Уран өнеркәсібі
КІРІСПЕ 3
1 ӘДЕБИ ШОЛУ 5
1.1 Уран 5
1.1.1 Уран туралы тарихи мағлұмат 8
1.1.2 Уранның физика.химиялық қасиеттері 9
1.1.3 Уранның спецификалық қасиеттері 11
1.2 Уранның физико.химиялық қасиеттері және қосылыстары 12
1.3 Уранның гипергенез қабатындағы күйі 14
1.4 Уранның комлекс түзу қабілеттері 16
1.5 Уранның химиялық технологиясы 19
1.6 Уранды өндірудің жер асты шаймалау әдісі 20
1.7 Жер асты сілтісіздендіру жүйелері 21
1.8 Жер асты шаймалаудің физико.химиялық ерешелігі 22
1.9 Уранды кен жыныстарын шаймалау 25
1.10 Қышқылды шаймалаудың артықшылықтары және кемшіліктері 27
1.11 Уранды шаймалау технологиясында тотығу.тотықсыздану құбылыстары 27
1.12 Қызылқұм кен орнының геолого.гидрогеологиялық ерекшелітері 28
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ 31
2.1 Элементтік анализ 31
2.2 Статикалық жағдайда шаймалау 31
2.3 Шаймалау бойынша зертханалық тәжірибелерді орындау әдістемесі 32
2.4 Зерттелінетін кен үлгісінің гранулометриялық (түйіршікті) құрамын елеуіштік әдіспен анықтау 33
2.5 Өнімдік ерітінділерден ауыр металдар мөлшерін анықтау 33
2.6 Көміртек қостотығының, органикалық көміртектің, жалпы күкірттің, темір сульфаттары, сульфидтері мен қағынның мөлшерін анықтау 33
3 НӘТИЖЕЛЕР МЕН ТАЛДАУЛАР 35
3.1 Элементтік анализ 35
3.2 Зерттелінген сынаманың сипаттамасы 35
3.3 Зерттелінген кен үлгісінің гранулометриялық құрамы 36
3.4 Кеннің минералдық құрамы. 36
3.5 Сканерлеуші электронды микроскопия және жартылайсандық элементтік анализ 38
3.6 Зерттеу улгісін статикалық шаймалау 47
3.6.1 Күкірт қышқылды шаймалау 47
3.6.2 Карбонаттық шаймалау 47
3.7 Фильтрациялық колонналарда уранды шаймалау 49
3.7.1 Сумен шаю сатысы 50
3.7.2 Күкірт қышқылды шаймалау сатысы 51
ҚОРЫТЫНДЫ 56
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ: 58
1 ӘДЕБИ ШОЛУ 5
1.1 Уран 5
1.1.1 Уран туралы тарихи мағлұмат 8
1.1.2 Уранның физика.химиялық қасиеттері 9
1.1.3 Уранның спецификалық қасиеттері 11
1.2 Уранның физико.химиялық қасиеттері және қосылыстары 12
1.3 Уранның гипергенез қабатындағы күйі 14
1.4 Уранның комлекс түзу қабілеттері 16
1.5 Уранның химиялық технологиясы 19
1.6 Уранды өндірудің жер асты шаймалау әдісі 20
1.7 Жер асты сілтісіздендіру жүйелері 21
1.8 Жер асты шаймалаудің физико.химиялық ерешелігі 22
1.9 Уранды кен жыныстарын шаймалау 25
1.10 Қышқылды шаймалаудың артықшылықтары және кемшіліктері 27
1.11 Уранды шаймалау технологиясында тотығу.тотықсыздану құбылыстары 27
1.12 Қызылқұм кен орнының геолого.гидрогеологиялық ерекшелітері 28
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ 31
2.1 Элементтік анализ 31
2.2 Статикалық жағдайда шаймалау 31
2.3 Шаймалау бойынша зертханалық тәжірибелерді орындау әдістемесі 32
2.4 Зерттелінетін кен үлгісінің гранулометриялық (түйіршікті) құрамын елеуіштік әдіспен анықтау 33
2.5 Өнімдік ерітінділерден ауыр металдар мөлшерін анықтау 33
2.6 Көміртек қостотығының, органикалық көміртектің, жалпы күкірттің, темір сульфаттары, сульфидтері мен қағынның мөлшерін анықтау 33
3 НӘТИЖЕЛЕР МЕН ТАЛДАУЛАР 35
3.1 Элементтік анализ 35
3.2 Зерттелінген сынаманың сипаттамасы 35
3.3 Зерттелінген кен үлгісінің гранулометриялық құрамы 36
3.4 Кеннің минералдық құрамы. 36
3.5 Сканерлеуші электронды микроскопия және жартылайсандық элементтік анализ 38
3.6 Зерттеу улгісін статикалық шаймалау 47
3.6.1 Күкірт қышқылды шаймалау 47
3.6.2 Карбонаттық шаймалау 47
3.7 Фильтрациялық колонналарда уранды шаймалау 49
3.7.1 Сумен шаю сатысы 50
3.7.2 Күкірт қышқылды шаймалау сатысы 51
ҚОРЫТЫНДЫ 56
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ: 58
Гидрометаллургияда экономикалық және экологиялық тұрғыдан бүгінгі таңда ең тиімді уран өндіру әдісі болып табылатын жер асты ұңғымалық шаймалау мемлекетімізді атомдық энергетиканың негізігі отынын өндіруден дүние жүзінде бірінші орынға шығарды. 1954-ші жылдарда негізі қаланып, аз уақыт арасында дүние жүзінде кең қолданыс тапқан бұл әдіс, негізгі бөлігі аридтік зонада орналасқан Қазақ даласында, мемлекетіміздің гидрометаллургия өндірісі үшін таптырмас құралға айналды. Уранды жер асты ұңғымалық шаймалау әдісімен өндірудің өзіндік құны таулық әдісті қолдануға қарағанда 20–25%-ға төмен [1]. Бұл әдістің тағы бір айта кететін артықшылығы, таулық әдісті қолдану тиімсіз болып табылатын уран мөлшері 0,01–0,03%-ды құрайтын кендерді өңдеуге мүмкіндік беретіндігінде. Сонымен қатар, уран өндірудің қоршаған ортаға тигізетін кері әсері әлдеқайда азаяды. Жер асты ұңғымалық шаймалау әдісін қолданған аймақтарда жердің шөгуі және қопарылуы, бос жыныстардан және балланстан шыққан кендерден тұратын үйінділер болмайды. Уран қос тотығынның 100 кг өндіру кезінде 1 кг қатты қалдықтар түзіледі, ал таулық әдісте уран қос тотығының дәл сол мөлшерін алу үшін 100 000 кг қатты қалдықтар түзіледі. Оған қоса технологиялық үрдістен шаң-тозаң бөліну көздері жойылған, соның нәтижесінде атмосфераға бөлінетін радиоактивті заттардың көлемі біршама азайтылды. Жұмысшылар мен қызметкерлерге α- , β- және γ- сәулеленушілер әсері минималданған, өйткені уран радиоактивті отбасының жалпы γ-сәулеленуінің 98%-ы қышқылдық шаймалау кезінде жер астында қалатын радий және оның ыдырау өнімдеріне тиісті. Әдістің экологиялық, эконимикалық артықшылығы және технологиялылық кемшілігінің бірі негізгі кен түзуші жыныстардың жер астында шоғырланғандығында. Тек шаймалаушы агентпен әрекеттесетін кен жыныстарын көп жағдайда толық өңдеу мүмкін емес болып жатады. Сонымен қатар, жер асты ұңғымалық шаймалау әдісін қолдану барысында кен түзуші горизонттарының өткізгіштігі, шаймалаушы агентті таңдау, тотықтырғыштың тиімділігінің төмендігі не оның бағасының қымбаттығы сияқты үнемі туындап жататын мәселелер жеткілікті. Сондықтан жер асты ұңғымалық шаймалау әдісін зерттеу өзектілігін жоғалтпай, бүгінгі күнге дейін АҚШ, Франция, Ресей, Канада сияқты уран өндіруші алпауыттар осы салада үлкен зерттеу жұмыстарын жүргізуде.
1 Тураев Н.С., Жерин И.И. Химия и технология урана:Учебное пособие для вузов. – М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2005. –407 б.
2 Бровин К.Г, Грабников В.А., Шумилин М.В., Язиков В.Г. Прогноз, поиски, разведка и промышленная оценка месторождений урана для отработки подземным выщелачиванием. –Алматы: Ғылым, 1997. –384 б.
3 Мамилов В.А. Добыча урана мотодом подземного выщелачивания. –М.: Атомиздат, 1980. –284 б.
4 Жерин И.И., Амелина Г.Н. Химия тория, урана и плутония:Учебное пособие. –Томск:Издательство Томского политехнтческого университета, 2010. –147 б.
5 Скороваров Д.И. Справочник по геотехнологии урана. –М.: Энергоатомиздат, 1997. –672 б.
6 Громов Б.В Введение в химическую технологию урана: Учебник для вузов. –М.: Атомиздат, 1978. –336 б.
Тананаев И.Г. Уран: Учебное пособие. – М.: НИЯУ МИФИ, 2011. – 91 б.
7 Кнунянц И.Л. Химический энциклопедический словарь. – М.:Советская энциклопедия, 1983. –790 б.
8 Галкин Н.П., Судариков Б.Н., Верятин У.Д., Шишков Ю.Д., Майоров А.А. Технология урана. – М.: Атомиздат, 1964. – 309 б.
9 Шевченко Б.В., Судариков Б.И. Технология урана. – М.: Атомиздат, 1961. 330 б.
10 Сазыкин Н.С. Сырьевые ресурсы урановой промышленности капиталических стран и их использование. – М.:Недра, 1968. –121 б.
11 Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии : Пособие по проектированию. – М.: Химия, 1991. 493 б.
12 Черняев И.И. Комплексные соединения урана. –М.: Наука, 1964. – 491 б.
13 Рябчиков Д.И., Сенявин М.М. Аналитическая химия урана. –М.: Академия наук СССР, 1962. –429 б.
14 Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Госхимиздат, 1971. – 784 б.
15 Каца Д.Д., Сиборга Г.Т. Морсса Л. Химия актиноидов. – М.: Мир. – Т. 1. – 1991. – 522 б.
16 Несмеянов А.Н. Радиохимия. – М.: Химия, 1978. – 559 б.
17 Емельянов В.С., Евстюхин А.И. Металлургия ядерного горючего. –М.: Атомиздат, 1968. – 483 б.
18 Сиборг Г.Т., Кац Д.Д. Химия актиноидных элементов. – М.: Атомиздат, 1960. – 542 б.
19 Власов В.Г., Жуковский В.М., Ткаченко Е.В., Бекетов А.Р. Кислородные соединения урана. – М.: Атомиздат, 1972. – 255 б.
20 Язиков В.Г., Забазнов В.Л., Петров Н.Н., Рогов А.Е. Геотехнология урана на месторождениях Казахстана. – Алматы, 2001. –442 б.
21 Полькин С.И., Адамов Э.В. Обогащение руд цветных и редких металлов. – М.: Недра, 1975. – 480 б.
22 Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. – М.:Металлургия, 1972. – 543 б.
23 Зефиров А.П. Термодинамические свойства неорганических веществ:Справочник.– М.: Атомиздат, 1965. – 460 б.
24 Раков Э.Г., Хаустов С.В. Процессы и аппараты производства радиоактивных и редких металлов. – М.: Металлургия, 1993. – 384 б.
25 Кедровкий О.Л. Комплексы подземного выщелачивания. – М.: Недра, 1992. – 262 б.
26 Судариков Б.Н., Раков Э.Г. Процессы и аппараты урановых производств. – М.: Машиностроение, 1969. –383 б.
27 Смирнов Ю.В., Ефремов З.И., Скороваров Д.И., Иванов Г.Ф. Гидрометаллургическая переработка ураново-рудного сырья. – М.: Атомиздат, 1979. –280 б.
28 Жиганов А.Н., Гузеев В.В., Андреев Г.Г. Технология диоксида урана для керамического ядерного топлива. – Томск, 2002. – 326 б.
29 Карапетьянц М.Х., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. – М.: Химия, 1968. – 471б.
30 Титаева Н.А. Ядерная геохимия. – М.: МГУ баспасы, 2000. –336 б.
31 Коваленко В.И., Тихонов С.А., Измоденов Ю.А. Обогащение неметаллических полезных ископаемых. – М.: Кедр, 1967. – 246 б.
