch có thể chảy từ trên xuống hay từ dưới lên

- Trộn quặng với axit mạnh, để cho “ngấu” trong một thời gian, sau đó rửa bằng nước Phương pháp này còn thường được gọi với tên riêng là phương pháp xử lý bằng axit mạnh

Thường thì trong thực tiễn hay dùng một số cách tổ hợp khác nhau của những nguyên lý cơ bản kể trên, và các dung dịch thu được thường được ít nhiều tuần hoàn lại một phần nhằm nâng cao nồng độ urani trong dung dịch sản phẩm cuối cùng đồng thời không để lại nhiều axit dư, gây lãng phí và làm giảm hiệu quả chung của khâu thu hồi sau đó Tuần hoàn dung dịch thường được tiến hành theo nguyên lý ngược chiều; dung dịch trước khi trở thành dung dịch sản phẩm được cho chạy qua cột quặng mới để giảm lượng axit còn dư và tăng thêm nồng độ urani lên một chút

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc hoà tách đống

I.2 Các quá trình diễn biến trong hòa tách đống

I.2.1 Các quá trình diễn biến trong hòa tách đống

Trong thực tế có thể coi một đống quặng là một thiết bị dạng lớp đệm, không có xúc tác, dị thể và được xây dựng trên một diện tích lớn Các khoảng trống của đống quặng thường có sự tham gia của dung dịch hoà tách và không khí và do vậy chúng hoạt động ở những điều kiện bão hoà có thể thay đổi, có 5 đặc điểm khác biệt có thể dễ dàng nhận ra:

- Pha rắn của các hạt quặng hay các hạt quặng đã được kết khối (agglomerat) trong đó có các lỗ mao quản;

- Phần dung dịch lỏng nằm giữa các hạt quặng;

- Phần dung dịch lỏng bị giữ lại giữa các agglomerat bởi lực cân bằng giữa áp suất mao quản và trọng lực;

- Phần dung dịch chuyển động hay chảy tự do kiểu thấm bởi tác dụng của trọng lực như những màng lỏng trên bề mặt của các hạt quặng Có đống dòng dung dịch

được tưới liên tục nhưng có đống dung dịch được tưới gián đoạn;

- Khoảng trống giữa các hạt quặng bị điền đầy khí

Trong quá trình hoà tách đống người ta quan tâm tới các phản ứng hòa tan, kết tủa, cân bằng và thuận nghịch, phụ thuộc trước hết vào quá trình vận chuyển và chuyển khối của các chất phản ứng và sản phẩm giữa các pha khác nhau của đống Mỗi một quá trình này (phản ứng, vận chuyển, chuyển khối) có thể diễn ra ở quy mô hạt khoáng, hạt quặng, quy mô trung gian là tập hợp các hạt quặng được kết khối hay ở quy mô đống Sau đây sẽ trình bày việc xem xét các hiện tượng quan trọng xảy ra ở mỗi một quy mô

I.2.1.1 Các quá trình vi mô

Quá trình vi mô xảy ra ở quy mô hạt khoáng và các hạt quặng ở quy mô hạt khoáng, phản ứng hóa học hòa tách và động học phản ứng là nhân tố chiếm ưu thế Các phản ứng hóa học chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ (đặc trưng bởi năng lượng hoạt hóa)

và nồng độ chất phản ứng Mặc dù cơ chế chính của những phản ứng như vậy đã được hiểu rõ, nhưng các giá trị chính xác cho mỗi trường hợp cụ thể phải được xác định rõ [28]

ở quy mô một hạt quặng, sự phân bố của các hạt khoáng trong hạt quặng cũng cần phải được quan tâm Giả thiết các hạt khoáng phân bố đồng đều trong quặng, kết hợp với quá trình hòa tan khoáng tương đối nhanh, điều này góp phần làm xác thực thêm vào mô hình động học nhân phản ứng giảm dần [42] Trong thực tế các hạt khoáng có thể hình thành như những hạt khoáng tự do hay một đám các hạt khoáng, và

có thể phân bố ở trên bề mặt hay nằm trong các khe kẽ của hạt quặng

Một quá trình quan trọng khác nữa ở quy mô hạt quặng là quá trình vận chuyển tác nhân vào và chuyển sản phẩm phản ứng ra khỏi các vị trí phản ứng trong hạt Các quá trình này do quá trình khuếch tán điều khiển và bị giới hạn bởi kích thước và độ xốp của hạt quặng, gradient khuếch tán và hệ số khuếch tán của các cấu tử

Hình 1.3 Mặt cắt ngang của một hạt quặng

I.2.2.2.Các quá trình trung gian

Hình 1.4 Một tập hợp các hạt quặng Các quá trình trung gian xảy ra ở quy mô một tập hợp các hạt quặng Quá trình quan trọng ở quy mô này là quá trình khuếch tán của các cấu tử như tác nhân hòa tách hay sản phẩm của phản ứng qua phần dung dịch lưu giữ nằm ở khoảng trống của lớp quặng để đi vào dung dịch hòa tách hay tham gia phản ứng hóa học trong hạt quặng Phạm vi ảnh hưởng của quá trình khuếch tán vào các lỗ giữa các hạt lên tốc độ quá trình hòa tách khoáng phụ thuộc vào chiều dài quãng đường khuếch tán, điều này ảnh hưởng đáng kể trong những đống mà việc tưới đồng đều dung dịch hòa tách không

được đảm bảo [28]

Khoáng nằm trong các khe kẽ

Khuếch tán tác nhân

Hạt quặng xốp

Đám khoáng trong hạt

Đám khoáng ở bề mặt hạt Khoáng hình thành tự do trong hạt

Khuếch tán qua lỗ giữa các hạt quặng

các đám quặng Dung dịch lưu giữ

I.2.2.3 Các quá trình vĩ mô

Các quá trình vĩ mô là những quá trình thể hiện "dòng" cơ bản trong đống Đó

là các dòng dung dịch, dòng khí và dòng nhiệt Đống cần được tưới đều dung dịch hòa tách, thu sản phẩm, khống chế nhiệt độ (nếu cần thiết) để duy trì độ ẩm bên trong Có hai cách phổ biến thường được sử dụng để tưới dung dịch lên đống là dùng ống tưới và dàn mưa, để đảm bảo việc tưới dungdịch được đồng đều Đối với những đống được tưới liên tục thì dòng dung dịch phụ thuộc vào khả năng thấm và mức độ bão hòa của đống Trong mô hình hóa quá trình hòaách thấm người ta thường giả thiết dòng dung dịch là

đồng đều, nhưng thực tế dòng dung dịch thường bị hạn chế và chảy thành kênh trong

