Nghiên cứu xử lý quặng urani chưa phong hóa vùng Pà Lừa bằng kỹ thuật hòa tách khuấy trộn - Thân Văn Liên

126 Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học - Tập 21, Số 1/2016 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ QUẶNG URANI CHƯA PHONG HÓA VÙNG PÀ LỪA BẰNG KỸ THUẬT HÒA TÁCH KHUẤY TRỘN Đến tòa soạn 15 - 3 - 2016 Thân Văn Liên Viện Công nghệ Xạ Hiếm SUMMARY STUDY ON TREATMENT OF PALUA NON-WEATHERED URANIUM ORES BY AGITATION LEACHING METHOD This paper present the results of non - weathered uranium ores processing by agitation leaching method. The effects of ore size, oxidation, leaching time, acid consumption on uranium recovery efficiency have been investigated. The results of investigation show that the suitable parameters for uranium ore leaching were: ore size ≤ 75 µm, oxidation consumption 4 kg/ton, acid consumption 50-55 kg/ton, leaching time 21 h. The uranium recovery efficiency reached > 85%. Key worlds: non-weathered uranium ore, agitation leaching method 1. GIỚI THIỆU 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 urani là tách chọn lọc và triệt để urani ra khỏi quặng. Trong những năm qua tại Viện Công nghệ Xạ Hiếm đã tiến hành các nghiên cứu về hoà tách quặng cát kết vùng Nông Sơn và đạt được những kết quả nhất định. Tuy vậy cũng cần lưu ý rằng quặng cát kết vùng Nông Sơn là loại quặng nghèo, hàm lượng urani trung bình chỉ nằm trong khoảng 0,03 - 0,08 %U3O8, do vậy việc lựa chọn phương pháp hoà tách nào để tiến hành xử lý quặng urani với khối lượng lớn và có thể áp dụng vào thực tế sản xuất sao cho đảm bảo tính khả thi, kinh tế và hiệu quả, đảm bảo đuôi thải chứa urani ở hàm lượng biên là một câu hỏi cần phải được giải đáp [1-3]. Quá trình hoà tan uran vào dung dịch phụ thuộc vào các yếu tố sau: Cỡ hạt quặng, mật độ 127 bùn, mức độ khuấy trộn, nồng độ axit, thế ôxy hoá, nhiệt độ, thời gian hoà tách, Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính như kích thước hạt, chất oxy hóa, thời gian hòa tách, chi phí axit đến hiệu suất hòa tách quặng urani chưa phong hóa bằng phương pháp khuấy trộn và từ đó lựa chọn các thông số tối ưu cho quá trình hòa tách. 2. THỰC NGHIỆM Quặng được sử dụng trong nghiên cứu này là quặng urani chưa phong hóa vùng Pà Lừa có hàm lượng urani là 0,055%. Quặng được nghiền bằng máy nghiền bi tới cỡ hạt ≤ 300 m. Tác nhân hòa tách là axit sunfuric H2SO4 và chất oxy hóa được sử dụng là MnO2. Quá trình hòa tách được tiến hành như sau: Cho 500 g quặng đã được nghiền mịn vào cốc thủy tinh có dung tích 1 lit và thêm nước vào với tỷ lệ lỏng/rắn là 1:1. Hỗn hợp được khuấy đều trên thiết bị khuấy trộn có điều chỉnh tốc độ khuấy. Cho một lượng axit và chất oxy hóa đã định trước vào hỗn hợp để hòa tách. Sau những khoảng thời gian nhất định lấy một lượng nhỏ mẫu bằng pipet để phân tích lượng urani còn lại trong bã quặng. Urani được xác định bằng phương pháp ICP-MS tại phòng thí nghiệm VILAS 524 thuộc Trung tâm phân tích, Viện Công nghệ xạ hiếm. Hiệu suất hòa tách urani được xác định theo công thức: H = (m1/m0) x 100% Trong đó: m0 là khối lượng urani có trong quặng hòa tách, m1 là khối lượng urani thu được trong dung dịch hòa tách. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt đến hiệu suất thu hồi urani Thực tế các khoáng urani thường bị che khuất bởi các khoáng đá không quặng, vì vậy việc gia công cơ học nhằm giải phóng các khoáng urani khỏi vỏ bọc của đá không quặng đồng thời giảm kích thước hạt quặng. Việc xác định nghiền quặng đến cỡ hạt nào có ý nghĩa rất quan trọng, nó quyết định khả năng tách uran ra khỏi quặng. Mặt khác, nếu nghiền quá mịn, thì mặc dù hiệu suất hoà tách có thể tăng lên một ít nhưng vấn đề phân chia rắn lỏng bùn hoà tách sẽ gặp khó khăn rất lớn, đồng thời chi phí cho việc nghiền cũng tăng lên rất nhiều. Vì vậy cần lựa chọn được cỡ hạt thích hợp để tiến hành hòa tách sao cho vừa đảm bảo được hiệu suất hòa tách cao và vừa không gây ảnh hưởng nhiều đến các quá trình tiếp theo. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của kích thước hạt đến hiệu suất thu hồi urani được chỉ ra ở hình 1. 128 Kích cỡ hạt 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 -250 -200 -150 -100 -50 0 Hiệu suất thu hồi U, % Hình 1. Ảnh hưởng của của kích thước hạt đến hiệu suất thu hồi urani Từ kết quả thực nghiệm được chỉ ra ở hình 1 cho thấy sự biến đổi hiệu suất hoà tách theo các cấp hạt quặng khảo sát là không khác biệt nhiều. Bên cạnh đó khi kích thước hạt quá nhỏ thì hiệu suất tách sắt tăng nhanh so với urani. Cỡ hạt thích hợp cho quá trình hoà tách có kích thước - 75 m. 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của chất ôxy hoá đến hiệu suất thu hồi urani Kết quả khảo sát ảnh hưởng của chất ôxy hoá đến hiệu suất thu hồi urani từ đối tượng quặng urani nghiên cứu được chỉ ra ở hình 2. Chất oxy hóa, kg/tấn 78 80 82 84 86 88 90 92 94 0 2 4 6 Hiệu suất thu hồi U, % Hình 2. Ảnh hưởng của chất ôxy hoá đến hiệu suất thu hồi urani Uran ở trạng thái hoá trị 6 hoà tan nhanh trong axit H2SO4, nhưng uran hoá trị 4 phải được oxy hoá thành U hóa trị 6 thì quá trình hoà tan mới xảy ra. Chất ôxy hoá tác dụng trực tiếp bằng cách chuyển Fe2+ tạo thành do hoà tan Fe có trong quặng hoặc Fe đi vào quặng khi nghiền thành Fe3+. Nồng độ Fe3+ thường từ 1 đến 2g/l là phù hợp để hoà tan có hiệu quả khoáng uraninit. Tuy nhiên thành phần UO2 trong quặng có khả năng hoà tan trong axit sulphuric rất kém, tốc độ hoà tách chậm nên trong quá trình hoà tách chúng ta phải oxi hoá U4+ thành U6+. Quá trình oxi hoá là rất phức tạp, các tài liệu đã chỉ ra rằng chất oxi hoá thêm vào có phản ứng gián tiếp đối với urani và thực hiện thông qua sự có mặt của cặp Fe3+/Fe2+: Fe2+ + [O] = Fe3+ Fe3+ + U4+ = U6+ + Fe2+ Trong phản ứng này không có vai trò của H+, tuy nhiên theo nguyên lý chuyển dich cân bằng Lơsactơrie, để tăng quá trình hoà tan U4+ thi ta phải duy trì H+ thích hợp nhằm tạo ra phức bền của U6+. Trong phản ứng oxi hoá Fe2+ thì vai trò H+ thể hiện rất rõ, với chất oxi hoá MnO2 ta có phản ứng: 2Fe2+ + MnO2 + 4H+ = 2Fe3+ + Mn2+ + H2O Ion Fe3+ ở dạng phức sun phát ôxy Fe3+ ôxy hoá U4+ theo cơ chế điện hoá trong đó nồng độ ion Fe3+ nhưng dạng phụ thuộc được xác định bởi tỷ lệ Fe3+ / Fe2+. Ion Fe2+ trong dung dịch hoà tách 129 được khống chế bằng cách điều chỉnh thế ôxy hoá khi thêm chất ôxy hoá. Đối với điều kiện hoà tách điển hình giữa thế ôxy hoá và nồng độ ion Fe tuân theo phương trình Nernst [4-5]: Ec = 397 + 0,1984.T.lg ([ Fe3+] / [Fe2+] ) Trong đó: Ec: Thế ôxy hoá dung dịch (mV) T: Nhiệt độ ( K ) [ ] : Nồng độ mol Phương trình chỉ rằng thế ôxy hoá ở 400mV khi 50% Fe ở trạng thái Fe3+ và thế ôxy hoá 500 mV khi còn 2% Fe2+. Theo số liệu từ hình 2 cho thấy, trong khoảng thế 450 – 530 mV hiệu suất tách urani tăng không đáng kể do lượng Fe2+ đã chuyển hoàn toàn thành Fe3+, khi đó nếu tiếp tục tăng thê oxi hóa dung dịch thì chủ yếu sẽ làm tăng quá trình hòa tan tạp chất. Từ kết quả thực nghiệm đã chọn chi phí chất ôxy hoá là 4 kg/tấn quặng, vừa đạt hiệu suất thu hồi urani cao vừa thu được dung dịch có thế ôxy hoá khử trung bình, giảm được nồng độ của một số kim loại có khả năng cạnh tranh với urani khi trao đổi ion ở những bước tiếp theo. 