32 Грабников В.А. Геотехнологические исследования при разведке металлов. – М.:Недра, 1983.
33 Андреев Г.Г., Пермяков О.Е. Химическая кинетика гетерогенных некаталитических процессов в технологии ядерного топлива. – Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2000. – б. 35–39
34 Шаталов В.В., Садыков Р.Х., Фазлуллин М.Н., Абдульманов И.Г. Ядерная энергетика: тенденции в потребностях и поставках урана: Атомная техника за рубежом. – 1997. – №10. – б. 13–18
35 Школьник В.С. Перспективы развития атомного комплекса Казахстана: Доклад на 2-ой Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы урановой промышленности. –Алматы, 10–13 июля 2002. – б. 3–6
36 Андреев И.Ю., Головин В.Ф., Литвиненко В.Г., Овсейчук В.А., Шелудченко В.Г., Филоненко В.С. Комплексная технология переработки урановых руд агитационными и перколяционными методами: Горный журнал. – 2003. – №6. – б. 45–47
37 Торежогин М.У. О некоторых особенностях использования технологии подземного выщелачивания урана на месторождениях песчаникового типа в Казахстане и США: Сборник докладов научно-практической конференции Актуальные проблемы отработки урановых месторождений методом ПВ. – Алматы, 2000. – б. 147–156
38 Зинченко В.М. Статическая модель выходной кривой подземного выщелачивания урана: Доклад на II Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы урановой промышленности. – Алматы, 2002. – б. 62–69
39 Калошин А.А., Евтеева Л.И., Забазнов В.Л., Патрин А.П., Зинченко В. М. Виды кольматации скважин при подземном скважинном выщелачивании урана и методы борьбы: Доклад на II Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы урановой промышленности. – Алматы, 2002. –б. 38–44
2 Бровин К.Г, Грабников В.А., Шумилин М.В., Язиков В.Г. Прогноз, поиски, разведка и промышленная оценка месторождений урана для отработки подземным выщелачиванием. –Алматы: Ғылым, 1997. –384 б.
3 Мамилов В.А. Добыча урана мотодом подземного выщелачивания. –М.: Атомиздат, 1980. –284 б.
4 Жерин И.И., Амелина Г.Н. Химия тория, урана и плутония:Учебное пособие. –Томск:Издательство Томского политехнтческого университета, 2010. –147 б.
5 Скороваров Д.И. Справочник по геотехнологии урана. –М.: Энергоатомиздат, 1997. –672 б.
6 Громов Б.В Введение в химическую технологию урана: Учебник для вузов. –М.: Атомиздат, 1978. –336 б.
Тананаев И.Г. Уран: Учебное пособие. – М.: НИЯУ МИФИ, 2011. – 91 б.
7 Кнунянц И.Л. Химический энциклопедический словарь. – М.:Советская энциклопедия, 1983. –790 б.
8 Галкин Н.П., Судариков Б.Н., Верятин У.Д., Шишков Ю.Д., Майоров А.А. Технология урана. – М.: Атомиздат, 1964. – 309 б.
9 Шевченко Б.В., Судариков Б.И. Технология урана. – М.: Атомиздат, 1961. 330 б.
10 Сазыкин Н.С. Сырьевые ресурсы урановой промышленности капиталических стран и их использование. – М.:Недра, 1968. –121 б.
11 Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии : Пособие по проектированию. – М.: Химия, 1991. 493 б.
12 Черняев И.И. Комплексные соединения урана. –М.: Наука, 1964. – 491 б.
13 Рябчиков Д.И., Сенявин М.М. Аналитическая химия урана. –М.: Академия наук СССР, 1962. –429 б.
14 Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. – М.: Госхимиздат, 1971. – 784 б.
15 Каца Д.Д., Сиборга Г.Т. Морсса Л. Химия актиноидов. – М.: Мир. – Т. 1. – 1991. – 522 б.
16 Несмеянов А.Н. Радиохимия. – М.: Химия, 1978. – 559 б.
17 Емельянов В.С., Евстюхин А.И. Металлургия ядерного горючего. –М.: Атомиздат, 1968. – 483 б.
18 Сиборг Г.Т., Кац Д.Д. Химия актиноидных элементов. – М.: Атомиздат, 1960. – 542 б.
19 Власов В.Г., Жуковский В.М., Ткаченко Е.В., Бекетов А.Р. Кислородные соединения урана. – М.: Атомиздат, 1972. – 255 б.
20 Язиков В.Г., Забазнов В.Л., Петров Н.Н., Рогов А.Е. Геотехнология урана на месторождениях Казахстана. – Алматы, 2001. –442 б.
21 Полькин С.И., Адамов Э.В. Обогащение руд цветных и редких металлов. – М.: Недра, 1975. – 480 б.
22 Левин А.И. Теоретические основы электрохимии. – М.:Металлургия, 1972. – 543 б.
23 Зефиров А.П. Термодинамические свойства неорганических веществ:Справочник.– М.: Атомиздат, 1965. – 460 б.
24 Раков Э.Г., Хаустов С.В. Процессы и аппараты производства радиоактивных и редких металлов. – М.: Металлургия, 1993. – 384 б.
25 Кедровкий О.Л. Комплексы подземного выщелачивания. – М.: Недра, 1992. – 262 б.
26 Судариков Б.Н., Раков Э.Г. Процессы и аппараты урановых производств. – М.: Машиностроение, 1969. –383 б.
27 Смирнов Ю.В., Ефремов З.И., Скороваров Д.И., Иванов Г.Ф. Гидрометаллургическая переработка ураново-рудного сырья. – М.: Атомиздат, 1979. –280 б.
28 Жиганов А.Н., Гузеев В.В., Андреев Г.Г. Технология диоксида урана для керамического ядерного топлива. – Томск, 2002. – 326 б.
29 Карапетьянц М.Х., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. – М.: Химия, 1968. – 471б.
30 Титаева Н.А. Ядерная геохимия. – М.: МГУ баспасы, 2000. –336 б.
31 Коваленко В.И., Тихонов С.А., Измоденов Ю.А. Обогащение неметаллических полезных ископаемых. – М.: Кедр, 1967. – 246 б.
32 Грабников В.А. Геотехнологические исследования при разведке металлов. – М.:Недра, 1983.
33 Андреев Г.Г., Пермяков О.Е. Химическая кинетика гетерогенных некаталитических процессов в технологии ядерного топлива. – Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2000. – б. 35–39
34 Шаталов В.В., Садыков Р.Х., Фазлуллин М.Н., Абдульманов И.Г. Ядерная энергетика: тенденции в потребностях и поставках урана: Атомная техника за рубежом. – 1997. – №10. – б. 13–18
35 Школьник В.С. Перспективы развития атомного комплекса Казахстана: Доклад на 2-ой Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы урановой промышленности. –Алматы, 10–13 июля 2002. – б. 3–6
36 Андреев И.Ю., Головин В.Ф., Литвиненко В.Г., Овсейчук В.А., Шелудченко В.Г., Филоненко В.С. Комплексная технология переработки урановых руд агитационными и перколяционными методами: Горный журнал. – 2003. – №6. – б. 45–47
37 Торежогин М.У. О некоторых особенностях использования технологии подземного выщелачивания урана на месторождениях песчаникового типа в Казахстане и США: Сборник докладов научно-практической конференции Актуальные проблемы отработки урановых месторождений методом ПВ. – Алматы, 2000. – б. 147–156
38 Зинченко В.М. Статическая модель выходной кривой подземного выщелачивания урана: Доклад на II Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы урановой промышленности. – Алматы, 2002. – б. 62–69
39 Калошин А.А., Евтеева Л.И., Забазнов В.Л., Патрин А.П., Зинченко В. М. Виды кольматации скважин при подземном скважинном выщелачивании урана и методы борьбы: Доклад на II Международной научно-практической конференции Актуальные проблемы урановой промышленности. – Алматы, 2002. –б. 38–44
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ 3
1 ӘДЕБИ ШОЛУ 5
1.1 Уран 5
1.1.1 Уран туралы тарихи мағлұмат 8
1.1.2 Уранның физика-химиялық қасиеттері 9
1.1.3 Уранның спецификалық қасиеттері 11
1.2 Уранның физико-химиялық қасиеттері және қосылыстары 12
1.3 Уранның гипергенез қабатындағы күйі 14
1.4 Уранның комлекс түзу қабілеттері 16
1.5 Уранның химиялық технологиясы 19
1.6 Уранды өндірудің жер асты шаймалау әдісі 20
1.7 Жер асты сілтісіздендіру жүйелері 21
1.8 Жер асты шаймалаудің физико-химиялық ерешелігі 22
1.9 Уранды кен жыныстарын шаймалау 25
1.10 Қышқылды шаймалаудың артықшылықтары және кемшіліктері 27
1.11 Уранды шаймалау технологиясында тотығу-тотықсыздану құбылыстары 27
1.12 Қызылқұм кен орнының геолого-гидрогеологиялық ерекшелітері 28
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ 31
2.1 Элементтік анализ 31
2.2 Статикалық жағдайда шаймалау 31
2.3 Шаймалау бойынша зертханалық тәжірибелерді орындау әдістемесі 32
2.4 Зерттелінетін кен үлгісінің гранулометриялық (түйіршікті) құрамын елеуіштік әдіспен анықтау 33
2.5 Өнімдік ерітінділерден ауыр металдар мөлшерін анықтау 33
2.6 Көміртек қостотығының, органикалық көміртектің, жалпы күкірттің, темір сульфаттары, сульфидтері мен қағынның мөлшерін анықтау 33
3 НӘТИЖЕЛЕР МЕН ТАЛДАУЛАР 35
3.1 Элементтік анализ 35
3.2 Зерттелінген сынаманың сипаттамасы 35
3.3 Зерттелінген кен үлгісінің гранулометриялық құрамы 36
3.4 Кеннің минералдық құрамы. 36
3.5 Сканерлеуші электронды микроскопия және жартылайсандық элементтік анализ 38
3.6 Зерттеу улгісін статикалық шаймалау 47
3.6.1 Күкірт қышқылды шаймалау 47
3.6.2 Карбонаттық шаймалау 47
3.7 Фильтрациялық колонналарда уранды шаймалау 49
3.7.1 Сумен шаю сатысы 50
3.7.2 Күкірт қышқылды шаймалау сатысы 51
ҚОРЫТЫНДЫ 56
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ: 58
КІРІСПЕ
Гидрометаллургияда экономикалық және экологиялық тұрғыдан бүгінгі таңда ең тиімді уран өндіру әдісі болып табылатын жер асты ұңғымалық шаймалау мемлекетімізді атомдық энергетиканың негізігі отынын өндіруден дүние жүзінде бірінші орынға шығарды. 1954-ші жылдарда негізі қаланып, аз уақыт арасында дүние жүзінде кең қолданыс тапқан бұл әдіс, негізгі бөлігі аридтік зонада орналасқан Қазақ даласында, мемлекетіміздің гидрометаллургия өндірісі үшін таптырмас құралға айналды. Уранды жер асты ұңғымалық шаймалау әдісімен өндірудің өзіндік құны таулық әдісті қолдануға қарағанда 20 - 25%-ға төмен [1]. Бұл әдістің тағы бір айта кететін артықшылығы, таулық әдісті қолдану тиімсіз болып табылатын уран мөлшері 0,01 - 0,03%-ды құрайтын кендерді өңдеуге мүмкіндік беретіндігінде. Сонымен қатар, уран өндірудің қоршаған ортаға тигізетін кері әсері әлдеқайда азаяды. Жер асты ұңғымалық шаймалау әдісін қолданған аймақтарда жердің шөгуі және қопарылуы, бос жыныстардан және балланстан шыққан кендерден тұратын үйінділер болмайды. Уран қос тотығынның 100 кг өндіру кезінде 1 кг қатты қалдықтар түзіледі, ал таулық әдісте уран қос тотығының дәл сол мөлшерін алу үшін 100 000 кг қатты қалдықтар түзіледі. Оған қоса технологиялық үрдістен шаң-тозаң бөліну көздері жойылған, соның нәтижесінде атмосфераға бөлінетін радиоактивті заттардың көлемі біршама азайтылды. Жұмысшылар мен қызметкерлерге α- , β- және γ- сәулеленушілер әсері минималданған, өйткені уран радиоактивті отбасының жалпы γ-сәулеленуінің 98%-ы қышқылдық шаймалау кезінде жер астында қалатын радий және оның ыдырау өнімдеріне тиісті. Әдістің экологиялық, эконимикалық артықшылығы және технологиялылық кемшілігінің бірі негізгі кен түзуші жыныстардың жер астында шоғырланғандығында. Тек шаймалаушы агентпен әрекеттесетін кен жыныстарын көп жағдайда толық өңдеу мүмкін емес болып жатады. Сонымен қатар, жер асты ұңғымалық шаймалау әдісін қолдану барысында кен түзуші горизонттарының өткізгіштігі, шаймалаушы агентті таңдау, тотықтырғыштың тиімділігінің төмендігі не оның бағасының қымбаттығы сияқты үнемі туындап жататын мәселелер жеткілікті. Сондықтан жер асты ұңғымалық шаймалау әдісін зерттеу өзектілігін жоғалтпай, бүгінгі күнге дейін АҚШ, Франция, Ресей, Канада сияқты уран өндіруші алпауыттар осы салада үлкен зерттеу жұмыстарын жүргізуде.