đống [55]

Đối với những đống có quá trình tham gia của pha khí (ví dụ quá trình hòa tách

đống có sự tham gia của vi sinh, đống cần được cung cấp ôxy), thì quá trình di chuyển của khí trong đống cũng phụ thuộc vào khả năng thấm và mức độ bão hòa, nhiệt độ của

đống, sự tiêu thụ ôxy và quá trình tạo thành hơi nước [28] Nhiệt tạo ra bởi các phản ứng hóa học trong quá trình hòa tách đống được vận chuyển bằng đối lưu bởi pha lỏng

và pha khí và bằng dẫn nhiệt qua đống Những đống mà thay đổi nhiệt độ phụ thuộc vào tốc độ tưới dung dịch và sục khí, thì có thể sử dụng tốc độ này để điều khiển nhiệt

độ [30]

Hình 1.5 Mô hình đống và các "dòng" cơ bản

Đối với quá trình hoà tách đống các hạt quặng thường có kích thước không đồng

đều, thực hiện ở áp suất thường, pha khí bão hoà, dòng pha lỏng chảy tự do rất chậm (2

- 50 lít/m2.h) [49], khi đó giá trị điển hình của chuẩn số Reynold thường nhỏ hơn 1 (Re<1) Các điều kiện công nghệ trên khác xa với các điều kiện trong thiết bị dạng tháp đệm, nơi các hạt đệm, hạt xúc tác thường có kích thước đồng đều, áp suất và tốc

độ dòng khí và lỏng cao vừa phải và có thể hoạt động ở chế độ dòng xung Sự khác

Dòng dung dịch Tỏa nhiệt bên trong Dòng khí

nhau về các điều kiện trên hạn chế việc sử dụng các kết quả, các quan hệ có được từ các nghiên cứu về các thiết bị lớp đệm để mô tả các hiện tượng khuếch tán và lưu giữ trong các thiết bị hoà tách đống và cột [45]

Trong một cột quặng có dung dịch chảy qua, người ta thường phân chia dung dịch ra làm 2 loại như sau:

Phần dung dịch bị giữ lại: đó là phần chất lỏng được giữ lại trong lớp quặng, nó phụ thuộc vào độ xốp của hạt và sự sắp xếp của lớp quặng Phần lớn lượng lỏng tĩnh là lượng lỏng nằm trong các mao quản của hạt, trong khi một phần nhỏ hơn là phần chất lỏng giữ lại bởi sức căng bề mặt của các hạt cấu tạo nên lớp quặng Phần dung dịch lỏng nằm ở giữa các hạt và phần dung dịch bị giữ lại, chính là thể tích đựơc giữ lại sau khi dung dịch chảy thoát ra Chỉ có quá trình bay hơi là tiếp tục đối với các dung dịch

bị giữ lại này Thể tích phần dung dịch này chỉ phụ thuộc vào đặc tính vật lý của dung dịch, hình dạng, kích thước hạt và khả năng thấm ướt

Phần dung dịch di chuyển: là phần chất lỏng chảy xả xung quanh hạt và phụ thuộc vào cách sắp xếp lớp quặng và kích thước của nó, lưu lượng ra và bản chất của pha lỏng Phần dung dịch lỏng di chuyển là phần dung dịch thu được trong suốt quá trình dung dịch chảy thoát ra và phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ pha khí và lỏng, đặc tính vật lý của pha lỏng và đặc trưng của lớp quặng Khi tốc độ pha lỏng thấp, lực mao quản giữ dung dịch hoà tách tại các lỗ nhỏ bởi vì năng lượng bề mặt ở mặt tiếp giáp dung dịch và quặng nhỏ hơn Khi tốc độ dòng tăng lên, lượng dung dịch thừa ra sẽ đi vào các kênh dẫn và khoảng trống lớn chứa khí và dòng dung dịch sẽ hình thành màng lỏng dọc theo bề mặt hạt quặng Khi tốc độ dòng tăng lên chỉ có phần trống của lớp quặng

là chứa dung dịch Trừ khi khoảng trống chứa khí bắt đầu bị ngắt và hiện tượng ngập xuất hiện, việc tăng tốc độ dòng của dung dịch ảnh hưởng không đáng kể lên phần dung dịch di chuyển, ngoại trừ việc chiều dày lớp màng dung dịch hoà tách sẽ dày lên [67] Kích thước hạt và số lượng các hạt nhỏ sẽ ảnh hưởng nhiều hơn tới phần dung dịch di chuyển [53]

I.2.2 Một số vấn đề quan trọng trong hoà tách đống [52]

Hai khái niệm then chốt trong hòa tách đống là dòng thích hợp và dòng đồng

đều của dung dịch chảy qua đống Dòng thích hợp cần thiết cho hoà tách đống để đảm

bảo hoà tách trong một thời gian kinh tế, trong khi dòng đồng đều thì cần thiết để đảm bảo toàn bộ quặng trong đống đều được hoà tách

Quá trình hòa tách đống đòi hỏi đối tượng quặng có khả năng thấm tương đối và

có cấu trúc đồng nhất, điều này sẽ không tạo cơ hội cho hiện tượng chảy theo kênh rãnh và lặp lại thành các vòng ngắn Những khu vực của đống không có sự tiếp xúc hiệu quả của dung dịch, sẽ không được hoà tách nếu không có dòng dung dịch qua

I.2.2.1 Khả năng thấm

Lý thuyết thấm xét chuyển động không ngừng của nước trong các khe nứt, lỗ rỗng của vật rắn và các sản phẩm của vật rắn Tính đa dạng, phức tạp của vật liệu cũng như của môi trường chất rắn làm cho việc nghiên cứu các dòng thấm trở nên khó khăn hơn so với việc nghiên cứu các dòng chảy trên mặt Để nghiên cứu dòng thấm, người ta cần mô hình hóa các lỗ rỗng và khe nứt thành tập hợp các ống trụ tròn, khi đó dòng thấm được thay thế bằng dòng chảy trong ống Do quan hệ giữa dòng thấm và đường kính của các ống trụ tròn, cũng như do tính chất của vật liệu, do sức cản mà người ta chia làm hai loại là dòng chảy dòng và chảy rối Dòng chất lỏng đi qua phần trống xốp

đã được nghiên cứu nhiều nhưng theo phương pháp lý thuyết hoặc quan hệ thực nghiệm chung đều không tiên đoán chính xác sự thấm của lớp quặng đã cho

