СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УРАНА ИЗ РУД Российский патент 2001 года по МПК C22B60/02 C22B3/06 

Изобретение относится к гидрометаллургическим способом переработки руд и может быть использовано, в частности в гидрометаллургии урана для выщелачивания его из руд методами кучного (КВ) и подземного (ПВ) выщелачивания.

Известен способ выщелачивания урана из руд методом КВ и ПВ с применением серной кислоты, сущность которого сводится к просачиванию разбавленных ее растворов через слой рудной массы, уложенной в кучи, либо непосредственно через рудоносный пласт; азотная кислота при этом вводится в раствор для пассивации оборудования. Недостатком такого способа выщелачивания, выбранного нами в качестве прототипа, является малая интенсивность процесса, большая его продолжительность /Л.И. Лунев. Шахтные системы разработки месторождений урана подземным выщелачиванием. М., 1982 г., стр. 8,13,17/.

Известно также что соли трехвалентного железа способствуют интенсификации процессов выщелачивания вследствие окисления U (IV) в более растворимый U (VI) /Там же/. В качестве такого ускорителя процесса могут быть использованы ионы железа (II), содержащиеся в циркулирующих выщелачивающих растворах при условии их окисления до трехвалентного состояния какими-либо окислителями. Однако на практике такого процесса не существует в виду отсутствия эффективного окислителя. Из ряда опробованных нами окислителей наиболее активным оказалась азотистая кислота, отличительной особенностью которой является способность ее энергично реагировать с Fe (II) в слабокислых растворах при обычной температуре, что в условиях КВ и ПВ является определяющим фактором. При этом продукт ее восстановления - оксид азота, реагируя с кислородом воздуха, может вовлекать последний в процесс окисления по каталитической схеме. Однако соединения содержащие азотистую кислоту, выпускаются в ограниченном масштабе (нитриты), либо как товарный продукт вообще не выпускаются (нитрозилсерная кислота). Кроме того, соединения азотистой кислоты имеют достаточно высокую цену.

В свете сказанного актуальным является вопрос разработки способа окисления Fe (II) в циркулирующих растворах с использованием азотной кислоты в качестве исходного реагента для генерирования из нее азотистой кислоты.

Техническим результатом является интенсификация процесса. Он достигается способом извлечения урана из руд методом кучного или подземного выщелачивания, включающий приготовление выщелачивающих растворов, содержащих серную кислоту и нитрат-ионы, фильтрацию их через руду с переводом шестивалентного урана, двухвалентного железа и других металлов в продукционные растворы, извлечение из них урана с получением маточных растворов и рециркуляцию этих растворов на выщелачивание руды, согласно изобретению, при приготовлении выщелачивающих растворов серную и азотную кислоты вводят в часть маточных растворов, равную 0,05-0,15 от их исходного объема, взятую из условия создания в них концентрации серной кислоты, равной 100-250 г/л и окислительно-восстановительного потенциала 750-850 мВ, затем полученный раствор и образовавшиеся оксиды азота контактируют с другой частью маточных растворов, равной 0,25-0,35 от их исходного объема и взятой из условия обеспечения окисления Fe (II) в Fe (III) с достижением окислительно-восстановительного потенциала 600-700 мВ при диспергировании в раствор кислорода или воздуха, затем смешивают с оставшимся объемом с обеспечением оксилительно-восстановительного потенциала раствора, равного 420-500 мВ, причем перед введением серной и азотной кислоты в маточные растворы производят абсорбцию оксидов азота, образующихся при приготовлении выщелачивающих растворов, путем их контактирования с исходными маточными растворами.

Образующиеся в ходе взаимодействия продуктов разложения азотной кислоты с ионами Fe (II) нитрозные газы вначале контактируют с исходным циркулирующим раствором КВ или ПВ с целью их поглощения этими растворами с образованием комплекса Fe(NO)SO₄ и последующего вовлечения их в окислительный процесс при поступлении в реакционный аппарат окисления.

Таким образом интенсификация процесса выщелачивания урана из руд методами КВ либо ПВ достигается путем использования циркулирующих растворов, в которых ионы Fe (II) окисляются до Fe (III), а последние уже выполняют роль непосредственного окислителя урана (IV) в уран (VI). Окисление Fe (II) в Fe (III) осуществляется в основном кислородом воздуха, барботируемого через циркулирующий раствор, при каталитическом участии азотистой кислоты и окислов азота, получаемых в результате разложения азотной кислоты, являющейся исходным азотсодержащим реагентом.

Пример 1. Окисление Fe (II) азотистой кислотой в сочетании с кислородом воздуха.