Барланған уран кеніштерінің жер асты ұңғымалық шаймалау әдісімен өндіру мүмкіндігін анықтау мақсатында зертханаларда шаймалау үрдісін модельдеу сынақтары жүзеге асырылады. Технологиялық тұрғыдан бұл сынақтарға өте үлкен көңіл бөлінеді. Өйткені бұл сынақтар нәтижесі бойынша барланған кеніштен уран өндірудің максималды мөлшерлері, шаймалаушы агент сияқты технологиялық үрдісті жүзеге асыруға қажетті негізгі параметрлер толыққанды анықталады және осы үрдісті сипаттайтын математикалық модельдерді құрастыруға мүмкіндік береді.
Жоғарыда айтылғанның барлығын тұжырымдай келе, берілген жұмыстың мақсаты уранды динамикалық шаймалау кезінде орын алатын физико-химиялық үрдістерді зерттеу болып табылды.
Белгіленген мақсатқа жету барысында келесідей міндеттер қойылды:
Тақырып бойынша басылымдық материалдармен танысу;
Зерттеу объектісі болып табылатын уран кені үлгісінің негізгі геотехнологиялық сипаттамаларын анықтау;
Уран кені үлгілерінен уранды статикалық жағдайда күкірт қышқылды және карбонаттық шаймалау;
Уранды динамикалық шаймалау кезінде орын алатын негізгі физико-химиялық үрдістерді анықтау мақсатында сүзгіштік коллонкаларында шаймалау тәжірибесін жүргізу.
Зерттеу жұмыстары барысында алынған нәтижелер Ақбастау, Инкай, Қызылқұм уран кеніштерінде жүзеге асырылып жатқан технологиялық үрдісті жетілдіруде ұсыныстар дайындау кезінде үлкен үлесін тигізуі мүмкін.
Берілген зерттеу жұмысы Дүние жүзілік банктің Практическое применение изотопных соотношений природных радионуклидов в гидрометаллургии урана и радиоэкологии халықаралық ғылыми жобасы шебінде жасалған.
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Уран
Уран табиғатта үш изотоптың 238U, 235U және 234U қоспасы ретінде таралған. Табиғи радионуклидтердің табиғатта таралуы жайлы мәліметтер бірнеше жұмыстарда келтірілген. Солардың ішіндегі сенімдісі келесі кестеде көрсетілген Холденнің мәліметтері болып табылады [46].
Кесте 1 - Уранның табиғи изотоптарының таралуы және ядролық қасиеті [46]
Изотоптың массалық саны
Таралуы, %
Жартылай ыдырау периоды,
Лет
Ыдырау типі
Негізгі сәулелену энергиясы, МэВ
1
2
3
4
5
234
0,005+-0,001
2,45·105
2·1016
Α
СД
4,777 (72 %)
4,723 (28 %)
235
0,720+-0,001
7,037·108
3,5·1017
Α
СД
4,397 (57 %)
4,367 (18 %)
238
99,275+-0,002
4,468·109
8,19·1015
Α
СД
4,196 (77 %)
4,149 (23 %)
Бірақ, айта кететін жағдай, табиғи қосылыстардағы уран изотоптарының қатынасы өзгеруі мүмкін (абсолютті шамадан +-0,1 % арасында). 234U изотобы 238U изотобының радиоактивті ыдырауы кезінде пайда болатындықтан бұл екі изотоп бір-бірімен тығыз байланысты.
Уран табиғатта екі түрлі тотығу дәрежесінде кездеседі: +4 ([Rn]f2) және +6 ([Rn]f0). Зертханалық жағдайда тұрақтылығы әлсіз U(III) және U(V) валентті қосылыстары алынған.
Уран (IV) өзінің қосылыстарында иттрийлі ауыр лантаноидтар тобы мен Th (IV), Y (III) химиялық қасиетіне жақын U4+ ионы формасында болады. Химиялық тұрғыдан қарағанда U4+ ионы әлсіз негіз болып табылады. Ол тек күшті қышқылды ерітінділерде кездеседі және ерітіндінің қышқылдығы төмендеген кезде U(OH)4 түзе отырып гидролизденеді. U(OH)4 гидроксиді суда аз ериді, бірақ қышқылдарда күшті ериді. UO2 диоксиді іс-жүзінде 3000С-қа дейін сумен әрекеттеспейді, Тұз қышқылында (HCl) ерімейді, бірақ азот қышқылында (HNO3) және қышқылдар қоспасында жақсы ериді. U(IV) қосылыстарының ішінде UCl4 пен U(SO4)2 басқалардан қарағанда суда жақсы ериді. Осының себебінен U(IV) күштіқышқылды сульфатты, хлоридті және нитратты ерітінділерге тұрақты болады. U(IV) силикаттары күштіқышқылды ортада ерігіш болады.
U(IV) 8 координациялық санымен комплексті қосылыстар түзуге бейім келеді. U4+-тің карбонатты, сульфитті, оксалатты және де басқа комплекстері бар. Уранның комплексті қосылыстары қатарының тұрақтылық константалары келесі кестеде көрсетілген.
Уран буының атом спектрін зерттеуде оның негізгі жағдайының электронды құрылысы 5f36d7s2 екені анықталынды. Бұл мәлімет оның ауыр актиноидты элементтер тобына жатанын растайды. Уранның химиялық қаситеінің қиындығы оның энергетикалық деңгейлерінің (5а және 6d деңгейшелерінің) тым жақындығында.
Кесте 2 - Уранның комплексті қосылыстарының тұрақтылық константала- ры [46]
Реакция
К
1
2
0,12
1,20
1,14
1,50
1,50
3,3·10[2]
7,4·10[3]
10[6]
10[8]
5·10[17]
Уран (VI) - ауаның еркін қатысында ең тұрақты тотығу дәрежесіне ие болатын уран. U6+ секілді ірі катион үшін оның алты валенттігі жоғары болып табылады. Ол энергетикалық тұрақсыз және сулы ерітіндіде көзді ашып-жұмғанша гидролизденіп, уранил UO22+ екі валентті катионын түзеді. Уранилді топ UO22+ - орталық атомнан тұратын және оған диаметральді қарама-қарсы екі оттегі атомынан құралған компактті сызықты қосылыс болып табылады. Мұндай қосылыстың максималды ұзындығы 6,84 Å, ал минималды ұзындығы - 6,04 Å, қалыңдығы - 2,64 Å. UO22+ -нің орташа иондық радиусы жуық шамамен 3,22 Å -ге тең және табиғатта тараған көптеген катиондардың біразының радиустарынан едәуір жоғары. Осыған байланысты UO22+ химиялық қосылыстарда изоморфты түрде басқа катиондарды өзіне қосып алып табиғатта өзінің жеке минералдарын түзеді (уранитит, настуран және т.б.).
U(VI) қосылыстары салыстырмалы түрде сулы ерітінділерде ерігіш және тұрақты болып келеді. Ең ерігіштерінің бірі уранил нитраты болып табылады. Суда жақсы ерігіштері уранил сульфаты мен оксигалогениді болып табылады. UF6 мен UCl6 ұшқыш болып келеді, бірақ су буының қатысында оңай гидролизденіп, оксигалогенидке айналады.
Органикалық қышқылдарда уранның көптеген тұздары ерігіш болып келеді. U(VI) - ның маңызды қиын еритін қосылыстары фосфаттар, арсенаттар және ванадаттар болып табылады.
U(VI) геохимияда маңызды рөл ойнайтын комплексті қосылыстар түзуге бейім келеді. Комплекстүзгіштік қабілеті мен түзілген комплекстің беріктігі туралы мәліметтерді төмендегі кестеден көруге болады.
Кесте 3 - [UO2]2+ уранил-ионының бейорганикалық лигандтты комлекс -терінің тұрақтылық константалары (250С) [32]
Реакция
К
1
2
Комплекске түспейді
0,24
0,88
6,40
76,00
7,1·10[2]
2,2·10[6]
3,5·10[4]
2,9·10[10]
6,5·10[11]
8,3·10[12]
2·10[18]
Табиғи жағдайларда карбонатты, сульфатты, фторидті, фосфатты және гидроксокомплексті комплексті қосылыстар маңызды мағынаға ие. Уранил ионымен комплекстүзу күшіне байланысты аниондар келесі кезекпен орналасқан:
бірзарядты: F- NO3- Cl- ClO4- ;
екізарядты: CO32- C2O42- SO42- .
Уранил аквагидрокомплекстері акватоптардың уранил акваионына [UO2(H2O)6]2+ сатылы түрде енуі нәтижесінде қалыптасады және [UO2(OH)n(H2O)6n]2-n күйіндегі формада болады. Мұндағы n-нің мәні 0-ден 6-ға дейін өзгереді.
Карбонатты комплекстердің ішінде сулы ерітіндіде тек [UO2(CO3)3]4- және [UO2(CO3)2(H2O)2]2- комплекстері ғана тұрақты болады. Біріншісі ерітіндіде CO32- иондары артық мөлшерде болғанда кездеседі, ерітіндіні сұйылтқан кезде екінші түріне өтеді.
Келесі саты суда әлсіз еритін уранил карбонатының UO2CO3 түзілу сатысы болып табылады (3-сурет).
Уранилдің фторидті комплекстері тек фтордың жоғары концентрациялары шоғырланған орталарда түзіледі. Уранилдің сульфатты комплексті қосылыстары құрылысы бойынша карбонаттыға ұқсас болып келеді, бірақ беріктігі бойынша тек қана карбонаттыдан ғана емес, сонымен қоса фторидті комплекстерден де кейін қалады.
Сурет 1 - 250С кезіндегі lg ∑CO2 координатындағы әртүрлі уранил иондарының аудандарының қатынасы
1.1.1 Уран туралы тарихи мағлұмат
1789 жылы Клапрот "смола кені" деген атпен белгілі ауыр қара кеннен жаңа элементті - уранды ашты, уран деген ат сол кезде жаңадан ашылған уран планетасының құрметіне қойылған.
Клапроттан кейін уранмен басқа да зерттеушілер айналысқан, бірақ ешкім таза металдық уран ала алмады. Тек 1891 жылы Пелиго уран хлоридін металдық натрий немесе калиймен тотықсыздандыру арқылы металдық уран алған.
ХІХ ғасырдың алғашқы жартысында уранның қасиеттері толығымен зерттелді, уранның тұздары шыны, фарфор және эмаль бояуларында өте жақсы сары түсті бояғыш екені анықталды.
1896 жылы Беккерель смолалық кенде радиоактивтілікті ашты. Осы уақыттан бастап уранның минералдарына назар көп бөлінді.
Содан соң Мария Склодовская-Кюри және Пьер Кюри смола кенінен радийды ашты. Уран тұздарын өндіруде өзгеріс болды: бұрын зауыт жұмысының басты мақсаты уран тұздарын өндіру болса, ендігі мақсат радийды өндіру болды, ал уран қосымша өнім ретінде алына бастады.
Радий әрқашан тек уранмен ғана кездеседі, кейде тек табиғи сулар құрамында радий жоғары концентрацияда урансыз кездеседі.
1 г радий өндіру үшін жуық шамамен 4 т таза уран смола кенін өңдеу керек. 1896 жылдан бастап уранның өзіне көңіл бөлінбей, радийға көңіл аударыла бастады.
1939 жылы уран ядросы ыдырау кезінде көп мөлшерде энергия бөлінетіні анықталды. Осыдан бастап атом энергиясының көзі ретінде уранға деген назар арта бастады.