Trường hợp chảy dòng, ta có định luật Darcy

Q = k ∆ H ω / l Trong đó: Q - Lưu lượng chất lỏng

k - hệ số thấm ∆ H - Chênh lệch áp suất

Tốc độ thấm chịu ảnh hưởng của nhiệt độ thông qua độ nhớt của dung dịch nhưng trong hòa tách thấm chỉ có phương án tiến hành ở nhiệt độ môi trường nên yếu

tố này không cần quan tâm nhiều Tốc độ thấm phụ thuộc vào bản chất cấu trúc vật liệu, độ xốp của vật liệu, kích thước lỗ mao quản của vật liệu xốp

Khả năng thấm không hiệu quả của đống là một trong những nguyên nhân thông thường nhất gây ra thất bại cho các dự án hoà tách đống Khả năng thấm không hiệu quả có nghĩa là dòng dung dịch hoà tách chậm và kết quả nằm trong vùng thời gian hoà tách không kinh tế, hiệu suất thu hồi giảm do thấm ướt không hết toàn bộ

đống Ngược lại nếu đống quặng thấm quá dễ, thì thời gian tiếp xúc của dung dịch hoà tách và quặng sẽ không có hiệu quả và do vậy làm giảm hiệu suất thu hồi

Một trong những nhân tố chính gây ra khả năng dẫn dung dịch thấp là những lớp sét và hạt nhỏ mịn trong quặng Những hạt quặng nhỏ khoá các khoảng trống mao quản bên trong các hạt quặng, làm giảm khoảng trống và do vậy giảm khả năng thấm của quặng Trong một số trường hợp hòa tách đống các quặng có hàm lượng khoáng cacbonat cao có các phản ứng sinh khí thường là giữa axit và các khoáng canxit, nếu quá trình thoát khí không tốt thì các bọt khí này sẽ gây cản trở cho quá trình thấm dung dịch, dễ dẫn đến hiện tượng tắc, nghẽn

Những vấn đề về khả năng thấm của đống cũng tăng lên trong các đống quặng nơi mà quặng trở nên rắn chắc do quá trình thực hiện xây dựng đống không đảm bảo

và cẩu thả Sự bền vững chắc hạt quặng hay quá trình phân rã của quặng trong suốt quá trình hoạt động của đống cũng sẽ dẫn đến những vấn đề về khả năng thấm Hiện tượng kết tủa bên trong của những cấu tử như canxi, sắt, nếu hình thành trong quá trình hoạt

động của đống, cũng có thể làm giảm đáng kể khả năng thấm

Thực tế trong quá trình hoà tách quặng urani bằng axit sunfuaric, do sự trung hoà axit dẫn đến hiện tượng kết tủa của urani đã hoà tan Hiện tượng này tạo thành một vùng di chuyển được làm giàu thứ cấp sau quá trình hoà tách Urani đã kết tủa hoà tan lại khi có axit mới đi vào và lại kết tủa lại và tiếp tục như vậy [38]

Hình 1.6 Sự thay đổi nồng độ urani trong dung dịch axit trong quá trình di chuyển liên tục của vùng hoà tách qua lớp quặng

Trong đó: 1- vùng chứa khoáng urani

2- vùng làm giàu thứ cấp

3- vùng cân bằng nồng độ urani trong dung dịch

4- vùng hoà tách

5- vùng urani đã bị giảm đi

I.2.2.2 Dòng ưu tiên

Khái niệm chung "dòng ưu tiên" được sử dụng để mô tả sự không đồng đều của dòng do biên dạng dòng phát sinh và thay đổi Trong những trường hợp như vậy, dòng chảy thành kênh qua những khu vực có khả năng dẫn cao hơn, hay thành những dòng dung dịch ưu tiên Sự không đồng đều về cấu trúc xảy ra trong hoà tách đống thông thường là do sự thay đổi về bản chất tự nhiên của quặng đầu và còn do sự phân tách của quặng trong suốt quá trình khai thác, cất giữ, đập nghiền và các hoạt động sắp đặt Khi dòng dung dịch hoà tách chảy thành dòng ưu tiên qua đống, hiệu suất thu hồi kim loại sẽ giảm bởi sự tiếp xúc quặng và dung dịch hoà tách bị hạn chế trong những vùng

mà giảm dòng dung dịch đi vào [52]

I.2.2.3 áp dụng thực tế cho hòa tách đống [52]

I.2.2.3.1 Kỹ thuật kết khối

Kỹ thuật kết khối thường được áp dụng cho quá trình phải xử lý quặng có nhiều hạt mịn và sét có thể liên kết thành những hạt lớn hơn để hình thành các agglomerat Phương pháp agglomerat sẽ thay đổi tuỳ thuộc vào phân bố kích thước hạt của quặng Nói chung kỹ thuật agglomerat sẽ tăng mức độ phức tạp và chi phí phụ thuộc vào số

lượng các hạt nhỏ mịn trong quặng Trong trường hợp tỷ lệ các hạt mịn thấp, quặng

đơn giản được làm ẩm bằng nước hoặc dung dịch hoà tách và quá trình agglomerat xảy

ra ngay khi quặng được đảo trộn trong quá trình xây dựng đống Chất kết dính được cho vào trong quá trình bổ sung nước hoặc dung dịch hoà tách

Phương pháp này giữ các hạt mịn và sét trong các agglomerat, và do vậy loại bỏ khả năng thu hẹp và hạn chế dòng chảy của chúng Thêm vào đó khả năng đồng nhất của toàn bộ đống cũng được cải thiện đáng kể vì sự di chuyển của các hạt sét bị giảm

đi và khả năng di chuyển của chúng để hình thành các lớp có khả năng thấm thấp thì giảm đi đồng thời làm giảm đi khả năng hình thành dòng ưu tiên [52]

I.2.2.3.2 Kỹ thuật xây dựng đống

Các phương pháp xây dựng đống giữ một vai trò quyết định đảm bảo thoả mãn chế độ thuỷ động của đống và khả năng thành công toàn bộ dự án hoà tách đống Mọi

nỗ lực phải được thực hiện trong quá trình xây dựng đống để tạo ra những đống có khả năng thấm hiệu quả và đồng đều Những đống không được kết khối rắn chắc sẽ tự do hình thành những lớp vật liệu bị phân tách và sẽ tạo cơ hội hình thành dòng ưu tiên

Trong qúa trình xây dựng đống nếu vật liệu được đưa vào nhẹ nhàng sẽ giảm tối thiểu cả hai hiện tượng kết khối và phân tách lớp Sự kết chặt tại chân đế của đống do chiều cao quá cao của đống cũng là một vấn đề có thể phải tập trung nghiên cứu để đạt chiều cao tối thiểu

