Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ УРАНА ИЗ РУД

Изобретение относится к гидрометаллургии урана и может быть использовано для кислотного перколяционного выщелачивания урана из рудного сырья для регенерации кислых растворов агитационного выщелачивания урана.

Известен способ извлечения урана из рудного сырья [патент на изобретение RU №2393255, МПК С22В 60/02, С22В 3/08 (01.2006), опубл. 27.06.2010. Бюл. №18], включающий дробление, мокрое измельчение исходного сырья с получением пульпы, сернокислотное выщелачивание с получением пульпы, причем в качестве исходного сырья используют руду, содержащую браннерит, после мокрого измельчения проводят сгущение пульпы, а после сернокислотного выщелачивания проводят сепарацию пульпы, верхний слив после сепарации направляют на противоточную сорбцию урана, а нижний слив, содержащий браннеритовую фракцию, подкисляют серной кислотой до 40-80 г/л с получением кислой пульпы и облучают ее потоком ускоренных электронов с мощностью поглощенной дозы 1,5-1,6 кГр/с в течение 4-8 мин с последующим выщелачиванием урана и сгущением полученной пульпы с образованием верхнего слива, который подают на выщелачивание исходного сырья, и нижнего слива, который направляют в отвал. При этом облучению подвергают браннеритовую фракцию в виде кислой пульпы с Т:Ж<1:4, а облученную пульпу выщелачивают при перемешивании и температуре 60-70°С в течение 2-3 ч.

К основным недостаткам этого способа относятся высокая стоимость ускорителя электронов, обеспечивающего необходимую мощность поглощенной дозы, а также необходимость обеспечения защиты от излучения, что требует дополнительных затрат. Кроме того, способ предназначен конкретно для вскрытия упорного (трудновскрываемого) браннеритового рудного сырья, при котором предусмотрено облучение суспензии твердых частиц полезного ископаемого в жидкой среде (пульпы). В предложенном же способе высоковольтными импульсными разрядами воздействуют на маточный раствор. Известный способ в качестве аналога рассмотрен лишь потому, что в нем, как и при осуществлении предложенного способа, воздействуют электрическим током (упорядоченное движение электрических зарядов) непосредственно на обрабатываемый материал.

Большее число общих существенных признаков с предложенным изобретением имеет другой аналог: способ извлечения урана из руд методом кучного или подземного выщелачивания [патент на изобретение RU №2172792, МПК⁷ С22В 60/02, С22В 3/08, опубл. 27.08.2001], 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. 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. После этого полученный раствор смешивают с оставшейся 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.

Основными недостатками этого способа-аналога являются обязательное использование азотной кислоты, что приводит к загрязнению раствора нитрат-ионами, снижающими сорбционную емкость ионитов по урану, а также необходимость в специальной аппаратуре для улавливания образующихся токсичных оксидов азота.

Наиболее близким к предложенному способу по существенным признакам и достигаемому положительному эффекту является выбранный за прототип способ извлечения урана из руд [патент на изобретение RU №2326177, МПК С22В 60/02, С22В 3/08 (2006.01), опубл. 10.06.2008. Бюл. №16], включающий выщелачивание урана и железа раствором серной кислоты с использованием в качестве окислителя трехвалентного железа, содержащегося в руде, извлечение урана из раствора с получением раствора, содержащего двухвалентное железо, регенерацию двухвалентного железа до трехвалентного окислением с получением оборотного раствора и его рециркуляцию на выщелачивание руды. Извлечение урана из раствора ведут сорбцией на анионите, полученный после сорбции раствор, содержащий двухвалентное железо, перед регенерацией в нем двухвалентного железа до трехвалентного подкисляют серной кислотой и регенерацию ведут облучением потоком ускоренных электронов при мощности поглощенной дозы 2,3-3,5 кГр/с в течение 1-6 мин. При этом выщелачивание ведут методами подземного, кучного или агитационного выщелачивания. Оборотный раствор при кучном или подземном выщелачивании, содержащий 0,5-5 г/л двухвалентного железа, перед облучением подкисляют серной кислотой до концентрации 5-10 г/л, а оборотный раствор при агитационном выщелачивании, содержащий 5-15 г/л двухвалентного железа, перед облучением подкисляют серной кислотой до концентрации 10-20 г/л.

Основные недостатки способа-прототипа следующие:

- высокие энергозатраты на обработку растворов: 46,13 кВт·ч на 1 м³ раствора при степени окисления железа 86,6%;

- необходимость биологической защиты;

- значительные капитальные затраты из-за использования ускорителя электронов, источника его питания, а также для обеспечения защиты от облучения.