1.1.2 Уранның физика-химиялық қасиеттері
Уранның кейбір қасиеттері басқа металдармен салыстырғанда , уранның ІІІ топ элементтерімен ұқсас екені анықталды.
12 - кестеде ІІІ топтың ұқсас металдары ретінде молибден, вольфрам, уран және алюминийдің кейбір қасиеттері келтірілген. Ең алдымен вольфрам уранға қарай ауысқанда, тығыздығы мен балқу температурасының төмендеуіне көңіл аударылды, онда әдеттегідей төменгі аналогтан жоғарыға бұл қасиеттері өседі.
Кесте 4 - Молибден, вольфрам, уран және алюминийдің қасиеттері
Қасиеттері
Мо
W
U
Al
1
2
3
4
5
Тығыздығы,гсм3
10,2
19,3
18,7
2,7
Балқу темпер.оС
2625+-50
3410+-20
1133+-2
659
Қалыпты потенциал, В
0,127В
0,127В
-1,4
-1,3
Суға қатынасы
Тұрақты
Тұрақты
Суда аздап ериді
Суда аздап ериді
Сұйыт. HCl және H2SO4-ке қатынасы
Әрекеттес-
Пейді
Әрекеттеспейді
Ериді
Оңай ериді
Сұйыт.HNO3-ке қатынасы
Әрекеттес-
Пейді
Әрекеттеспейді
Енжарланады
Енжарланады
Ауа қабатында тотығуы
Тұрақты
Тұрақты
Оксидтің қабықшасымен қапталады
Оксидтің қабықшасымен қапталады
Карбид:түсі қасиеттері
Қара, ыдырамай-
Ды
Қара, ыдырамайды
Сары, сумен ыдырап СН3, СН2СН2 бөледі
Анық жасыл, сумен ыдырап СН3 бөледі
Сулфоқышқыл-
дар түзуі
Түзеді
Түзеді
Жоқ
Жоқ
Куркумамен реакциялары
Жоқ
Жоқ
Түзеді
Түзеді
Табиғи қосылыстардың (минералдардың) сипаттамасы
Молибдат-
Тар
Вольфрамат-
Тар
Оксидтер, күрделі минерал, слюда сияқты
Оксидтер, күрделі силикаттар, сулфат
Жоғары оксидтің сипаттамасы
Қышқылды
Қышқылды
Амфотерлі
Амфотерлі
1947 жылдан бастап шығатын барлық химиялық анықтамаларда және периодтық жүйенің кестелерінде уран VІ топ элементі ретінде, яғни хром, молибден және вольфрам аналогы ретінде қаралды.
12 - кестедегіден басқа қасиеттерінде біріншіден молибден мен вольфрамның арасында, екіншіден уран мен алюминий арасында толық ұқсастық байқалады. Басқа жағынан вольфрам мен уран қасиеттерінде ұқсастық жоқ. Бұл жағдай уранның VІ топқа емес, ІІІ топқа жататынын дәлелдейді.
Уран, плутоний, нептуний америцийге жоғары валенттілік - алты тән. Уранның реттік нөмірі 92, атомдық салмағы - 238,07, табиғи уран үш изотоптан тұрады: 99,28 % U238; 0,7 % U235; 0,006 % U234. Уранның изотопы U235 бөліну қасиетіне ие, сондықтан атомдық техникада маңызы зор. Уранның табиғи изотоптары - α - шағылдырушылар жартылай ыдырау периодымен өте жоғары шамалармен өлшенеді: 4,5 ∙ 109 жыл U238, 7,13 ∙ 108 жыл U235 және 2,48 ∙ 105 жыл U234 үшін. Жасанды түрде массалық салмағы 227-ден 240-қа дейін изотоптар алынған, өмір сүру мерзімдері әр түрлі, жартылай ыдырау периоды - 1,3 мин. тең.
Уранның тығыздығы 18,7 гсм3-қа тең. Балқу және қайнау температурасы: tб = 1105-1850 оС-ға дейін ауытқиды. Бірақ 1150оС температураны жоғарыланған деп есептеп, 1133оС - дағы температураны дұрыс деп алады. Қайнау температурасы 3500оС; жаңа берілген мәліметтер бойынша - 3927оС. С.Сиборг және Кац бірнеше төмен шамаларды келтіреді - 3818оС.
Электрөткізгіштігі 2-4 ∙ 104 см-ге тең.
Уран - жұмсақ ақ-сұр металл, механикалық өңдеуге жақсы беріледі. Уранның үш кристалдық модификациясы белгілі: α - модификация ромбалы торлы, бөлме температурасында және 668оС-қа дейінгі температурада өмір сүреді, β - модификация тетрагональды торлы, 668-774оС аралығында болады және γ - модификация көлемді центрлі торлы, 774оС-тан жоғарыда металл балқығанша өмір сүреді. Пластикалық қасиетке α және γ - модификациясы ұшырайды.
Таза уранның қаттылығы мен беріктігі жоғары емес, сондықтан оның механикалық қасиетін жақсарту үшін басқа металдармен құйма түзуге көп жұмыстар жүргізілген.
Уран металл күйінде өте реакцияға түскіш. Компактты металл ауада оңай тотығады да, алдымен алтын түстес қабықпен, сосын қара түспен қапталады, ал ұнтақ уран немесе оның ұсақ жұқа таяқшасы ауада, әсіресе, механикалық әсер еткенде оңай тотықсызданады.
Уран тікелей сутекпен, көміртекпен, азотпен, фосформен, күкіртпен, галогендермен және азот оксидтерімен әрекеттеседі.
Компактты уран суықта ақырын, ал қыздырғанда суды тез ыдыратады, мына реакция жүреді:
U + 2H2O -- UO2 + 2H2 (1)
Түзілген сутек реакцияға әлі түспеген уранмен әрекеттесіп, оны серпімді гидридке айналдырады, содан металл өте тез бұзылады.
Сулы бу уранмен дәл солай әрекеттеседі, ал 150-250оС температурада әсіресе жылдам, уран оксиді және гидриді түзіледі:
7U + 6H2Oгаз -- 3UO2 + 4UH3 (2)
Сиборг және Кац бұл реакцияны уранның оттегіде жануынан жылдамырақ өтеді деп көрсеткен.
Уран қышқылдарға қатысты қызықты және практикалық маңызы зор. Тұз қышқылы уранды тез ерітеді, сұйытылған тұз қышқылында 100оС-да салмағы 10 г уран үлесі 1 сағатта ериді. Күкірт қышқылы уранмен мүлде әрекеттеспейді. Азот қышқылы уранды толық ерітеді.
1.1.3 Уранның спецификалық қасиеттері
Уранның ерекше қасиетінің бірі, оның өте үлкен энергия мөлшерін бөлетін ядроларды бөлуге бейімділігі, бұл қасиеті тек нейтрондар ашылғаннан кейінгі, яғни 1930-1932 жылдарда белгілі болды. Нейтрон салмағы бойынша протон салмағына тең, бірақ заряды жоқ бөлшек. Сондықтан нейтрондар бөлшекке бөлінбейді, заряд таситын бөлшектерге бөлінбейді және ядро атомына ене алады, сондықтан "снарядтың" өте күшті түрі ядролық реакцияларда қолданылатын, яғни, атомдағы ядролар өзгеруімен байланысты реакциялар.
Ядролық реакция сипаты нейтрон жылдамдығына тәуелді: нейтрондармен реакциының осы немесе басқа түрімен барлық элемент (гелийден басқа, гелийдің ядросы өте тұрақты) ядролары әрекеттеседі. 1933 жылы нейтрондар ядромен қапталатыны анықталды. Мұнда ядро өзгеруі келесі сызбанұсқа бойынша өзгеріске ұшырайды:
Xzm + n -- Xzm+1 + γ сәуле (изотоп)
(3)
Xzm+1 -- X[m]+1 z+1 + электрон (жаңа элемент)
(4)
(1) сызбанұсқа бойынша бастапқы элемент изотопының түзілуі өтеді. Осы изотоптың ядро салмағы бастапқы ядро салмағынан бір шамаға үлкен. Егер ядроның осы күйі тұрақсыз болса, онда β-ыдырау өтеді, нәтижесінде нейтрон келесі сызбанұсқалық ауысуға ұшырайды:
n = p + e -
(5)
Бұл жағдайда электрон бөлінеді (немесе β-бөлшек) және заряд түзілген протон нәтижесінде жоғарылайды. (2) сызбанұсқада көрсетілген процесс өтуі және жаңа элемент түзілуіне әкеліп соқтырады. Нейтрондардың "тартып алуын" ашылу заряды 92-ден жоғары, яғни "трансуран" немесе "зауран" элементтерін алуға мүмкіншілік береді. Уранды нейтрондармен "бомбалауда" жаңа элементтер емес, периодтық жүйенің ортасындағы жақсы белгілі элементтер - барий, стронций, лантан және т.б. сонымен қатар инертті газдар табылды.
1938 жылы уран шынында да бөлініп, периодтық жүйенің ортаңғы бөлігіндегі элементтерін беретіні диагональдық ұқсастықпен дәлелденді. Бұл бөлшектердін салмағы уранның салмағынан аз және реакция өте көп энергия мөлшері бөлінуімен жүреді. Есептеулер бойынша, 1 гр көмір атомы жануымен салыстырғанда 1 гр уран атомы бөлінгенде 50 млн. есе көп энергия бөлінеді.
1941 жылы алғаш рет төменде жазылған элементтердің микромөлшері алынды. Уранды атқылау арқылы жаңа элемент түзілуі тек уранның көбірек таралған, қарапайым изотобы мен атом салмағы 238 болған нейтронмен жоғарыдағы (2) сызбанұсқа бойынша анықталады.
Уранның басқа изотобы атомдық салмағы 235, уранның құрамында тек 0,7% нейтрондар әсерінен энергияны көп мөлшерде бөле отырып бөлінеді. Осындай бөлінуге зауран элементінің 94 ядросы да ұшырайды, плутоний (Рu) деп аталады.
1.2 Уранның физико-химиялық қасиеттері және қосылыстары
Уран -- өте ауыр, сұр-ақ жылтыр металл. Таза күйінде ол болаттан жұмсағырақ, төзімді иілгіш және парамагниттік қасиетке ие [8,17]. Уранның 3 аллотропты түрі бар: α-уран (призма тәрізді, 667,7 °C-қа дейін тұрақты), β-уран (құрылымы төртбұрышты, 667,7 °C - 774,8 °C аралығында тұрақты), γ-уран (көлемдік ортаға келтірілген кубтық құрылымды, 774,8 °C-тан балқу нүктесіне дейін тұрақты) [1,3,7,8].
Химиялық қасиеттері:
Уран +2 және +6 аралығында тотығу дәрежелерін көрсете алады [1].
Кесте 5 - Уранның тотығу дәрежесіне сай оксидтері мен гидроксидтерінің қасиеттері
Тотығу дәрежесі
Оксиді
Гидроксиді
Қасиеті
Түрі
Ескерту
+3
Болмайды
-
-
U[3+], UH3
Күшті тотықсыздандырғыш
+4
UO2
Болмайды
Негіздік
UO2, галогенидтері
Суда және ауада тұрақты
+5
Болмайды
Болмайды
-
Галогенидтері
Суда диспропорцияланып кетеді
+6
UO3
UO2(OH)2
Амфотерлі
UO22+ (уранил)
UO42- (уранат)
U2O72- (диуранат)
Суда және ауада тұрақты
Одан басқа U3O8 оксиді бар. Мұнда тотығу дәрежесі уран (V) және (VI) оксидтерінің қоспасынан құралған [8, 20].
Тотығу дәрежелерінің және қосылыстарының түрлеріне қарай уран химиялық қасиеті жағынан VI B топшасының элементтеріне ұқсас болып келеді (хромға, молибденге, вольфрамға) [4].
Химиялық уран активті, ауада тотығады және түсті оксид қабықшамен қапталады [7,8,14]. Уранның басқа бейметалдармен реакциясы төменгі кестеде көрсетілген.
Уран сумен төмен температураларда да әрекеттесіп:
U + 2H2O = UO2 + 2H2 (6)
уран диоксиді түзіледі.
Тотықтырмайтын қышқылдарда уран еріп, UO2 немесе U4+ тұздарын береді (сутекті бөліп шығады). Тотықтырғыш қышқылдарда (азот және күкірт қышқылдарында) уран уранил UO22+ тұздарын түзеді.
Уран сілтілермен әрекеттеспейді [14].