I.2.2.3.3 Kỹ thuật tưới dung dịch

Có hai cách phổ biến thường được sử dụng để tưới dung dịch lên đống là dùng ống tưới và dàn mưa Các giọt nước từ các ống tưới có thể đánh bật các hạt quặng nhỏ, mịn ra khỏi các agglomerat và rửa trôi chúng vào bên trong hay đẩy xuống một mức độ sâu hơn từ bề mặt đống Quá trình này cũng tạo ra những cản trở cho dòng dung dịch trong đống hoặc làm bít bề mặt của đống Khi tưới bằng dàn mưa dung dịch sẽ được phân phối đồng đều và sẽ giảm hiện tượng do quặng trong đống không được hoà tách

I.2.2.3.4 Tốc độ tưới dung dịch

Việc lựa chọn tốc độ tưới dung dịch nhằm duy trì độ ẩm, khả năng thấm trong

đống, điều này phụ thuộc khá nhiều vào bản chất của từng loại quặng Vùng có tính thấm nhỏ nhất (thường là lớp bề mặt) quyết định tốc độ thấm hiệu quả lớn nhất Tốc độ tưới dung dịch vượt quá giá trị này sẽ tạo điều kiện hình thành kênh dẫn hay dòng tuần

hoàn ngắn Việc tăng tốc độ tưới dung dịch không làm tăng tốc độ hoà tách do các dòng tuần hoàn ngắn làm giảm hiệu quả của quá trình hoà tách Trong thực tế tốc độ dòng dung dịch tưới tăng sẽ chỉ pha loãng dung dịch cái và làm cho quá trình xử lý dung dịch tiếp theo khó khăn hơn, cũng như là làm cho dòng chỉ đi qua khu vực tập trung các vật liệu có cấu trúc thô hơn Việc sử dụng tốc độ dòng thấm thấp trong toàn

bộ chu trình hoà tách sẽ tạo khả năng điều khiển hàm lượng kim loại cần hoà tan trong dung dịch cái tốt nhất với tính thấm dẫn thấp Nói chung tốc độ tưới dung dịch hoà tách chỉ cần đủ để rửa ra (hoà tách) các cấu tử quan tâm đã hoà tan

Để thu hồi một cách kinh tế kim loại từ các đống quặng đã hoà tách có thể kéo dài quá trình hoà tách bằng cách sử dụng chu trình hoà tách/nghỉ xen kẽ Thực tế sau khi kết thúc quá trình hoà tách, đống vẫn còn nhiều chỗ trống nhỏ lưu giữ dung dịch hoà tách bên trong Quá trình hoà tan do vậy vẫn tiếp tục xảy ra trong cả thời gian nghỉ, và nồng độ kim loại tiếp tục tăng lên trong phần dung dịch bị lưu giữ đó

I.2.2.3.5 Tác nhân thấm ướt

Tác nhân thấm ướt là những cấu tử hoá học tham gia vào để giảm sức căng bề mặt của chất lỏng Sự giảm sức căng bề mặt có thể dẫn tới kết quả là làm tăng dòng và khả năng thấm ướt lớn hơn của đống khi tác nhân thấm ướt được bổ sung vào dung dịch hoà tách trong quá trình vận hành hoà tách đống

I.2.2.3.6 Mức độ phân rã của vật liệu trong quá trình hoà tách đống

Kean [42] là một trong những tác giả đã đưa ra những ví dụ chứng minh sự thay

đổi của phân bố kích thước hạt sang một cấu trúc mịn hơn do quá trình hoà tách quặng gây ra Mức độ phân rã của quặng diễn ra trong suốt quá trình hoà tách đống và sẽ ảnh hưởng lên chế độ dòng và khả năng lưu giữ dung dịch trong đống Vật liệu bị phân rã

và trở nên có cấu trúc mịn hơn sẽ tạo khả năng lớn hơn để lưu giữ dung dịch Do vậy một tốc độ tưới dung dịch tối ưu là không thể cho toàn bộ chu trình hoà tách đống bởi vì đặc tính của vật liệu ảnh hưởng lên chế độ dòng và khả năng lưu giữ dung dịch thay

đổi trong suốt chu trình do hiện tượng phân rã

I.3 Mô hình hóa quá trình hoà tách đống và chuyển quy mô I.3.1 Kết quả nghiên cứu trên thế giới [13-28, 30-34, 36, 42-50, 52-73, 75-80]

Mục đích của việc mô hình quá trình hòa tách đống là để cải tiến việc thiết kế

đống và tối ưu vận hành của quá trình hòa tách đống cũng như tạo ra một công cụ có thể dự đoán hành vi của đống đang và sẽ hoạt động

Những câu hỏi thường được đặt ra trong quá trình thiết kế và chuẩn bị vận hành hòa tách đống là:

1) Cần phải nghiền quặng đến mức độ nào để có thể tăng hiệu suất thu hồi và tốc độ hòa tách?

2) Nồng độ axit sẽ thay đổi theo thời gian như thế nào để có thể hòa tách quặng một cách kinh tế?

3) Liệu quy mô về chiều cao và diện tích của đống sẽ ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất thu hồi và hàm lượng của kim loại cần tách trong dung dịch hòa tách?

4) ở những điều kiện công nghệ đã thiết lập, hiệu suất thu hồi và hàm lượng kim loại cần tách trong dung dịch sẽ biến đổi như thế nào ?

5) Cuối cùng là hiệu suất hòa tách bao nhiêu là có hiệu quả?

Để trả lời những câu hỏi trên cần phải thực hiện những thực nghiệm trong phòng thí nghiệm và phát triển những mô hình quá trình hoà tách đống mà có thể sử dụng để chuyển quy mô từ các số liệu phòng thí nghiệm đạt những kết quả mong đợi

Mô hình cho dự đoán quá trình hoà tách đống kiểu này đầu tiên được đưa ra bởi Taylor và Wellan [78] như sau:

Hiệu suất thu hồi R =1- e –k(t+c)

Trong đó t là thời gian hoà tách còn c và k là các hằng số

Mô hình trên chỉ có thể dự đoán hiệu suất thu hồi khi hoà tách quặng chứ không

dự đoán ảnh hưởng của các yếu tố như hình dạng của đống, nồng độ axit, tốc độ tưới hay kích thước hạt lên hiệu suất thu hồi, do vậy không thể sử dụng để mở rộng quy mô

Trong những năm sau đó, nhiều công trình nghiên cứu về tính toán quá trình hòa tách đống được công bố, giai đoạn đầu các công bố đều tập trung vào giải quyết quá trình hòa tách ở cấp độ hạt [13, 14, 19, 22, 23, 25, 26, 27, 68, 74] Trong một số nghiên cứu gần đây tập trung nhấn mạnh vào ảnh hưởng của các hiện tượng ở quy mô

