Роль железа (III) в процессах выщелачивания урана из руд месторождений Зауральского региона

Урановые месторождения Зауралья в настоящее время активно отрабатываются методом подземного выщелачивания (ПВ) растворами серной кислоты. При этом процесс ПВ урана, проводимый на месторождении растворами серной кислоты с концентрацией около 10 г/л, отличается крайней замедленностью [1]. В данной работе была поставлена задача его оптимизации путем изменения состава выщелачивающего раствора.

Замедленная кинетика выщелачивания, по-видимому, в значительной степени обусловлена наличием урановой минерализации в виде минералов урана (IV) [1], растворение которых происходит по схеме [2]:

UO 2 + 2 Fe³⁺ = UO 2 ²⁺ + 2 Fe²⁺.                                   (1)

При этом для эффективного протекания процесса необходимо поддержания в растворе значений окислительно-восстановительного потенциала (Eh) на уровне 450 мВ [2].

В то же время в оборотных растворах ПВ наблюдается полное отсутствие ионов железа, что крайне неблагоприятно для растворения указанных минералов. Кроме того, на месторождениях отмечено присутствие больших количеств сульфидов (0,5-4%, в среднем около 2%) и органического вещества (до 10%, в среднем около 2-3%), проявляющих сильные восстановительные свойства, что еще более усложняет процесс ПВ урана [3].

Эксперименты по моделированию процесса ПВ проводились на лабораторной установке, представляющей собой перколятор, расположенный вертикально. Подача выщелачивающего раствора в перколятор осуществлялась снизу вверх, скорость подачи раствора составляла 0,05 м3 (т∙сут). Параметры проведения испытаний приведены в сводной таблице.

Эксперименты проводились на керновой породе залежи одного из месторождений, измельченной до крупности -5 мм, содержащей 0,010% урана. Выщелачивающие растворы готовились из фиксаналов серной кислоты, а также солей марки «хч». Показатели окислительно-востановительного потенциала растворов (Eh) измерялись с помощью хлоридсеребряного электрода.

В данной серии экспериментов изучалось влияние концентраций трехвалентного железа в диапазоне 0-6 г/л на показатели выщелачивания. Предполагается, что поддержание указанных концентраций железа в реальных промышленных растворах будет производиться вводом непосредственно солей трехвалентного железа. Параметры экспериментов представлены в таблице.

Параметры экспериментов по моделированию процесса ПВ с участием солей железа (III)

Параметры опыта	№ опыта
	1	2	3	4	5	6	7
Состав исходного раствора, г/л : Fe3+	0,0	0,5	1,0	2,0	3,0	4,0	6,0
Fe2+	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
H 2 SO 4	10,0	10,0	10,0	10,0	10,0	10,0	10,0
Eh исходного раствора, мВ	270	680	690	695	770	770	780

Результаты экспериментов представлены на рисунках 1-7.

800 I

-X- 1

▲3

■6

•7

Соотношение Ж:Т, м3/т

Рис.1. Изменение показателя Eh выходных растворов в следующих опытах: 1(1), 2(2), 3(3) , 4(4) , 5(5), 6(6), 7(7)

Как видно по рисунку 1, в отсутствие трехвалентного железа в выщелачивающих растворах значения Eh продуктивных растворов держатся на уровне весьма низких значений, соответственно 250-270 и 300-320 мВ, что крайне неблагоприятно для выщелачивания урана.

Окислительно-восстановительный потенциал продуктивных растворов достигает приемлемых растворов только при использовании выщелачивающих растворов с содержанием трехвалентного железа на уровне 1 г/л и выше. Данные химического анализа продуктивных растворов подтверждают это: действительно, преобладание трехвалентных форм железа над двухвалентными, обеспечивающее окислительную обстановку, обусловлено исключительно применением растворов с содержанием трехвалентного железа не менее 1 г/л (рис. 2-3). По данным рисунков 2, 3 видно, что соотношение применения концентраций железа (III) свыше 1 г/л обеспечивает соотношение форм Fe(III) и свыше 1:1.

Данные химического анализа продуктивных растворов подтверждают высокую целесообразность применения растворов трехвалентного железа в качестве окислителя. Как видно из рисунка 4, показывающего изменение степени извлечения урана в зависимости от количества пропущенного раствора (выражено в относительных единицах), ввод в растворы Fe(III) в количестве 1 г/л позволяет резко повысить извлечение урана на начальной стадии, так называемой стадии интенсивного выщелачивания урана (при Ж:Т=0,2-1,5 по [1]). Прирост содержания урана достигает на отдельных участках 35-40%, снижаясь в конце стадии до 9-10,5%. На всех этапах выщелачивания Eh выходных растворов в опытах устанавливался на уровнях не ниже 420-450 мВ, постепенно повышаясь к концу опыта. Соотношение валентных форм железа (III) и (II) в продуктивных растворах держалось во все время опыта стабильно на уровне около 0,8-0,9:1,0 (рис. 5-6).

Дальнейшее повышение содержания железа в выщелачивающих растворах приводит к еще более значительному росту показателей Eh продуктивных растворов: до 500-600 мВ (см. рис.1). Соотношение Fe(III):Fe(II) при этом достигает величин 1,5-3:1 в области начальных концентраций трехвалентного железа соответственно 2-6 г/л.

При этом прирост извлечения урана невелик: всего на 2-5% на начальном участке выщелачивания (рис. 7). Это говорит о целесообразности ограничения содержания трехвалентного железа в растворе выщелачивания величиной 1-2 г/л.

1,2

Соотношение Ж:Т, м3/т

Рис. 2. Изменение концентраций железа (III) (1) и (II) (2) в продуктивных растворах в опыте № 3

Соотношение Ж:Т, м3/т

Рис. 3. Изменение концентраций железа (III) (1) и (II) (2) в продуктивных растворах в опыте № 4

Рис. 4. Изменение концентраций железа (III) (1) и (II) (2) в продуктивных растворах в опыте № 5

Рис. 5. Изменение концентраций железа (III) (1) и (II) (2) в продуктивных растворах в опыте № 6

g 5

«

S3 3 s s s я «

Рис. 6. Изменение конц                                              растворах в опыте № 7

Рис. 7. Зависимость извлечения урана из руды от количеств пропущенного через перколятор раствора: 1 (1), 2 (2), 3 (3), 4 (4), 5 (5), 6 (6), 7 (7)

Выводы

Изучено влияние концентрации железа (III) на процесс перколяционного выщелачивания урана. Установлена высокая эффективность использования повышенных концентраций железа (III) в выщелачивающих растворах на стадии отработки руд: поддержание в выщелачивающем растворе концентрации свыше 1 г/л обеспечивает прирост извлечения урана до 20-40%. При этом подача окислителя должна обеспечивать получение продуктивных растворов с ОВП на уровне не ниже 400-450 мВ. Показано, что оптимальным значение концентрации железа трехвалентного является 1-2 г/л. Дальнейшее повышение Eh продуктивных растворов (а соответственно и содержания железа трехвалентного выше 2 г/л) нецелесообразно, так как приводит к незначительному приросту выхода урана в раствор. Показано, что наибольшего эффекта можно добиться, применяя окислитель до достижения соотношения Ж:Т=2. В дальнейшем эффективность его применения значительно снижается.