Кесте 6 - Уранның кейбір бейметалдармен реакциясы
Бейметалл
Шарттары(жағдайы)
Өнімдер
F2
20[o]C, қызулы
UF6
Cl2
180[o]C (ұсақталған уранға)
500 -- 600[o]C (кесек уран)
UCl4, UCl5, UCl6 қоспасы
Br2
650[o]C, бірқалыпты
UBr4
I2
350[o]C, бірқалыпты
UI3, UI4
S
250-300[o]C бірқалыпты
500[o]C жанады
US2, U2S3
Se
250-300[o]C бірқалыпты
500[o]C жанады
USe2, U2Se3
N2
450-700[o]C азот қысымында жанады
1300[o]
UN1.75
UN2
UN
P
600-1000[o]C
U3P4
C
800-1200[o]C
UC, UC2
1.3 Уранның гипергенез қабатындағы күйі
Уранның 2, 3, 4, 5, 6-валенттілік күйлері белгілі, бірақ гипергенез қабатында, яғни жер қыртысының жоғарғы бөлігінде, уран тек 4 және 6 валенттік күйде болады, дегенмен 5 валентті күйінің болуы да мүмкін [1, 4, 6, 7, 14].
Гипергенез қабатында уран металдық таза күйінде кездеспейді, себебі, уран күшті тотықсыздандырғыштық қасиетке ие, мысалы, қышқылдық ортада U0U3+ тотығу-тотықсыздану потенциялы +1,8В, сондықтан оңай тотығады [1, 14].
Күшті қышқылды орта уранды тотықтыратын протон болып табылады [4]:
(7)
Әлсіз қышқылдық, сілтілік және бейтарап орталарда уранды тіпті су тотықтырады. Әлсіз қышқылдық ортада әрекеттесу төменгідей [1]:
(8)
Сілтілік ортада:
(9)
Бейтарап ортада баяу болса да уранды 4-валенттіге дейін тотықтырады:
(10)
Еківалентті уранның тұрақсыздығы соншалық сулы ерітінділерде мүлдем байқалмаған. Жер қыртысында металдар әдетте жер асты суларымен тасымалданатындықтан, гипергенез қабатында уранның еківалентті түрі болмайды. Үшвалентті уран да химиялық тұрақсыздық қасиетімен сипатталады [4, 14]:
Қышқыл ортада уран (III) иондары жылдам бірнеше минутта ауадағы оттекмен тотығады [4]:
(11)
Оттек болмаған жағдайда әлсіз қышқыл және әлсіз сілтілік ортада сумен тотығады [7].
Әлсіз қышқыл ортада:
(12)
Әлсіз сілтілік ортада:
(13)
Бұл реакциялар уран (ІІІ) иондарының U3+ гипергенез қабатында бола алмайтындығын көрсетеді.
Бес валентті уран сулы ерітінділерде химиялық тұрақтылығы төмендеу, көбіне диспропорцияланады [1, 7].
Уран (V) иондары ерітінділерде UO2+ катион түрінде кездеседі. Бұл катион рН=2-4 аралығында тұрақты болып келеді. Ерітінділерде тұрақсыз болуы төмендегі сызбада көрсетілгендей диспропорциялану реакциясымен түсіндіріледі [1, 7]:
(14)
(15)
(16)
Ерітіндінің иондық күшінің артуы уранның(V) диспропорциялану реакциясының жылдамдауына әкелетіні анықтылған [6].
Төрт валентті уран жоғарыда аталған валентті түрлеріне қарағанда химиялық тұрақты, және жер қыртысында төртвалентті күйінде бірқатар минералдар түзеді [1, 4]. Олар көбіне біріншілік минералдар және олардың ішінде маңызды орынға ие уранинит - UO2. Оған қоса төртвалентті уран түрлі оксидтер қосылыстары түрінде ((U,Th)O2, настуран-U3O8, карнотит-K2O*UO3*U2O5*3H2O, тюямунит-CaO*2UO3*U2O5*8H2O) күрделі танталдардың (Пирохлор-микролит-(Na,Ca,U)2(Ta,Nb ,Ti)2O6(O,OH,F)), ниобаттардың (Эвксенит-поликраз-(Y,U,Са,Th,Се)(N b,Та,Ti)2O6), сирек кездесетін металдардың фосфаттарының құрамында (Тюямунит-Ca(UO2)2(VO4)2.nН2О, n = 4-10), сирек металдарды изоморфты ауыстырады (орнын басады), кездеседі [1, 4, 6, 7].
Уран (IV) минералдары төмен ерігіштік қасиетке ие және табиғи жағдайларда желмен тозаңдалып ұшпайды. Ауада уран диоксиді UO2 біртіндеп уран триоксидіне UO3 дейін тотығады [4].
Уран (IV) иондары U+4 сулы ерітінділерде тұрақсыз, оңай U+6 дейін тотығады, . Табиғи жағдайларда тотықтырғыштар қатысынсыз, тек күшті қышқылды сульфатты және хлоридті орталарда тұрақты [14].
Мысалы, қышқыл ортада Fe3+ тотықтырғышы қатысында U(IV) оңай тотығады [14]:
(17)
Сол сияқты ауадағы оттек те төртвалентті уранды тотықтырады. Мұнда тотықтыру жылдамдығы айтарлықтай ортаның қышқылдығына тәуелді, себебі протонның немесе гидроксил иондарының босауымен қоса жүреді:
(18)
(19)
Әлсіз қышқыл ортада күшті қышқыл ортаға қарағанда тотығу жылдамдығы жоғары. Әлсіз қышқыл және бейтарап ортада тотығу жылдамдығының артуы уран(IV) ионының U4+ оттек құрамдас UO22+-ке, уранил ионына, дейін гидролизденбеген U4+-ке қарағанда оңай тотығатын оттек құрамдас гидролизденген U(OH)3+ ұқсас және басқа да формаларының түзілуімен түсіндіріледі [4].
Уранның алтывалентті күйінің ерітінділерде тұрақтылығы жоғары. Тек кейбір тотықсыздандырғыщтар ғана уранды(VI) тотықсыздандыра алады. Мұндай тұрақтылық барлық қосылыстардың құрамында уран(VI) уранил-ион UO22+ түрінде болуымен түсіндіріледі. Уранил ионы қосылыс құрамына толығымен кіреді және қалыпты жағдайларда өтетін әрекеттесулерде жоғары химиялық тұрақтылық қасиетімен ерекшеленеді. Бұл уран мен оттек арасында ковалентті байланыс түзіп болғасын 6d және 5f-орбиталарының бір бөлігі бос қалады, нәтижесінде қосымша оттектің екі жұптаспаған электрон жұптарының уранның бос орбиталарымен әрекеттесуі жүреді, яғни қосымша еселі байланыстар түзіледі [1].
.. ..
: O = U = O :
. . . .
(20)
Табиғи жағдайдарда уранил табиғи сулардың құрамындағы тотықтырғыштардың немесе оттектің әсерінен уран(IV) қосылыстарының тотығуы нәтижесінде түзіледі [1, 4, 14].
Уранил ірі катиондар қатарына жатады, сондықтан табиғи суларда уранил-ионының өте аз мөлшерінде де оларды тұндырғанда өздігінен уранилдің минералдары түзіледі.
Сулы ерітінділерде уранил-ион формасындағы уран(VI) амфотерлі қасиетке ие. рН2,5 кезінде UO22+ тобы гидролизге ұшырамайды және ерітіндіде күшті комплекс түзуші лигандтар болмағанда еркін немесе комплекс түрінде бола алады [14].
1.4 Уранның комлекс түзу қабілеттері
Уран актиноидтар тобына жатады және химиялық өте активті қасиетке ие. Электрондық конфинурациясы:
U92 -1S22S22p63S23p63d104S24p64d104f145 S2 5p6 5d10 5f36S2 6p66d17s2
Химиялық байланыстарда уранның 5f, 6d және 7s энергетикалық дейгелері қатысады, сонымен қатар 5f және 6d энергетикалық деңгейлерінің электрондары өте жақын. Осыдан уранның тотығу-тотықсыздану реакцияларының түрлілігі және жоғары комплекс түзу қасиеті түсіндіріледі [6, 14].
Күшті қышқылды сульфаты және хлоридті ерітінділерде төртвалентті уранның тұрақтылығы SO42- және Cl- иондарымен уран ионын (U4+) тұрақтандыратын комплекс түзу құбылысымен түсіндіріледі [1, 13, 14].
Сульфатты комплекс үшін ішкі сферасының тұрақтылығы төмендеу қасиетке тән, оған ерітіндінің минералды құрамы, сульфат иондарының артық немесе жетіспеушілігі, температура және т.б. едәуір ықпал етеді. Концентрлі сульфат иондары бар ерітінділерде анионды комплекстер түзіледі [13, 14]:
Сұйытылған ерітінділерде су молекулалары өте көп мөлшерде болғандықтан сульфат топтарын ығыстырып, аква-сульфатты анионды және бейтарап комплекстер түзеді.
(21)
Сульфат тобының ығысуы ары қарай жалғасып соңында аква-комплекс түзілуімен аяқталады:
Төртвалентті уран сулы ерітінділерде ерітіндіге қышқыл реакция бере отырып күшті гидролизденеді. Гидролиз төмендегідей өтеді [6, 13, 14]:
(22)
Соңына дейін гидролизденсе уран(IV) гидроксиді U(OH)4 түзіледі [14].
Әлсіз сілтілік ортада карбонат иондары қатысында уран (IV) карбонатты комплекс түзеді. Уран (IV) қосылыстарына концентрлі немесе артық сілтілік металдардың, аммонийдің карбонат иондары бар ерітінділерде жоғары ерігіштік тән. Карбонаты ерітінділерде төртвалентті уранның тотығуы сульфатты ерітінділерге қарағанда жылдамырақ. Карбонатты ерітінділердің жоғарғы рН мәнінде, сұйытылғанда, сілтілендіргенде және қышқылдандырғанда үдейтін төртвалентті уранның гидролизденуіне алып келеді.
Күкірт қышқылы ерітіндісінде рН2,5 кезінде уран(VI) уранил-ион түрінде, мұнда сульфат тобы диссоцирленген:
(23)
Егер сульфат иондары артық мөлшерде болса, онда уранил сульфат комплекстері түзіледі:
(24)
рН2,5 кезінде уранил ионының әрекеті өте күрделі, себебі бұл рН аралығында уранил-ион гидролизденеді. Гидролиз реакциялары күрделі және рН-қа, ерітіндінің минералды құрамына, комплекс түзуші лигандтардың болуына және ерітіндідегі уранил ионының концентрациясына тәуелді. Төмендегідей сызба бойынша деп болжайды:
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
(30)
(31)
(32)
(33)
Гидролиз реакциясының соңғы сатысы уранил гидроксидінің UO2(OH)2 түзілуімен және оның тұнбаға түсуімен аяқталады. Ерітіндідегі уранил ионының концентрациясына тәуелді уранил гидроксиді тұна бастауы рН 4-7 аралығында жатыр.
Комплекс түзуші лигандтар қатысында күрделі аква-гидроксокомплекстер түзіледі, мысалы сульфат иондары болғанда:
(34)
Бейтарап, әлсіз сілтілік карбонатты ерітінділерде уран(VI) карбонаты комплекс күйінде болады. рН9,5 кезінде уранил мен карбонат комплексіне қатынасы 1:3-тен кем, уранил карбонаттары уранил гидроксидін түзе отырып гидролизденеді. Карбонат немесе бикарбонат иондарының артық мөлшерінде уранил карбонат комплекстері өте тұрақты.
Уранил иондарының, карбонат иондарының концентрацияларына, ерітіндінің рН-на тәуелді күрделі уранилдің аква-карбонаттары түзіледі:
және тағы басқалары.
1.5 Уранның химиялық технологиясы
Химиялық технология - шикізатты өнімге және өндіріс құралдарына айналдыруда шикізатты тиімді өңдеудің химиялық процестері және үнемді әдістері жайлы ғылым. Бұл бастапқы заттардың құрамының, құрылысының және қасиетінің өзгерісіне алып келетін, химиялық әрекеттесу нәтижесінде жүзеге асатын процестерге негізделген [6].
Химиялық технология өнімнің үлкен көлемін техникалық орынды және экономикалық тиімді әдістермен өндірілуін зерттейді. Химиялық технологияның міндетіне өндірістік процесттердің және қосымша операциялардың физико-химиялық шарттарын зерттеу, технологиялық процесттердің сызба-нұсқасын құру, аппараттардың және қондырғылардың принципиалды құрылысын анықтау және оларды дайындауғы материалдарды таңдау кіреді [1,2,6].