đống như là dòng dung dịch, dòng khí và phân bố nhiệt độ trong toàn bộ quá trình hoạt

động của đống [28, 29, 43, 44, 52, 60, 62, 75]

Nhìn chung mọi nghiên cứu về tính toán và mô hình hóa quá trình hòa tách thấm đều rơi vào một trong hai nhóm sau:

1 Các mô hình tập trung vào hiện tượng ở mức độ hạt với mức độ biến đổi tinh

vi, trong khi quá trình ở quy mô đống coi như dòng đẩy một thứ nguyên và hầu hết là

đẳng nhiệt Những mô hình hòa tách tiếp cận ở quy mô hạt được mô tả ở trên cũng có thể được biến đổi để áp dụng cho các đống hòa tách lớn ở quy mô thương mại Tuy nhiên mô hình trên cũng có những giới hạn như nồng độ tác nhân hòa tách luôn được coi là hằng số Cách làm gần đúng này chỉ có thể coi là hợp lý khi áp dụng cho hòa tách những lớp quặng mỏng, chứ không dùng được cho những đống có chiều cao đáng

kể hay những đối tượng quặng có nhiều thành phần khoáng tiêu thụ axit

2 Các mô hình tập trung vào hiện tượng ở quy mô đống, việc xây dựng các mô hình này hầu như chỉ hình thành từ các số liệu của nghiên cứu cột với các quy mô khác nhau và chỉ tập trung vào các quá trình ở quy mô đống, đặc biệt dòng pha khí và pha lỏng trong đống không đẳng nhiệt, trong khi chỉ sử dụng những phản ứng đơn giản ở cấp độ hạt Tất cả các mô hình kiểu này mới chỉ được sử dụng để nghiên cứu định tính, chứ chưa được xác nhận với số liệu của đống ở quy mô lớn

Trong mỗi cách tiếp cận trên đều phải giả định những mô hình nhất định để phù hợp với hiện tượng khống chế tốc độ chung của quá trình Với những mô hình cấp độ hạt đó hoặc là quá trình khuếch tán trong hạt hoặc là động học phản ứng, với mô hình ở quy mô đống phần lớn là khả năng cung cấp tác nhân hoà tách, tác nhân ôxi hoá ở các

vị trí khác nhau theo chiều cao của đống

Sau đây ta xem xét một mô hình cụ thể của Dixon và Hendrix [26, 27] đã đưa ra những giả thiết để đơn giản hóa đến tối đa, và xây dựng được một mô hình toán học cho quá trình hòa tách thấm đơn giản với giả thiết về dòng chảy liên tục của dung dịch qua cột quặng Một số giả thiết chính để xây dựng nên mô hình loại này là: Mô hình coi thiết bị hòa tách là một thiết bị loại dòng đẩy lý tưởng; quặng (hay chất rắn được hòa tách) chứa bên trong có dạng hình cầu với kích thước đồng nhất; phản ứng hòa tách là không thuận nghịch, bậc 1 theo nồng độ chất phản ứng đóng vai trò khống chế tốc độ chung và có bậc thay đổi theo nồng độ chất hòa tan trong pha rắn Các giả thiết

trên đã dẫn đến việc xây dựng nên một mô hình ở dạng phương trình đạo hàm riêng bậc hai dựa trên dạng thức của phương trình khuếch tán trong hạt cầu với bán kính r, có kèm theo phản ứng hóa học:

t

C C

C k r

C r r

∂

0 0

0 2

2

) 1 (

trong đó: Ci là nồng độ chất được hòa tan, Die là hệ số khuếch tán hiệu dụng của chất hòa tan trong các lỗ nhỏ của pha rắn, Cpi là nồng độ chất được hòa tan trong pha rắn tại khoảng cách có bán kính là r, kpi là hằng số tốc độ phản ứng tính theo một

đơn vị khối lượng chất rắn, CA là nồng độ chất phản ứng (thí dụ như axit) trong pha rắn tại khoảng cách có bán kính là r, và φpi là bậc phản ứng của chất được hòa tan i trong pha rắn Phương trình này có các điều kiện đầu và điều kiện biên là:

C i(r,0) = 0

C i(r,t) = C ib

0 ) , 0

∂

∂

t r

C i

trong đó: Cib là nồng độ chất được hòa tan i trong dung dịch Tốc độ phản ứng hóa học hòa tan chất i từ pha rắn được biểu thị qua phương trình:

A pi pi pi

C C k dt

đồng đều hình cầu của pha rắn và dạng phương trình động học bậc 1 theo nồng độ chất phản ứng là những yếu tố hạn chế nhiều khả năng ứng dụng của loại mô hình lý thuyết này Các tác giả của công trình nghiên cứu này cũng chỉ có thể kiểm định lại kết quả tính toán của mình và xác nhận nó phù hợp với các số liệu thực nghiệm trên cột thí nghiệm với các mẫu giả (“quặng nhân tạo” được chế tạo từ việc ép các viên chất mang với ô-xýt kim loại cần hòa tách)

Qua tham khảo tài liệu ta thấy quá trình hoà tách thấm yêu cầu hàng loạt mô hình gồm cả mô hình toán và mô hình vật lý Mô hình toán bao gồm những tính toán xác định chế độ thuỷ động của quá trình và động học của các phản ứng hoá học, độ

hoà tan, và các quá trình khuếch tán và đối lưu của các cấu tử hoà tan Mô hình toán của quá trình xuất phát từ một loạt các phương trình khác nhau mô tả dòng gây ra bởi

sự chênh lệch áp suất ở đầu dòng (Định luật Darcy được áp dụng đối với các đống mà dung dịch hòa tách tưới liên tục), động học của quá trình khuếch tán và hoá học

Để đưa ra giải pháp chung giải các phương trình này là không thể vì không có phương pháp toán nào có thể tính toán được tất cả các điều kiện đầu và điều kiện biên Ngoài ra rất khó khăn trong việc xác định các hệ số, các hàm cho các điều kiện đặc biệt như quá trình hoà tách đống Để giải quyết các vấn đề này yêu cầu đơn giản hoá sự phụ thuộc gĩưa các hàm Các hệ số phải được tính toán và xác định từ thực nghiệm, sử dụng các số liệu thực của đầu vào và ra và sự thay đổi nồng độ kim loại hòa tan, tác nhân hoà tách và các thành phần chính trong dung dịch hoà tách theo thời gian