Эксперименты проводились в колонке, в нижнюю часть которой был впаян фильтр Шотта, обеспечивающий диспергирование вводимого в раствор воздуха. Содержание серной кислоты в растворах равнялось 10 г/л, концентрация Fe(II) варьировалась от 1,0 до 9,0 г/л, температура комнатная. Расход воздуха составлял 140 л/час, высота столба жидкости 150 см. Результаты опытов даны в табл. 1.

Как видно из приведенных в табл. 1 данных, благодаря высокой окислительной активности азотистой кислоты и диспергированию воздуха процесс окисления железа (II) в широком диапазоне ее концентраций протекает при комнатной температуре уже при расходе азотистой кислоты, равной 8% от стехиометрически необходимого, что обеспечивается участием O₂ воздуха; при меньшем соотношении азотистой кислоты к железу (II) скорость этого процесса резко снижается.

Пример 2. Поглощение оксидов азота. Исследование поглощения сернокислым железом проводилось в U-образном цилиндрическом сосуде. Аппарат позволяет варьировать высоту поглощающего слоя раствора. В нижнюю часть аппарата подавали оксид азота, получаемый путем взаимодействия 40%-ного раствора NaNO₂ с 20%-ным раствором FeSO₄ в соляной кислоте, и воздух. Процесс абсорбции изучали при комнатной температуре на растворах, содержащих 5 г/л Fe (II), концентрация оксида азота в газовоздушной смеси, подаваемой в аппарат, составляла 0,3 и 0,5 об.%. Опыты проводились в режиме кратковременного контактирования газа с жидкостью (75 сек).

На фиг. 1 приведена зависимость степени поглощения от степени погружения циркулятора при /Fe⁺²/ = 5,0 г/л и расхода газовой смеси: 1-2,8; 2-3,2; 3-4,0 л/мин при /NO/ 0,3 об.%; 4-2,8; 5-3,2 л/мин при /NO/ 0,5 об.%.

На фиг. 2 дана зависимость степени поглощения оксидов азота от расхода газовой смеси при /Fe⁺²/ = 5,0 г/л и степени погружения циркулятора: 1-40; 2-50; 3-60% (концентрация оксилов азота 0,3 об.%); 4-30; 5-40% (концентрация окислов азота 0,5 об.%).

Как ясно из этих опытов, с ростом степени погружения циркулятора, расхода газа и дисперсности пузырьков газа степень поглощения оксида азота возрастает. Следовательно, на практике для более полного поглощения оксида азота из отходящих газов следует применять аппараты колонного типа, снабженные диспергирующими устройствами для газа, с вводом газов под слой жидкости.

Пример 3. Разложение комплекса Fe(NO)SO₄
Комплекс Fe(NO)SO₄ в кислых средах устойчив лишь при температуре ниже 25^oC. С ростом температуры его стабильности резко снижается, что позволяет рассчитывать на возможность регенерации оксидов азота. С целью оценки эффективности процесса регенерации их из растворов, была проведена специальная серия опытов, результаты которой приведены в табл. 2. Разрушение комплекса Fe(NO)SO₄ осуществлялось путем нагревания раствора до 50^oC как без перемешивания, так и с барботированием через него воздуха.

Из приведенных в табл. 2 данных видно, что процесс разложения комплекса Fe(NO)SO₄ при температуре 50^oC и барботировании воздуха протекает с высокой скоростью и через 10-20 минут комплекс полностью разрушается. Это означает, что в условиях предлагаемого технологического процесса уловленные на узле газоочистки оксиды азота впоследствии в реакторе окисления будут вовлекаться в процесс каталитического окисления железа (II).

Пример 4. Разложение азотной кислоты и окисление Fe (II).

В химический стакан вводят 100 мл раствора, содержащего 1,0 г/л Fe (II); при перемешивании туда же подают рассчитанное количество концентрированной серной (уд. в. 1,83) и азотной (уд.в. 1,37) кислот. После перемешивания в течение 3-5 минут производят замер температуры и о-в.п. раствора. Затем в этот раствор дополнительно вводят раствор двухвалентного железа в количестве от 100 до 900 мл и также замеряют о-в.п. полученного раствора. Результаты этих экспериментов приведены в табл. 3.

Как видно из табл. 3, при смешении 100 мл исходного раствора Fe (II) с 15 г серной кислоты температура раствора за счет тепла гидратации поднимается до 40-42^oC, о-в.п. после введения 0,3-2,0 г азотной кислоты составляет всего 415-450 мв. Однако при введении 2,25-3,0 г HNO₃ этот показатель достигает 800-860 мв.

При подаче в исходный раствор 30 г купоросного масла температура раствора повышается до 56^oC, а о-в.п. достигает 800-860 мв уже при подаче 1 г азотной кислоты.