Кен жыныстарын өңдегенде пирометаллургиялық және гидрометаллургиялық процестерді қолданады. Маңызды рольге гидрометаллургиялық әдістер ие [1, 29].
Гидрометаллургиялық процестеріне кен жынысынан, концентраттарынан, өндірістік жартылай өнімдерінен және қалдықтарынан химиялық реагенттердің сулы ерітінділерімен шаймалау арқылы металды өндіру және алынған ерітіндіден металды немесе қосылыстарын бөлу жұмыстары кіреді [1, 6, 29].
Уранның экономикалық тиімді жағдайда алынуы оңай мәселе емес. Концентрлеудің физикалық әдістері (флотация, гравитациялық, электромагниттік және т.б.) уранға қатысты шектеулі ауқымда қолданады. Уранның өндірілуі үшін кен жынысының кең көлемді өңделуі қажет. Осыған орай, уранның өндірілуі сулы гидрометаллургия процестеріне негізделген [1, 6].
Уранды кен жынысының өңделуі келесідей негізгі сатылардан тұрады [1,6,10]:
1. Кен жынысының өндірілуі.
2. Кен жынысын шаймалау шаймалауға дайындау:
1) бағалы минералдарды алу мақсатында кен материалын механикалық өңдеу (үгіту, ұнтақтау);
2) уранға кедей кен жыныстарын гравитациялық, радиометриялық сорттау, флотация және электромагниттік бөлу әдістері арқылы байыту;
3) қиын еритін минералдарды оңай еритін минералдарға ауыстыру үшін кен құрамын өзгерту; мұндай операциялар кен материалын айыру деп аталады. [11, 12]
3. Шаймалау.
Бұл жағдайда кен жынысының дайындық операцияларынан кейін кеннен уранды ерітіндіге өткізеді.
4. Қатты және сұйық фазаларды бөлу.
Бұл сатыда шаймалау нәтижесінде алынған өнімді ерітіндіден қатты фазаны жуу немесе фильтрация операциялары арқылы жүзеге асырады.
5. Уранды шаймалауда алынған ерітінділерден немесе пульпадан уранды бөліп алу. Химиялық тұндыру, ионалмасу құбылыстары, экстракция.
6. Уран қосылыстарының аффинажы (тазалау).
7. Уран оксидтерін алу.
8. Уран тетрафторидін алу.
9. Уран гексафторидін алу.
10. Уранды металл түрінде алу.
Уранды өндірудің жолдары: таулы, ашық таулы, шахталы, жер асты ұңғыма шаймалау және кешенді әдістердің (ашық таулы және шахталы әдістер) барлығы белгілі қондырғылардың, аппаратуралардың құрылуын талап етеді. Солардың ішінде экономикалық тиімді, жасалу және іске асу жолы оңай қол жетімді - жер асты ұңғыма шаймалау әдісі болып табылады [2, 3,10].
1.6 Уранды өндірудің жер асты шаймалау әдісі
Жер асты шаймалау - дамушы әдіс, қазіргі таңда уранды өндіруде кеңінен қолданылады. Бұл әдіс аз уақыт ішінде барлық зерттеу сатыларынан, өңдеуден және жер қыртысының депрессионды ауданында жататын, кен жынысының дауыдалуы және уранның алынуы ұңғыма арқылы жүлгізілетін, өтімді қалдық жыныстары болатын гидрогенді кен орындарында өндірістік енгізуден өтіп үлгерді [1, 2, 3, 6].
Жер асты шаймалау кезінде жер қойнауы арқылы еріткіштің айдауы, еріген уранның ионалмастырғыш смолалар көмегімен алынуы жүргізіледі [11]. Негізінде бұл үрдіс кез-келген кен орнында жүзеге асырыла алады. Жалғыз маңызды талап құрамына уран минералдары кіретін кеннің жоғары өтімділігінің болуы. Бұл өтімділік табиғи немесе жасанды жолмен кен жынысының мәжбүрлі үгітуі немесе қопарсытуы арқылы жасалады. Сөзсіз, табиғи өтімділіктің болуы процестің үнемділігін арттырады. Сонымен бірге қарапайым таулы әдістерде пайдалануы мүмкін емес уранға кедей кен орындары да жоғары тиімді болуы мүмкін [2].
Cілтісіздендіру - бұл ерітіндіге бір немесе бірнеше компоненттердің сәйкес техникалық еріткіштердің: су, сулы қышқыл ерітінділері, сілтілердің және кейбір тұздардың ерітінділерінің және т.б. әсерінен ерітіндіге өтуі. Уран технологиясында шаймалаудің басты мақсаты - уранның анағұрлым селективті толық еруі [1, 2, 3, 6, 7].
Жер асты ұңғыма шаймалау дамуының перспективасы уран кен орнының осы әдісті қолдануға тиімді, табиғи өтімділігі бар және уранды кен қабаттарын тек қана ұңғыма жүйесімен өңдеу шарттарында, геологиялық ерекшеліктері бар кен орындарымен байланысты. Мұндай ерекшеліктерге көбіне қабаттық тотыққан, атмосфералық оттекті сулардың айналымы таулы жыныстардан уранды сілтісіздендіріп шаймалап, тасымалдау жолындағы геохимиялық тосқауылдарға таралуы нәтижесінде құралған регионалды аймақтардың эпигенетикалық уранды кен орындары ие [2].
1.7 Жер асты сілтісіздендіру жүйелері
Уранды кендердің жер асты шаймалау 3 негізгі жүйе арқылы жүзеге асады [2]:
1) кен жынысының табиғи өтімділігін қолдану арқылы жер асты ұңғыма жүйесі;
2) кен жынысының табиғи өтімділігін қолдану арқылы шахталы жүйе;
3) кен жынысына жасанды өтімділік жасау арқылы шахталы жүйе.
Ұңғыма жүйесі қарапайым таулы өндіру әдісімен салыстырғанда капиталды құрылыстардың және капиталды шығындарды 2-4 есе азайтуға мүмкіндік беретін анағұлым тиімді әдіс. Оған қоса, ұңғыма жүйелері кезекпен жаңа кәсіпорындарды енгізуді қамтамасыз етеді. Соған қарамастан, өнім және капталды салымдардың қайтарымы аз уақыт ішінде қол жетімді, сондықтан кәсіпорыннан түскен түсім өзін-өзі жартылай қаржыландыра алады. Жер асты ұңғыма шаймалауда өнімнің өзіндік ортақ құны басқа таулы әдістермен салыстырғанда 3-6 есе төмен. Жер асты ұңғыма әдісі кендегі уранның мөлшеріне қатысты қойылатын талаптардың төмендеуіне әкеледі, яғни бұл әдіспен таулы өндіру әдісі арқылы өңдеуге тиімсіз болып табылатын уранның кендегі мөлшері аз кен орындарын өңдеуге жол ашады [2, 3].
Ұңғыма жүйесі кен орындарына бірқатар талаптар қояды, солардың ішіндегі ең маңыздысы кен жынысының өтімділігінің жоғары болуы. Алайда бұл талаптқа барлық кен орындар жауап бере алмайды, бірақ талапқа сай кен орындардың аумағы кең.
Қорытындылай келе ұңғыма жүйесі уран өндіру экономикасын тікелей өзгертуге алып келетін - жаңа технологиялық төңкеріс [2].
Кен жынысының табиғи өтімділігін қолдану арқылы шахталы жүйе ұңғыма жүйесіне бірқатар экономикалық және кәсірорынның құрылыстары жақтарынан жол береді және таулы өндіру әдісімен пара-пар болып келеді. Жаңа мекемелер кезекпен енгізу мүмкін емес, өнім тек барлық керек құрылыстар, капиталды жабдықтар аяқталғаннан кейін ғана алынады. Мұндай жүйелердің басты кемшілігі кен орнына қойылатын талаптардың қарама қайшылығы. Тиімді шаймалау үшін кен жынысының өтімділігі жоғары болу керек, алайда мұндай кен орындарының тұрақтылығы төмен, сондықтан таулы өндіріс жұмыстарын жүргізу қиындық туғызады. Тұрақтылық пен өтімділіктің оптималды үйлесуі өте сирек [2, 3].
Түйіндей келе мұндай жүйелі уран өндіру әдісінің зерттеу жүргізудің мағынасы жоқ. Тек кен орындарын зерттеу кезінде бұл жүйеге жарамды екендігі жайлы айтуға болады. Уранды ұңғыма шаймалау шаймалау - уранды өндірудің тиімді жолы [2, 3].
Кен жынысына жасанды өтімділік жасау арқылы шахталы жүйе экономикалық тұрғыдан қымбат әдіс болып табылады. Өндірудің таулы жүйесіне қарағанда бұрғылау жарылыс жұмыстарымен кенді жыныс қопарсытылған және босаңсытылған күйі жер қыртысында блоктар түрінде қалады, жер бетіне зауыттарда өңдеуге шығарылмайды. Капиталды және дайындық жұмыстарының көлемі азаймайды, таулы өндіру әдісімен салыстырғанда жалпы капиталды шығынның көлемі 15 -- 20% төмендейді [2].
Мұндай жүйе Ресейде және ТМД елдерінде уранды соңына дейін өндіру мақсатында, көбіне кен орнының бай бөлігін өңдегеннен кейін, құрамында уран аз қалған бөлігін өңдеуде қолданады. Капиталды шығындар кен орнының уранға бай бөлігінен түскен түсімнің арқасында өтеледі және таулы өндіру әдісімен салыстырғанда тиімді болып келеді. Мұндай қосарланған жүйелер қазіргі кәсіпорындарда қолдануда [2, 3].
Мұндай жүйелер таулы өндіру әдісіне тиімді барлық кен орындары үшін қолдануға болады.
1.8 Жер асты шаймалаудың физико-химиялық ерекшелігі
Жер асты шаймалау кезінде әрекеттесудің физико-химиялық мәнін заводтардағы гидрометаллургиядағы дәл сол гетерогенді химиялық әрекеттесулер құрайды. Гетерогенді жүйелердің диффузионды-кинетика теориясы бұл әрекеттесулердің ғылыми негізі болып табылады. Бұл теория ХХ ғасырдың бірінші жартысында дамыған, оған еуропалық және орыс ғалымдары едәуір үлес қосқан [5].
Бұл теория бойынша гетерогенді жүйелерде еру үрдісі жалпы түрде негізгі 3 сатыдан тұрады [5]:
I) еріткіштің әрекеттесу қатты зат бетіне келуі;
2) фазалар бөліну қабатында химиялық әрекеттесу;
3) әрекеттесу нәтижесінде пайда болған өнімдерінің реакциялық беттен әкетілуі немесе шығарылуы.
Шаймалау процесінің жалпы жылдамдығы үш сатының жылдамдықтарымен анықталады, сондықтан процестің жылдамдықтарының қосындысының коэффицентіне кері шама әр сатының жылдамдық коэффиценттерінің кері шамаларының қосындысына тең. Осыдан келе бір сатының жылдамдығы басқа сатылардың жылдамдықтарына қарағанда төмен болса, жалпы процестің жалпы жылдамдығы баяу сатының жылдамдығымен анықталады [5].
Шаймалау - еріген реагенттердің, еріткіштің қатты затпен - рудамен - күрделі гетерогенді әрекеттесу процесі [3, 6]. Шаймалау жылдамдығы , яғни уақыт бірлігіндегі ерітіндіге өткен заттың мөлшері, көп факторларға тәуелді: минелардың типіне, еріткіштің түріне және концентрациясына, температураға, минералдың меншікті беттік ауданына, араласу қарқындылығына, кен жынысының өтімділігіне және т.б. Аталған факторлар процесс барысында кен жынысына, өтімділік дәрежесіне тәуелді өзгеріп отырадыp [1].
Шаймалау процесі келесідей сатылардан тұрады [1]:
реагенттің ерітінді көлемінен сыртқы диффузионды қабаттан қатты зат бетіне диффузиясы;
реагенттің қатты реакция өнім қабатынан немесе қатты фазаның қуыстары арқылы диффузиясы - ішкі диффузиялық қабат;
сілтісіздену шаймалау өтетін минералдың бетінде химиялық реакция;
реакция өнімдерінің ішкі қуыстардан қатты зат бетіне диффузиясы;
реакция өнімдерінің сыртқы диффузиялық қабатқа ерітінді көлеміне диффузиясы.