Trong các công trình nghiên cứu về mô hình hoá quá trình hoà tách đống như ở trên đều nhằm vào các đối tượng quặng cụ thể như quặng đồng, quặng vàng hay xỉ quặng chứa sắt và crôm [20, 21, 22, 26, 57, 59, 61, 62, 69] Hầu như trong các mô hình trên đều giả thiết về dòng chảy liên tục của pha lỏng qua cột và kích thước đồng đều hình cầu của pha rắn, đặc tính của quặng luôn được coi là không đổi theo thời gian và

đồng đều về vị trí Nhiều mô hình cũng chỉ đưa ra kết luận dự đoán được những đặc

điểm chung của quá trình hòa tách thấm Chưa có công trình nào đề cập đến việc mô hình hóa quá trình hòa tách thấm mà dung dịch hòa tách cung cấp gián đoạn Rõ ràng

là việc nghiên cứu để xây dựng mô hình cho quá trình hòa tách quặng thực ở các điều kiện gần với thực tế sẽ phức tạp hơn rất nhiều và hầu như là không thể làm được nếu áp dụng cách đặt vấn đề theo kiểu tương tự như trên

Một trong những khó khăn nữa trong nghiên cứu quá trình hòa tách thấm, đặc biệt là nghiên cứu mô hình hóa đó là do sự khác nhau của các loại quặng, điểm khác nhau về địa lý của những địa điểm thực hiện quá trình hòa tách đống (sự thay đổi của nhiệt độ, lượng mưa) và do sự khác nhau của quá trình xây dựng đống, không thể có hai đống hòa tách hoạt động giống như nhau (Readett, 1999) [67] Mặt khác cũng có nhiều phức tạp trong việc chuyển quy mô từ cột trong phòng thí nghiệm sang quy mô

đống lớn Thông thường phải có một số thực nghiệm cột, một số thực nghiệm pilot quy mô nhỏ trước khi thiết kế và xây dựng đống ở quy mô lớn Thậm chí ngay cả khi có một chương trình thí nghiệm cột toàn diện, cũng không thể đảm bảo dự đoán chính xác

hoạt động của đống ở quy mô lớn Rõ ràng việc chọn những thông số đủ tin cậy và thiết thực là rất cần thiết để chuyển quy mô số liệu từ thí nghiệm cột sang đống (Viotti, 1997) [80] Để có thể đạt được mục tiêu xây dựng nên một mô hình có khả năng áp dụng thuận tiện trong thực tế, việc chọn hướng đi đúng là rất quan trọng, nếu không sẽ

bị sa lầy, bế tắc và không thể đi đến được kết quả cuối cùng

Giống như các hòa tách quặng khác, quá trình thấm tách urani từ quặng là quá trình dị thể phức tạp nên cần nghiên cứu kỹ các quy luật động học của phản ứng hòa tách rắn - lỏng dị thể Quá trình thấm phụ thuộc bản chất của vật liệu quặng, kích thước hạt quặng cũng như lưu lượng chảy qua của pha lỏng Về cơ bản, bên cạnh nồng

độ chất phản ứng (ở đây là nồng độ axit) hiệu suất hòa tách urani còn phụ thuộc nhiều vào các đặc trưng vật lý- hóa học của quặng, kích thước quặng được xử lý, tốc độ thấm

và thời gian thấm cần thiết Các công trình nghiên cứu được công bố trên thế giới trong lĩnh vực này không nhiều lắm, trong đó chủ yếu là nói về lý thuyết và nguyên lý chung, còn những tài liệu về các kết quả nghiên cứu cho những đối tượng quặng cụ thể (ở đây

là quặng urani) là rất ít Trong thực tế, đây là việc rất khó khăn do quy trình xử lý quặng theo phương pháp hòa tách tĩnh là một quy trình phức tạp gồm nhiều thao tác lặp

đi lặp lại xen kẽ nhau chứ không phải là một quá trình ổn định và chưa có công trình nghiên cứu nào trên thế giới đề cập được đến mô hình hóa quá trình này, đặc biệt là khi tiến hành hòa tách theo phương pháp “mao dẫn ngược” Như đã nói ở trên để có thể xây dựng nên các hệ thống xử lý mới đối với hòa tách thấm quặng urani, tài liệu hướng dẫn của IAEA cũng chỉ đề nghị tiến hành làm thực nghiệm dần từng bước, bắt đầu từ quy mô nhỏ chuyển dần lên quy mô lớn hơn

I.3.2 Kết quả nghiên cứu trong nước [1-12]

Tất cả các kỹ thuật hòa tách như đã nói ở trên (trang 18, 19) đang được áp dụng phổ biến trên thế giới đều đã được thử nghiệm tại Trung tâm Công nghệ xử lý quặng thuộc Viện Công nghệ xạ hiếm và công bố trong các báo cáo khoa học khác nhau Một

số nghiên cứu về xây dựng mô hình thống kê mô tả quá trình hòa tách thấm nhiều bậc ngược chiều đối với quặng phong hóa đã được thực hiện [1- 12] Tuy nhiên việc xây dựng mô hình thống kê trên cơ sở lập ma trận quy hoạch thực nghiệm đối với quá trình hòa tách thấm gặp nhiều khó khăn do khó điều khiển các điều kiện công nghệ, các quá

trình xảy ra trong tiến trình hòa tách thấm liên quan rất nhiều đến đặc tính thiên nhiên của quặng

Từ các kết quả thu được qua nhiều năm nghiên cứu ở nhiều quy mô khác nhau khẳng định một nhận định là: Hòa tách đống là phương pháp có nhiều triển vọng để áp dụng xử lý quặng cát kết Nông Sơn thu hồi urani kỹ thuật một cách kinh tế và có thể

định ra hai hướng công nghệ xử lý quặng chính có nhiều triển vọng áp dụng ra quy mô lớn trong điều kiện thực tế ở Việt Nam là:

1/ Hòa tách theo phương pháp xử lý với axit mạnh trước (phương pháp trộn ủ), sau đó rửa nước để thu hồi urani hòa tan Do có đặc điểm riêng về sử dụng axit nồng

độ cao nên phương pháp này còn được gọi là phương pháp xử lý axit mạnh;

2/ Hòa tách bằng phương pháp dội axit từng đợt theo nguyên lý “mao dẫn ngược” Đây có thể coi là phương pháp tiêu biểu cho hòa tách đống vì đa số các nhà máy urani có dùng hòa tách đống trên thế giới là sử dụng biện pháp công nghệ này [38,39,40,41,51]

Mỗi phương pháp xử lý quặng ở trên đều có những mặt mạnh và mặt yếu riêng

do vậy, cần được xem xét một cách thích đáng trước khi quyết định lựa chọn phương pháp nào để triển khai ra sản xuất lớn Các điểm mạnh, yếu của từng phương pháp có thể tóm tắt ngắn gọn như sau:

Xử lý axit mạnh có ưu điểm chính là luôn luôn có khả năng giúp đạt hiệu suất thu hồi urani cao (thường khoảng 90% trở lên đối với quặng nghèo cỡ 0,07% urani và 95% đối với quặng giàu cỡ trên 0,15% urani); có khả năng xử lý tốt cả loại quặng phong hóa và chưa phong hóa Điểm yếu của phương pháp là cần có thiết bị trộn axit cho quặng khô ở quy mô lớn cùng hệ thống rửa để thu hồi uran hòa tan ra khỏi quặng Quặng cũng cần được nghiền nhỏ hơn so với khi xử lý bằng phương pháp hòa tách

đống

Hòa tách đống có điểm yếu cơ bản là hiệu suất thu hồi thường chỉ đạt cỡ 80%, thấp hơn phương pháp xử lý axit mạnh khoảng 10% Bù lại, ưu điểm cơ bản là không yêu cầu các hệ thống thiết bị phức tạp Có thể làm được hầu như ở mọi nơi, tại các khu

mỏ xa với các điều kiện hạn chế về điện nước Yêu cầu về đầu tư ban đầu cũng là rất thấp vì đầu tư cho thiết bị hòa tách là không đáng kể

Tuy nhiên, như đã nói ở trên, không có một nghiên cứu nào đề cập đến phương pháp tính toán cho một hệ thống hòa tách đống mà đều chỉ dừng lại ở việc mô tả các thí nghiệm và đưa ra các kết quả Do vậy, thực tế là vẫn còn một mảng trống hoàn toàn

về phương pháp tính toán và thiết kế cho một hệ thống xử lý quặng bằng phương pháp hòa tách thấm

I.3.3 Tính toán chuyển quy mô trong hòa tách đống quặng urani

Theo những “quy tắc thông thường”, để xác định được các thông số công nghệ

cho các thiết bị ở quy mô sản xuất thực cần nghiên cứu quá trình công nghệ và thiết bị thấm tách urani ở các quy mô nhỏ hơn và nâng dần quy mô thực nghiệm lên Từ những kết quả về tốc độ thấm, thời gian thấm đối với hạt quặng kích thước nhỏ khi nghiên cứu ở phòng thí nghiệm cần tìm cách tính được thời gian thấm và tốc độ thấm, hiệu suất quá trình hòa tách đối với cục quặng kích thước lớn và quá trình thấm trong thiết

loại quặng cho trước, hãy xác định hiệu suất thu hồi urani có thể đạt được khi xử

lý trên thiết bị lớn này và cần bao nhiêu thời gian để kết thúc một mẻ, từ đó tính

ra năng suất trung bình của thiết bị này (tấn quặng/ngày đêm)

2 Bài toán thiết kế: với một loại quặng cho trước, dựa trên số liệu thí nghiệm nhỏ trong phòng thí nghiệm, hãy thiết kế kích thước cho một thiết bị hòa tách đống

để đạt được năng suất xử lý (tấn quặng/ngày đêm) theo yêu cầu cho trước với mức thu hồi urani cho trước

Các đống quặng được xử lý ở quy mô công nghiệp thường có kích thước khá lớn, thường có tiết diện ngang từ vài chục tới vài trăm m2 thậm chí hàng ngàn m2 và chiều cao từ 3 – 10 mét tùy theo từng loại quặng cụ thể [38,39,40] Để hòa tách đống cho các đống quặng này thường cần thời gian khá dài, trung bình từ 2 cho tới 4 tháng mới có thể thu hồi được triệt để urani trong 1 đống Như đã nói ở trên, việc xác định hiệu quả xử lý và tính toán thời gian cần thiết để xử lý hết 1 đống thường hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm cụ thể của những người làm việc trực tiếp Nếu được giao cho

tính toán và thiết kế đống hòa tách cho những loại quặng mới thì họ cũng sẽ gặp nhiều khó khăn khi phải ngoại suy từ những kết quả thực nghiệm đã có với loại quặng cũ và phải chấp nhận những sai số lớn hơn trong các tính toán thiết kế của mình nếu chỉ thuần tuý dựa vào kinh nghiệm Như trên đã nói thực tế không thể có hai đống hòa tách hoạt động giống như nhau (Readett, 1999) [67]

Thực tế cho thấy hai thông số công nghệ quan trọng nhất cần thu được khi xử lý một đống quặng lớn là: sẽ đạt được hiệu suất thu hồi urani là bao nhiêu, và sau bao nhiêu thời gian

Khó khăn lớn nhất trong thực tế tính toán chuyển quy mô là phải xác định được những đại lượng được dùng để đo các thông số công nghệ trong thiết bị nhưng lại không phụ thuộc vào quy mô, độ lớn của thiết bị Việc sử dụng đơn vị đo thời gian là giờ phản ứng để phản ánh các số liệu thí nghiệm vẫn khó có thể sử dụng cho các tính toán mô hình hóa để có thể lập ra những mô hình có khả năng tính toán cho các thiết bị

có kích cỡ lớn hơn rất nhiều so với các thiết bị thí nghiệm vì khi đó tính đồng dạng về thời gian giữa hai loại thiết bị sẽ không còn nữa

Do vậy ta phải tiến hành các thí nghiệm hòa tách thấm, tổng hợp và phân tích kết quả, trên cơ sở đó tìm ra những quy luật có tính đặc trưng và những yếu tố có tính bất biến dùng làm tham số đặc trưng phục vụ cho tính toán chuyển quy mô, đặc biệt là

đối với những đối tượng thuộc loại không thể áp dụng những mô hình tiêu chuẩn theo mẫu như là hòa tách đống

I.4 Kết luận rút ra từ tổng quan tài liệu và nội dung nghiên cứu đề xuất

1 Quá trình hòa tách quặng urani theo phương pháp thấm bằng axit là một quá

trình rất phức tạp gồm nhiều quá trình riêng lẻ (phản ứng hòa tan, kết tủa, cân bằng và thuận nghịch, quá trình vận chuyển và chuyển khối của các chất phản ứng và sản phẩm giữa các pha khác nhau của đống) Các quá trình này diễn ra đồng thời, cả song song

và nối tiếp nhau ở các quy mô khác nhau (quy mô hạt khoáng, hạt quặng/các agglomerat hay ở quy mô đống) Các thông số của quá trình sẽ luôn thay đổi theo cả không gian, thời gian và phụ thuộc cả vào kích thước của thiết bị xử lý Việc áp dụng những phương pháp mô tả toán học thông thường và những phương pháp mô hình hóa

thưưòng dùng cho các quá trình cơ bản của công nghệ hóa học khó có thể áp dụng trực tiếp để tính toán cho trường hợp này