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi urani Quặng được nghiền tới kích thước - 75 m, 500g quặng /mẻ được thực hiện trong cốc thuỷ tinh 1lít trên thiết bị khuấy trộn có điều chỉnh tốc độ, tiến hành hoà tách với cùng điều kiện H2SO4 0,9M; chi phí axit 60 kg/tấn quặng; tỷ lệ R/L = 1/1, thế oxy hoá dung dịch 450 - 500 mV, chất oxy hóa 4 kg/tấn, nhiệt độ phòng. Theo thời gian mẫu dung dịch hoà tách được phân tích xác định nồng độ U. Kết quả khảo sát được chỉ ra ở hình 3. Thời gian hòa tách, h 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 3 6 9 12 15 18 21 24 30 36 42 48 Hiệu suất thu hồi U, % Hình 3. Ảnh hưởng của thời gian đến hiệu suất thu hồi urani Từ kết quả khảo sát, ta thấy thời gian phản ứng là 21h cho hiệu suất thu hồi urani đạt trên 90%. 3.4. Khảo sát ảnh hưởng của chi phí axit đến hiệu suất thu hồi urani Kết quả khảo sát ảnh hưởng của chi phí axit đến hiệu suất hòa tách quặng urani chưa phong hóa được chỉ ra ở hình 4 dưới đây. Tiêu hao axit, kg/tấn 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 35 40 45 50 55 60 Hiệu suất thu hồi U, % Hình 4. Ảnh hưởng của chi phí axit đến hiệu suất thu hồi urani 130 Kết quả thực nghiệm cho thấy khi tăng chi phí axit từ 0 đến 22 kg/tấn quặng hiệu suất hòa tách tăng nhanh theo chi phí axit, trong khoảng chi phí axit từ 22 kg/tấn đến 50 kg/tấn hiệu suất hòa tách có tăng nhưng ở mức độ thấp hơn và trong khoảng 50 đến 55 kg axit/tấn quặng hiệu suất tăng nhưng không đáng kể. Từ kết quả khảo sát, ta thấy chi phí axit thích hợp là 50-55 kg/tấn quặng cho hiệu suất thu hồi urani gần 90%. 4. KẾT LUẬN - Đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như kích thước hạt, tác nhân oxy hóa, thời gian hòa tách, lượng axit tiêu hao đến hiệu suất hòa tách quặng urani chưa phong hóa với hàm lượng urani 0,055% đến hiệu suất hòa tách quặng. Từ kết quả nghiên cứu đã lựa chọn được các thông số thích hợp cho quá trình hòa tách, đó là: + Kích thước hạt quặng phù hợp có cấp hạt -75 micromet. + Chi phí axit: 50 - 55 kg/ tấn quặng. + Chi phí tác nhân oxi hóa MnO2: 4 kg/tấn quặng. + Thời gian hòa tách: > 21 h. + Hiệu suất thu hồi urani, %: > 85 % TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Cao Hùng Thái (2001), Báo cáo khoa học “Nghiên cứu lưu trình công nghệ điều chế urani kỹ thuật từ quặng Pà Lừa An Điềm”, Viện NLNTVN, Viện Công nghệ xạ hiếm, Hà Nội. 2. Cao Đình Thanh (1995), Báo cáo khoa học: “Hoàn thiện qui trình công nghệ thiết bị thuỷ luyện quặng Urani”, Viện NLNTVN, Viện Công nghệ xạ hiếm, Hà Nội. 3. Thân Văn Liên (2013), Báo cáo khoa học: “Xử lý mẫu công nghệ thu nhận urani”, Bộ Tài nguyên và Môi trường, Hà Nội. 4. Manual on Laboratory Testing for Uranium Ore Processing, IAEA, 1990. 5. D.C. Seidel (1997), Laboratory Procedures for Hydrometallurgical Processing and Waste Management Experiments (Information Circular 9431, US Department of the Interior, Bureau of Mines.