5.3.7. Извлечение урана из руд

Конечными продуктами переработки рудного сырья являются чистые химические соединения, из которых получают металлический уран. Технология производства химических соединений из рудного сырья, как правило, состоит из двух стадий: получения технического продукта — «химического концентрата» и очистки (аффинажа) с получением необходимых соединений высокой чистоты.

Продукты первой стадии — преимущественно октаоксид триурана (закись — окись) U₃O₈, диуранат натрия Na₂U₂0₇ или аммония (NH₄)₂U₂0₇. Исходным соединением для производства урана большей частью служит тетрафторид урана UF₄.

Урановые руды обычно бедные (0,005 — 0,5 % U₃O_s). Механические методы обогащения (радиометрическая сортировка, разделение в тяжелых суспензиях, гравитационные методы, флотация) имеют ограниченное применение и редко приводят к получению богатых концентратов.

Для извлечения урана большей частью применяют способ выщелачивания его из руды растворами минеральных кислот или соды. Выщелачиванию иногда предшествуют подготовительные операции обжига руды (с целью удаления органических составляющих, окисления сульфидов, удаления мышьяка, разложения карбонатов, «пассивирования» оксидов железа). В результате выщелачивания получают бедные растворы, содержащие 0,5 — 2 г/л урана. Для извлечения и концентрирования урана большей частью применяют сорбцию на ионообменных смолах или жидкостную экстракцию.

Выщелачивание кислотами. Выщелачивание кислотами наиболее широко используют в промышленной практике. Большей частью применяют серную кислоту, смеси серной и азотной кислот (меланж), а иногда одну азотную кислоту. Выщелачивание кислотами невыгодно применять из руд, содержащих большие количества карбонатов (кальция, доломита, магнезита, сидерита и др.) вследствие повышенного расхода кислоты. В этих случаях выгоднее выщелачивание растворами соды. При обработке руд, содержащих уранинит и урановую смолку, выщелачивание серной кислотой проводят в присутствии окислителя — пиролюзита (Мn0₂) или хлората натрия (NaCl0₃). Окисление ускоряется в присутствии ионов железа; механизм их действия можно представить реакциями:

U0₂ + 2 Fe³⁺ = UO₂²⁺ + 2 Fe²⁺ (5.26)

2 Fe²⁺ + MnO₂ + 4 Н⁺ = 2 Fe³⁺ + Mn²⁺ + 2 H₂O (5.27)

Выщелачивание проводят на холоду или при подогреве до 40 - 50 °С. Повышение температуры увеличивает расход кислоты. Процесс обычно ведут в непрерывном режиме в каскаде выщелачивателей с механическим или воздушным перемешиванием (аппараты типа «пачук»). К концу выщелачивания значение рН раствора поддерживают в интервале 1 - 2, что примерно соответствует концентрации свободной кислоты 3 -7 г/л.

Выщелачивание растворами Na₂C0₃. Выщелачивание растворами соды основано на образовании шестивалентным, ураном растворимых комплексных солеи состава Na₄[U0₂(C0₃)₃].

Наиболее легко растворяются в растворах Na₂C0₃ минералы, представляющие собой соли уранила. Труднорастворимы сложные силикатные минералы. Первичные минералы - уранинит, урановая смолка - растворяются в присутствии окислителя.

Выщелачивание растворами Na₂C0₃ имеет ряд преимуществ перед выщелачиванием кислотами; растворы Na₂C0₃ избирательно выщелачивают уран, поэтому растворы содержат мало примесей; выщелачивание можно проводить в аппаратуре из простой стали; его можно применять к рудам с высоким содержанием карбонатов, обработка которых кислотами не выгодна.

Недостатком выщелачивания растворами Na₂C0₃ является, как правило, более низкое извлечение в растворы, чем при кислотном выщелачивании.

Основные реакции, протекающие при выщелачивании растворами Na₂C0₃:

U0₃ + 3 Na₂C0₃ + Н₂0 =±Na₄[U0₂(C0₃)₃] + 2 NaOH (5.28)

U0₂ + 3 Na₂C0₃ + l/2 0₂ + H₂0=Na₄[U0₂(C0₃)₃] + 2 NaOH (5.29)

Как видно из реакций, в процессе реагирования накапливается щелочь, что может привести к осаждению малорастворимого диураната натрия. Для нейтрализации щелочи выщелачивание ведут смесью карбоната и бикарбоната натрия (5 – 10 % Na₂C0₃ и от 1 до 7 % NaHC0₃).

В качестве окислителя большей частью используют воздух или обогащенный кислородом воздух. Выщелачивание руд растворами соды проводят в аппаратах с механическим перемешиванием при атмосферном давлении при температурах 70 - 90 ^оС или в автоклавах при 115 - 140 °С (для руд, содержащих первичные минералы).