Кен жынысында уран аз мөлшерде болғандықтан шаймалауді келесідей модель бойынша қарастыруға болады:
Қатты заттың, сұйықтықпен беттесе тұрып, беті қабыршақпен қапталады және ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
КІРІСПЕ 3
1 ӘДЕБИ ШОЛУ 5
1.1 Уран 5
1.1.1 Уран туралы тарихи мағлұмат 8
1.1.2 Уранның физика-химиялық қасиеттері 9
1.1.3 Уранның спецификалық қасиеттері 11
1.2 Уранның физико-химиялық қасиеттері және қосылыстары 12
1.3 Уранның гипергенез қабатындағы күйі 14
1.4 Уранның комлекс түзу қабілеттері 16
1.5 Уранның химиялық технологиясы 19
1.6 Уранды өндірудің жер асты шаймалау әдісі 20
1.7 Жер асты сілтісіздендіру жүйелері 21
1.8 Жер асты шаймалаудің физико-химиялық ерешелігі 22
1.9 Уранды кен жыныстарын шаймалау 25
1.10 Қышқылды шаймалаудың артықшылықтары және кемшіліктері 27
1.11 Уранды шаймалау технологиясында тотығу-тотықсыздану құбылыстары 27
1.12 Қызылқұм кен орнының геолого-гидрогеологиялық ерекшелітері 28
2 ТӘЖІРИБЕЛІК БӨЛІМ 31
2.1 Элементтік анализ 31
2.2 Статикалық жағдайда шаймалау 31
2.3 Шаймалау бойынша зертханалық тәжірибелерді орындау әдістемесі 32
2.4 Зерттелінетін кен үлгісінің гранулометриялық (түйіршікті) құрамын елеуіштік әдіспен анықтау 33
2.5 Өнімдік ерітінділерден ауыр металдар мөлшерін анықтау 33
2.6 Көміртек қостотығының, органикалық көміртектің, жалпы күкірттің, темір сульфаттары, сульфидтері мен қағынның мөлшерін анықтау 33
3 НӘТИЖЕЛЕР МЕН ТАЛДАУЛАР 35
3.1 Элементтік анализ 35
3.2 Зерттелінген сынаманың сипаттамасы 35
3.3 Зерттелінген кен үлгісінің гранулометриялық құрамы 36
3.4 Кеннің минералдық құрамы. 36
3.5 Сканерлеуші электронды микроскопия және жартылайсандық элементтік анализ 38
3.6 Зерттеу улгісін статикалық шаймалау 47
3.6.1 Күкірт қышқылды шаймалау 47
3.6.2 Карбонаттық шаймалау 47
3.7 Фильтрациялық колонналарда уранды шаймалау 49
3.7.1 Сумен шаю сатысы 50
3.7.2 Күкірт қышқылды шаймалау сатысы 51
ҚОРЫТЫНДЫ 56
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ: 58
КІРІСПЕ
Гидрометаллургияда экономикалық және экологиялық тұрғыдан бүгінгі таңда ең тиімді уран өндіру әдісі болып табылатын жер асты ұңғымалық шаймалау мемлекетімізді атомдық энергетиканың негізігі отынын өндіруден дүние жүзінде бірінші орынға шығарды. 1954-ші жылдарда негізі қаланып, аз уақыт арасында дүние жүзінде кең қолданыс тапқан бұл әдіс, негізгі бөлігі аридтік зонада орналасқан Қазақ даласында, мемлекетіміздің гидрометаллургия өндірісі үшін таптырмас құралға айналды. Уранды жер асты ұңғымалық шаймалау әдісімен өндірудің өзіндік құны таулық әдісті қолдануға қарағанда 20 - 25%-ға төмен [1]. Бұл әдістің тағы бір айта кететін артықшылығы, таулық әдісті қолдану тиімсіз болып табылатын уран мөлшері 0,01 - 0,03%-ды құрайтын кендерді өңдеуге мүмкіндік беретіндігінде. Сонымен қатар, уран өндірудің қоршаған ортаға тигізетін кері әсері әлдеқайда азаяды. Жер асты ұңғымалық шаймалау әдісін қолданған аймақтарда жердің шөгуі және қопарылуы, бос жыныстардан және балланстан шыққан кендерден тұратын үйінділер болмайды. Уран қос тотығынның 100 кг өндіру кезінде 1 кг қатты қалдықтар түзіледі, ал таулық әдісте уран қос тотығының дәл сол мөлшерін алу үшін 100 000 кг қатты қалдықтар түзіледі. Оған қоса технологиялық үрдістен шаң-тозаң бөліну көздері жойылған, соның нәтижесінде атмосфераға бөлінетін радиоактивті заттардың көлемі біршама азайтылды. Жұмысшылар мен қызметкерлерге α- , β- және γ- сәулеленушілер әсері минималданған, өйткені уран радиоактивті отбасының жалпы γ-сәулеленуінің 98%-ы қышқылдық шаймалау кезінде жер астында қалатын радий және оның ыдырау өнімдеріне тиісті. Әдістің экологиялық, эконимикалық артықшылығы және технологиялылық кемшілігінің бірі негізгі кен түзуші жыныстардың жер астында шоғырланғандығында. Тек шаймалаушы агентпен әрекеттесетін кен жыныстарын көп жағдайда толық өңдеу мүмкін емес болып жатады. Сонымен қатар, жер асты ұңғымалық шаймалау әдісін қолдану барысында кен түзуші горизонттарының өткізгіштігі, шаймалаушы агентті таңдау, тотықтырғыштың тиімділігінің төмендігі не оның бағасының қымбаттығы сияқты үнемі туындап жататын мәселелер жеткілікті. Сондықтан жер асты ұңғымалық шаймалау әдісін зерттеу өзектілігін жоғалтпай, бүгінгі күнге дейін АҚШ, Франция, Ресей, Канада сияқты уран өндіруші алпауыттар осы салада үлкен зерттеу жұмыстарын жүргізуде.
Барланған уран кеніштерінің жер асты ұңғымалық шаймалау әдісімен өндіру мүмкіндігін анықтау мақсатында зертханаларда шаймалау үрдісін модельдеу сынақтары жүзеге асырылады. Технологиялық тұрғыдан бұл сынақтарға өте үлкен көңіл бөлінеді. Өйткені бұл сынақтар нәтижесі бойынша барланған кеніштен уран өндірудің максималды мөлшерлері, шаймалаушы агент сияқты технологиялық үрдісті жүзеге асыруға қажетті негізгі параметрлер толыққанды анықталады және осы үрдісті сипаттайтын математикалық модельдерді құрастыруға мүмкіндік береді.
Жоғарыда айтылғанның барлығын тұжырымдай келе, берілген жұмыстың мақсаты уранды динамикалық шаймалау кезінде орын алатын физико-химиялық үрдістерді зерттеу болып табылды.
Белгіленген мақсатқа жету барысында келесідей міндеттер қойылды:
Тақырып бойынша басылымдық материалдармен танысу;
Зерттеу объектісі болып табылатын уран кені үлгісінің негізгі геотехнологиялық сипаттамаларын анықтау;
Уран кені үлгілерінен уранды статикалық жағдайда күкірт қышқылды және карбонаттық шаймалау;
Уранды динамикалық шаймалау кезінде орын алатын негізгі физико-химиялық үрдістерді анықтау мақсатында сүзгіштік коллонкаларында шаймалау тәжірибесін жүргізу.
Зерттеу жұмыстары барысында алынған нәтижелер Ақбастау, Инкай, Қызылқұм уран кеніштерінде жүзеге асырылып жатқан технологиялық үрдісті жетілдіруде ұсыныстар дайындау кезінде үлкен үлесін тигізуі мүмкін.
Берілген зерттеу жұмысы Дүние жүзілік банктің Практическое применение изотопных соотношений природных радионуклидов в гидрометаллургии урана и радиоэкологии халықаралық ғылыми жобасы шебінде жасалған.
1 ӘДЕБИ ШОЛУ
1.1 Уран
Уран табиғатта үш изотоптың 238U, 235U және 234U қоспасы ретінде таралған. Табиғи радионуклидтердің табиғатта таралуы жайлы мәліметтер бірнеше жұмыстарда келтірілген. Солардың ішіндегі сенімдісі келесі кестеде көрсетілген Холденнің мәліметтері болып табылады [46].
Кесте 1 - Уранның табиғи изотоптарының таралуы және ядролық қасиеті [46]
Изотоптың массалық саны
Таралуы, %
Жартылай ыдырау периоды,
Лет
Ыдырау типі
Негізгі сәулелену энергиясы, МэВ
1
2
3
4
5
234
0,005+-0,001
2,45·105
2·1016
Α
СД
4,777 (72 %)
4,723 (28 %)
235
0,720+-0,001
7,037·108
3,5·1017
Α
СД
4,397 (57 %)
4,367 (18 %)
238
99,275+-0,002
4,468·109
8,19·1015
Α
СД
4,196 (77 %)
4,149 (23 %)
Бірақ, айта кететін жағдай, табиғи қосылыстардағы уран изотоптарының қатынасы өзгеруі мүмкін (абсолютті шамадан +-0,1 % арасында). 234U изотобы 238U изотобының радиоактивті ыдырауы кезінде пайда болатындықтан бұл екі изотоп бір-бірімен тығыз байланысты.
Уран табиғатта екі түрлі тотығу дәрежесінде кездеседі: +4 ([Rn]f2) және +6 ([Rn]f0). Зертханалық жағдайда тұрақтылығы әлсіз U(III) және U(V) валентті қосылыстары алынған.
Уран (IV) өзінің қосылыстарында иттрийлі ауыр лантаноидтар тобы мен Th (IV), Y (III) химиялық қасиетіне жақын U4+ ионы формасында болады. Химиялық тұрғыдан қарағанда U4+ ионы әлсіз негіз болып табылады. Ол тек күшті қышқылды ерітінділерде кездеседі және ерітіндінің қышқылдығы төмендеген кезде U(OH)4 түзе отырып гидролизденеді. U(OH)4 гидроксиді суда аз ериді, бірақ қышқылдарда күшті ериді. UO2 диоксиді іс-жүзінде 3000С-қа дейін сумен әрекеттеспейді, Тұз қышқылында (HCl) ерімейді, бірақ азот қышқылында (HNO3) және қышқылдар қоспасында жақсы ериді. U(IV) қосылыстарының ішінде UCl4 пен U(SO4)2 басқалардан қарағанда суда жақсы ериді. Осының себебінен U(IV) күштіқышқылды сульфатты, хлоридті және нитратты ерітінділерге тұрақты болады. U(IV) силикаттары күштіқышқылды ортада ерігіш болады.
U(IV) 8 координациялық санымен комплексті қосылыстар түзуге бейім келеді. U4+-тің карбонатты, сульфитті, оксалатты және де басқа комплекстері бар. Уранның комплексті қосылыстары қатарының тұрақтылық константалары келесі кестеде көрсетілген.
Уран буының атом спектрін зерттеуде оның негізгі жағдайының электронды құрылысы 5f36d7s2 екені анықталынды. Бұл мәлімет оның ауыр актиноидты элементтер тобына жатанын растайды. Уранның химиялық қаситеінің қиындығы оның энергетикалық деңгейлерінің (5а және 6d деңгейшелерінің) тым жақындығында.
Кесте 2 - Уранның комплексті қосылыстарының тұрақтылық константала- ры [46]
Реакция
К
1
2
0,12
1,20
1,14
1,50
1,50
3,3·10[2]
7,4·10[3]
10[6]
10[8]
5·10[17]
Уран (VI) - ауаның еркін қатысында ең тұрақты тотығу дәрежесіне ие болатын уран. U6+ секілді ірі катион үшін оның алты валенттігі жоғары болып табылады. Ол энергетикалық тұрақсыз және сулы ерітіндіде көзді ашып-жұмғанша гидролизденіп, уранил UO22+ екі валентті катионын түзеді. Уранилді топ UO22+ - орталық атомнан тұратын және оған диаметральді қарама-қарсы екі оттегі атомынан құралған компактті сызықты қосылыс болып табылады. Мұндай қосылыстың максималды ұзындығы 6,84 Å, ал минималды ұзындығы - 6,04 Å, қалыңдығы - 2,64 Å. UO22+ -нің орташа иондық радиусы жуық шамамен 3,22 Å -ге тең және табиғатта тараған көптеген катиондардың біразының радиустарынан едәуір жоғары. Осыған байланысты UO22+ химиялық қосылыстарда изоморфты түрде басқа катиондарды өзіне қосып алып табиғатта өзінің жеке минералдарын түзеді (уранитит, настуран және т.б.).