При дополнительной подаче в полученный окисленный раствор 200-300 мл исходного раствора Fe (II) о-в.п. смеси составляет от 550 до 750 мв, а после введения еще 600 мл устанавливается на уровне 425-460 мв, что соответствует соотношению Fe (III)/Fe (II) в растворе приблизительно 1:1 и в условиях ПВ обеспечит окислительную обстановку. В сочетании с барботированием воздуха, как это следует из примера 2, степень окисления железа (II) превышает 70%.

Пример 5. Выщелачивание урана на руды окисленным раствором.

В колонку диаметром 35 мм загружают 300 г песчанистой руды естественной крупности с содержанием урана 0,214%. Руду замачивают водой, "закисляют" раствором серной кислоты 5 г/л. Затем со скоростью 60-100 мл в сутки подают раствор, содержащий 2-3 г/л серной кислоты и ионы Fe (III), полученные окислением Fe (II) по примеру 4.

Ежесуточно на выходе из колонки отбирают пробы продукционного раствора, определяют в нем содержание урана. Выщелачивание ведут до тех пор, пока в выходящих из колонки растворах содержание урана станет ниже 10 мг/л.

По аналогичной методике проводят опыт с раствором одной серной кислоты без добавки железа (III).

Результаты экспериментов приведены на фиг. 3.

Как следует из данных фиг. 3, присутствие в выщелачивающих растворах трехвалентного железа (о-в.п. раствора 500 мв, кривая 2) обеспечивает увеличение степени извлечения урана из руды методом ПВ при Ж:Т, равном 3-4, на 12-15%, либо сокращение продолжительности процесса выщелачивания в 3-4 раза в сравнении с результатами с применением раствора одной серной кислоты (о-в. п. 370 мв, кривая 1, фиг. 3).

Из совокупности приведенных в примерах 1-5 данных следует, что при введении в ограниченный объем раствора Fe (II) рассчитанных количеств концентрированных серной и азотной кислот создаются условия для разложения азотной кислоты с получением из нее азотистой кислоты, которая в сочетании с подаваемым диспергированным воздухом обеспечивает окисление содержащегося в общем объеме циркулирующих растворов ПВ железа (II) в Fe(III) и тем самым обеспечивает интенсификацию процесса выщелачивания урана из руды в целом.

На основании имеющихся совокупных данных предлагается принципиальная технологическая схема окисления циркулирующих растворов КВ и ПВ с использованием азотной кислоты как первоначального реагента и кислорода воздуха в сернокислой среде (фиг. 4).

Изобретение относится к извлечению урана из руд методом кучного или подземного выщелачивания. Способ включает фильтрацию через руду выщелачивающих растворов, содержащих серную кислоту и нитрат-ионы с переводом шестивалентного урана, двухвалентного железа в продукционные растворы, извлечение из них урана с получением маточных растворов. При приготовлении выщелачивающих растворов серную и азотную кислоту вводят в часть маточных растворов, равную 0,05-0,15 от их исходного объема, взятую из условия обеспечения окислительно-восстановительного потенциала 750-850 мВ, затем полученный раствор контактируют с другой частью маточных растворов с обеспечением окислительно-восстановительного потенциала 600-700 мВ. Полученный раствор смешивают с оставшимся объемом с обеспечением окислительно-восстановительного потенциала 420-500 мВ. Этот окисленный раствор подают на выщелачивание урана из руды. Способ позволяет интенсифицировать процесс. 4 ил., 3 табл.

Способ извлечения урана из руд методом кучного или подземного выщелачивания, включающий приготовление выщелачивающих растворов, содержащих серную кислоту и нитрат-ионы, фильтрацию их через руду с переводом шестивалентного урана, двухвалентного железа и других металлов в продукционные растворы, извлечение из них урана с получением маточных растворов и рециркуляцию этих растворов на выщелачивание руды, отличающийся тем, что при приготовлении выщелачивающих растворов серную и азотную кислоты вводят в часть маточных растворов, равную 0,05 - 0,15 от их исходного объема, взятую из условия создания в них концентрации серной кислоты, равной 100 - 250 г/л и окислительно-восстановительного потенциала 750 - 850 мВ, затем полученный раствор и образовавшиеся оксиды азота контактируют с другой частью маточных растворов, равной 0,25 - 0,35 от их исходного объема и взятой из условия обеспечения окисления Fe (II) в Fe (III) с достижением окислительно-восстановительного потенциала 600 - 700 мВ при диспергировании в раствор кислорода или воздуха, затем смешивают полученный раствор с оставшей частью маточных растворов с обеспечением окислительно-восстановительного потенциала раствора, равного 420 - 500 мВ, причем перед введением серной и азотной кислот в маточные растворы производят абсорбцию оксидов азота, образующихся при приготовлении выщелачивающих растворов, путем их контактирования с исходными маточными растворами.