2 Trong hòa tách thấm quặng urani, các quá trình trên đều liên quan rất nhiều

đến đặc tính thiên nhiên của quặng (thành phần khoáng, phân bố của khoáng trong hạt quặng độ xốp, mức độ phong hóa, phân bố kích thước hạt, sự đa hình của hạt quặng, độ sần sùi của hạt) Những nghiên cứu về hòa tách quặng urani từ trước cho thấy các điều kiện công nghệ thực tế chỉ có thể thay đổi trong một khoảng hẹp (tốc độ thấm, tốc độ thoát khí, lưu lượng tưới, ) hoặc lại có giá trị quá rộng (phân bố kích thước hạt) Trong khi các đặc tính này cần phải được coi như thông số vào của mô hình hoà tách là một khó khăn không chỉ là vấn đề thời gian mà còn là các giá trị đại diện cho hàng triệu tấn quặng khi tiến hành hòa tách đống ở quy mô thương mại

3 Quá trình hòa tách đống đã được nhiều tác giả nghiên cứu, ở nhiều nước việc

áp dụng quá trình hòa tách đống ở quy mô thương mại để xử lý các loại quặng nghèo chứa đồng, vàng hay urani, đã trở thành phổ biến Tuy nhiên hiện nay vấn đề này vẫn tiếp tục được nghiên cứu và hoàn thiện vì đây là phương pháp chiếm ưu thế khi xử lý các loại quặng nghèo Các tài liệu công bố mà nhóm tác giả có được phần lớn chỉ mô tả các hệ thống đã có và đang hoạt động trong công nghiệp, không có tài liệu nào nói về tính toán thiết kế các hệ thống hòa tách đống lớn, các công bố nghiên cứu về mô hình hóa quá trình đều mang tính chất học thuật Nhiều mô hình cũng chỉ đưa ra kết luận dự

đoán được những đặc điểm chung của quá trình hòa tách thấm Chưa có công trình nào

đề cập đến việc mô hình hóa quá trình hòa tách thấm mà dung dịch hòa tách cung cấp gián đoạn Do vậy, thực tế là vẫn còn một mảng trống hoàn toàn về phương pháp tính toán và thiết kế cho một hệ thống xử lý quặng bằng phương pháp hòa tách thấm

4 Các nghiên cứu xây dựng mô hình hòa tách thấm, hay các nghiên cứu về dòng dung dịch di chuyển trong đống đều thực hiện ở các điều kiện khác nhau, với các đối

ượng rất khác nhau tùy theo mục đích cụ thể của từng tác giả do đó khó so sánh với nhau và khó sử dụng các số liệu công bố này để áp dụng cho đối tượng quặng urani Việt Nam

5 Các nghiên cứu được công bố trên thế giới trong lĩnh vực này cho đến nay

vẫn chưa đưa ra được một giải pháp khoa học có tính toàn vẹn để giải quyết vấn đề tính toán thiết kế cho một hệ thống hòa tách quặng urani bằng phương pháp tĩnh một cách

đầy đủ có khả năng ứng dụng trong thực tế Phương pháp duy nhất được khuyến cáo cho các nhà công nghệ ở đây vẫn là thử nghiệm từng bước, bắt đầu từ quy mô nhỏ sau

đó chuyển dần lên quy mô lớn hơn

6 Công nghệ hạt nhân nói chung hay công nghệ xử lý quặng urani nói riêng là

lĩnh vực bí mật quốc gia, việc nhận chuyển giao kỹ thuật này từ các nước là không đơn giản Để làm chủ và tự tin trong lĩnh vực nhiên liệu hạt nhân, chúng ta cần phải tự xây dựng lấy công nghệ hạt nhân trong đó có công nghệ xử lý quặng urani, chế tạo ra urani

kỹ thuật của riêng mình, đáp ứng yêu cầu của "Chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình đến năm 2020"

Trên cơ sở những nhận định trên, trong luận án tiến sĩ của mình tôi chọn đề tài

"Mô hình hóa quá trình hòa tách thấm quặng urani và ứng dụng để tính toán chuyển quy mô" với mục tiêu cao nhất là tìm ra một phương pháp tính toán mới có

khả năng áp dụng thuận tiện trong thực tế để tính toán cho các hệ thống hòa tách đống

cỡ lớn dựa trên một số tối thiểu các thí nghiệm nhỏ trong phòng thí nghiệm

Những nội dung chính cần thực hiện là:

(1) Nghiên cứu và thực nghiệm quá trình hòa tách thấm theo phương pháp mao dẫn ngược, từ đó xây dựng phương pháp hòa tách thấm có áp dụng nguyên lý mao dẫn ngược

(2) Dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, xây dựng mô hình của quá trình hòa tách thấm có khả năng ứng dụng tính toán chuyển quy mô

(3) Kiểm chứng và đánh giá khả năng ứng dụng của mô hình áp dụng thử tính toán tối ưu quá trình hoà tách từ mô hình

(4) Tiến hành thử nghiệm hòa tách urani theo phương pháp thấm có áp dụng mao dẫn ngược so sánh với kết quả tính toán từ mô hình để khẳng định phương pháp tính toán chuyển quy mô trên

Chương II

Đối tượng, Thiết bị dụng cụ, phương pháp phân tích và

thực ngHiệm II.1 Đối tượng nghiên cứu

Quặng urani dùng trong các nghiên cứu ở đây là loại quặng cát kết lấy từ vùng bồn trũng Nông Sơn, chủ yếu thuộc loại chưa phong hóa và một phần là bán phong hóa Năm 2003, mẫu quặng này được Liên đoàn địa chất xạ hiếm lấy từ khu vực Pà lừa với khối lượng là 5 tấn quặng cung cấp cho đề tài cấp Bộ mã số BO/03/03-03 Toàn

bộ lượng quặng này được gia công và lấy mẫu theo quy trình hướng dẫn của IAEA [37]

Quặng lấy về được gia công sơ bộ đến kích thước thích hợp cho quá trình xử lý bằng phương pháp hòa tách tĩnh Loại quặng được dùng trong các thí nghiệm nghiên cứu chủ yếu là loại chưa phong hóa Sau khi gia công, quặng có phân bố kích thước như trên bảng sau

Bảng 2.1 Phân bố cấp hạt của quặng

Sơ đồ nguyên tắc lấy mẫu nghiên cứu Quặng đầu 5000 kg