Основной технический результат предложенного решения заключается в том, что энергозатраты на обработку растворов ниже в 1,8 раза (26,04 кВт·ч на 1 м³ раствора при степени окисления железа 86,9%), И нет необходимости в биологической защите и в несколько раз меньше капитальныХ затрат; так, например, стоимость источника импульсов высокого напряжения, применяемого в предложенном способе, на порядок меньше стоимости ускорителя электронов.

Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном способе извлечения урана из руд, включающем выщелачивание урана и железа раствором серной кислоты с использованием в качестве окислителя трехвалентного железа, содержащегося в руде, извлечение урана из раствора с получением маточного раствора, содержащего двухвалентное железо, подкисление маточного раствора серной кислотой, регенерацию трехвалентного железа окислением с получением оборотного раствора и рециркуляцию этого раствора на выщелачивание урана, регенерацию трехвалентного железа ведут воздействием на маточный раствор высоковольтными импульсными разрядами при амплитуде импульсов высокого напряжения не менее 10 кВ и при частоте следования импульсов в интервале 400÷4400 имп/с, причем перед воздействием на маточный раствор высоковольтными импульсными разрядами его подвергают диспергированию.

Пример конкретного выполнения предложенного способа (пример составлен на основе заводских испытаний способа).

На фиг.1 приведена установка для осуществления способа, которая состоит из последовательно установленных сосуда исходного раствора H₂SO₄ - 1, сосуда орошения 2, колонки выщелачивания 3, приемного сосуда 4, сорбционной колонки 5, сосуда подкисления 6, блока электроразрядной обработки 7, выход которого соединен с сосудом орошения 2, источника импульсов высокого напряжения 8, электрически соединенного с блоком электроразрядной обработки 7.

Дробленую урансодержащую руду массой 10 кг загружают в колонку выщелачивания 3. В сосуде исходного раствора H₂SO₄ 1 готовят 8 л водного раствора серной кислоты из расчета 5 г кислоты на 1 л воды и раствор заливают в сосуд орошения 2. Из него раствор серной кислоты самотеком поступает в колонку выщелачивания 3, в которой происходит переход ионов урана и железа из рудного сырья в раствор. Этот раствор собирается в приемном сосуде 4. Из сосуда 4 раствор подают на сорбцию в сорбционную колонку 5, заполненную ионообменной смолой. В колонке 5 происходит извлечение урана из раствора путем ионного обмена. Полученный в результате сорбции маточный раствор, содержащий ионы Fe²⁺, подают в сосуд подкисления 6, где концентрированной серной кислотой осуществляют подкисление этого раствора до исходной концентрации: 5 г H₂SO₄ на 1 л воды. Подкисленный маточный раствор из сосуда подкисления 6 подают в блок электроразрядной обработки 7, в котором этот раствор диспергируют и подвергают воздействию высоковольтных импульсных разрядов путем подачи в блок 7 импульсов высокого напряжения от источника импульсов 8. Полученный оборотный раствор из блока электроразрядной обработки 7 подают в сосуд орошения 2. Таким образом выщелачивание ведут до тех пор, пока в выходящем из колонки выщелачивания 3 растворе содержание урана не станет ниже 10 мг/л.

В таблицах 1 и 2 приведены материалы, позволяющие обосновать заявляемые цифровые режимные параметры, которые включены в формулу предложенного изобретения. Результаты, полученные при различных амплитудах импульсов напряжения, приведены в табл.1, в которой показано, что при амплитудах импульсов напряжения менее 10 кВ зажигание разрядов не происходит, поэтому амплитуда должна быть минимум 10 кВ или выше. В табл.2 представлены опытные результаты окисления железа при различных частотах следования импульсов высокого напряжения: от 100 имп/с до 2000 имп/с. Из этих данных следует, что повышение частоты более 1400 имп/с нецелесообразно, так как при этом степень окислениия (колонка 3) остается практически неизменной, а энергозатраты (колонки 4 и 5) существенно увеличиваются. Нижний частотный предел выбран равным 400 имп/с, так как степень окисления при этой частоте составляет 53,1%, а известно [Громов Б.В. "Введение в химическую технологию урана". Атомиздат. 1978, с.82], что для поддержания процесса окисления урана (U⁴⁺) необходимо обеспечить соотношение концентрации ионов Fe³⁺/Fe²⁺ более единицы, то есть степень окисления должна быть более 50%, что не наблюдается при частотах менее 400 имп/с.