U(VI) қосылыстары салыстырмалы түрде сулы ерітінділерде ерігіш және тұрақты болып келеді. Ең ерігіштерінің бірі уранил нитраты болып табылады. Суда жақсы ерігіштері уранил сульфаты мен оксигалогениді болып табылады. UF6 мен UCl6 ұшқыш болып келеді, бірақ су буының қатысында оңай гидролизденіп, оксигалогенидке айналады.
Органикалық қышқылдарда уранның көптеген тұздары ерігіш болып келеді. U(VI) - ның маңызды қиын еритін қосылыстары фосфаттар, арсенаттар және ванадаттар болып табылады.
U(VI) геохимияда маңызды рөл ойнайтын комплексті қосылыстар түзуге бейім келеді. Комплекстүзгіштік қабілеті мен түзілген комплекстің беріктігі туралы мәліметтерді төмендегі кестеден көруге болады.
Кесте 3 - [UO2]2+ уранил-ионының бейорганикалық лигандтты комлекс -терінің тұрақтылық константалары (250С) [32]
Реакция
К
1
2
Комплекске түспейді
0,24
0,88
6,40
76,00
7,1·10[2]
2,2·10[6]
3,5·10[4]
2,9·10[10]
6,5·10[11]
8,3·10[12]
2·10[18]
Табиғи жағдайларда карбонатты, сульфатты, фторидті, фосфатты және гидроксокомплексті комплексті қосылыстар маңызды мағынаға ие. Уранил ионымен комплекстүзу күшіне байланысты аниондар келесі кезекпен орналасқан:
бірзарядты: F- NO3- Cl- ClO4- ;
екізарядты: CO32- C2O42- SO42- .
Уранил аквагидрокомплекстері акватоптардың уранил акваионына [UO2(H2O)6]2+ сатылы түрде енуі нәтижесінде қалыптасады және [UO2(OH)n(H2O)6n]2-n күйіндегі формада болады. Мұндағы n-нің мәні 0-ден 6-ға дейін өзгереді.
Карбонатты комплекстердің ішінде сулы ерітіндіде тек [UO2(CO3)3]4- және [UO2(CO3)2(H2O)2]2- комплекстері ғана тұрақты болады. Біріншісі ерітіндіде CO32- иондары артық мөлшерде болғанда кездеседі, ерітіндіні сұйылтқан кезде екінші түріне өтеді.
Келесі саты суда әлсіз еритін уранил карбонатының UO2CO3 түзілу сатысы болып табылады (3-сурет).
Уранилдің фторидті комплекстері тек фтордың жоғары концентрациялары шоғырланған орталарда түзіледі. Уранилдің сульфатты комплексті қосылыстары құрылысы бойынша карбонаттыға ұқсас болып келеді, бірақ беріктігі бойынша тек қана карбонаттыдан ғана емес, сонымен қоса фторидті комплекстерден де кейін қалады.
Сурет 1 - 250С кезіндегі lg ∑CO2 координатындағы әртүрлі уранил иондарының аудандарының қатынасы
1.1.1 Уран туралы тарихи мағлұмат
1789 жылы Клапрот "смола кені" деген атпен белгілі ауыр қара кеннен жаңа элементті - уранды ашты, уран деген ат сол кезде жаңадан ашылған уран планетасының құрметіне қойылған.
Клапроттан кейін уранмен басқа да зерттеушілер айналысқан, бірақ ешкім таза металдық уран ала алмады. Тек 1891 жылы Пелиго уран хлоридін металдық натрий немесе калиймен тотықсыздандыру арқылы металдық уран алған.
ХІХ ғасырдың алғашқы жартысында уранның қасиеттері толығымен зерттелді, уранның тұздары шыны, фарфор және эмаль бояуларында өте жақсы сары түсті бояғыш екені анықталды.
1896 жылы Беккерель смолалық кенде радиоактивтілікті ашты. Осы уақыттан бастап уранның минералдарына назар көп бөлінді.
Содан соң Мария Склодовская-Кюри және Пьер Кюри смола кенінен радийды ашты. Уран тұздарын өндіруде өзгеріс болды: бұрын зауыт жұмысының басты мақсаты уран тұздарын өндіру болса, ендігі мақсат радийды өндіру болды, ал уран қосымша өнім ретінде алына бастады.
Радий әрқашан тек уранмен ғана кездеседі, кейде тек табиғи сулар құрамында радий жоғары концентрацияда урансыз кездеседі.
1 г радий өндіру үшін жуық шамамен 4 т таза уран смола кенін өңдеу керек. 1896 жылдан бастап уранның өзіне көңіл бөлінбей, радийға көңіл аударыла бастады.
1939 жылы уран ядросы ыдырау кезінде көп мөлшерде энергия бөлінетіні анықталды. Осыдан бастап атом энергиясының көзі ретінде уранға деген назар арта бастады.
1.1.2 Уранның физика-химиялық қасиеттері
Уранның кейбір қасиеттері басқа металдармен салыстырғанда , уранның ІІІ топ элементтерімен ұқсас екені анықталды.
12 - кестеде ІІІ топтың ұқсас металдары ретінде молибден, вольфрам, уран және алюминийдің кейбір қасиеттері келтірілген. Ең алдымен вольфрам уранға қарай ауысқанда, тығыздығы мен балқу температурасының төмендеуіне көңіл аударылды, онда әдеттегідей төменгі аналогтан жоғарыға бұл қасиеттері өседі.
Кесте 4 - Молибден, вольфрам, уран және алюминийдің қасиеттері
Қасиеттері
Мо
W
U
Al
1
2
3
4
5
Тығыздығы,гсм3
10,2
19,3
18,7
2,7
Балқу темпер.оС
2625+-50
3410+-20
1133+-2
659
Қалыпты потенциал, В
0,127В
0,127В
-1,4
-1,3
Суға қатынасы
Тұрақты
Тұрақты
Суда аздап ериді
Суда аздап ериді
Сұйыт. HCl және H2SO4-ке қатынасы
Әрекеттес-
Пейді
Әрекеттеспейді
Ериді
Оңай ериді
Сұйыт.HNO3-ке қатынасы
Әрекеттес-
Пейді
Әрекеттеспейді
Енжарланады
Енжарланады
Ауа қабатында тотығуы
Тұрақты
Тұрақты
Оксидтің қабықшасымен қапталады
Оксидтің қабықшасымен қапталады
Карбид:түсі қасиеттері
Қара, ыдырамай-
Ды
Қара, ыдырамайды
Сары, сумен ыдырап СН3, СН2СН2 бөледі
Анық жасыл, сумен ыдырап СН3 бөледі
Сулфоқышқыл-
дар түзуі
Түзеді
Түзеді
Жоқ
Жоқ
Куркумамен реакциялары
Жоқ
Жоқ
Түзеді
Түзеді
Табиғи қосылыстардың (минералдардың) сипаттамасы
Молибдат-
Тар
Вольфрамат-
Тар
Оксидтер, күрделі минерал, слюда сияқты
Оксидтер, күрделі силикаттар, сулфат
Жоғары оксидтің сипаттамасы
Қышқылды
Қышқылды
Амфотерлі
Амфотерлі
1947 жылдан бастап шығатын барлық химиялық анықтамаларда және периодтық жүйенің кестелерінде уран VІ топ элементі ретінде, яғни хром, молибден және вольфрам аналогы ретінде қаралды.
12 - кестедегіден басқа қасиеттерінде біріншіден молибден мен вольфрамның арасында, екіншіден уран мен алюминий арасында толық ұқсастық байқалады. Басқа жағынан вольфрам мен уран қасиеттерінде ұқсастық жоқ. Бұл жағдай уранның VІ топқа емес, ІІІ топқа жататынын дәлелдейді.
Уран, плутоний, нептуний америцийге жоғары валенттілік - алты тән. Уранның реттік нөмірі 92, атомдық салмағы - 238,07, табиғи уран үш изотоптан тұрады: 99,28 % U238; 0,7 % U235; 0,006 % U234. Уранның изотопы U235 бөліну қасиетіне ие, сондықтан атомдық техникада маңызы зор. Уранның табиғи изотоптары - α - шағылдырушылар жартылай ыдырау периодымен өте жоғары шамалармен өлшенеді: 4,5 ∙ 109 жыл U238, 7,13 ∙ 108 жыл U235 және 2,48 ∙ 105 жыл U234 үшін. Жасанды түрде массалық салмағы 227-ден 240-қа дейін изотоптар алынған, өмір сүру мерзімдері әр түрлі, жартылай ыдырау периоды - 1,3 мин. тең.
Уранның тығыздығы 18,7 гсм3-қа тең. Балқу және қайнау температурасы: tб = 1105-1850 оС-ға дейін ауытқиды. Бірақ 1150оС температураны жоғарыланған деп есептеп, 1133оС - дағы температураны дұрыс деп алады. Қайнау температурасы 3500оС; жаңа берілген мәліметтер бойынша - 3927оС. С.Сиборг және Кац бірнеше төмен шамаларды келтіреді - 3818оС.
Электрөткізгіштігі 2-4 ∙ 104 см-ге тең.
Уран - жұмсақ ақ-сұр металл, механикалық өңдеуге жақсы беріледі. Уранның үш кристалдық модификациясы белгілі: α - модификация ромбалы торлы, бөлме температурасында және 668оС-қа дейінгі температурада өмір сүреді, β - модификация тетрагональды торлы, 668-774оС аралығында болады және γ - модификация көлемді центрлі торлы, 774оС-тан жоғарыда металл балқығанша өмір сүреді. Пластикалық қасиетке α және γ - модификациясы ұшырайды.
Таза уранның қаттылығы мен беріктігі жоғары емес, сондықтан оның механикалық қасиетін жақсарту үшін басқа металдармен құйма түзуге көп жұмыстар жүргізілген.
Уран металл күйінде өте реакцияға түскіш. Компактты металл ауада оңай тотығады да, алдымен алтын түстес қабықпен, сосын қара түспен қапталады, ал ұнтақ уран немесе оның ұсақ жұқа таяқшасы ауада, әсіресе, механикалық әсер еткенде оңай тотықсызданады.
Уран тікелей сутекпен, көміртекпен, азотпен, фосформен, күкіртпен, галогендермен және азот оксидтерімен әрекеттеседі.
Компактты уран суықта ақырын, ал қыздырғанда суды тез ыдыратады, мына реакция жүреді:
U + 2H2O -- UO2 + 2H2 (1)
Түзілген сутек реакцияға әлі түспеген уранмен әрекеттесіп, оны серпімді гидридке айналдырады, содан металл өте тез бұзылады.
Сулы бу уранмен дәл солай әрекеттеседі, ал 150-250оС температурада әсіресе жылдам, уран оксиді және гидриді түзіледі:
7U + 6H2Oгаз -- 3UO2 + 4UH3 (2)
Сиборг және Кац бұл реакцияны уранның оттегіде жануынан жылдамырақ өтеді деп көрсеткен.
Уран қышқылдарға қатысты қызықты және практикалық маңызы зор. Тұз қышқылы уранды тез ерітеді, сұйытылған тұз қышқылында 100оС-да салмағы 10 г уран үлесі 1 сағатта ериді. Күкірт қышқылы уранмен мүлде әрекеттеспейді. Азот қышқылы уранды толық ерітеді.
1.1.3 Уранның спецификалық қасиеттері
Уранның ерекше қасиетінің бірі, оның өте үлкен энергия мөлшерін бөлетін ядроларды бөлуге бейімділігі, бұл қасиеті тек нейтрондар ашылғаннан кейінгі, яғни 1930-1932 жылдарда белгілі болды. Нейтрон салмағы бойынша протон салмағына тең, бірақ заряды жоқ бөлшек. Сондықтан нейтрондар бөлшекке бөлінбейді, заряд таситын бөлшектерге бөлінбейді және ядро атомына ене алады, сондықтан "снарядтың" өте күшті түрі ядролық реакцияларда қолданылатын, яғни, атомдағы ядролар өзгеруімен байланысты реакциялар.
Ядролық реакция сипаты нейтрон жылдамдығына тәуелді: нейтрондармен реакциының осы немесе басқа түрімен барлық элемент (гелийден басқа, гелийдің ядросы өте тұрақты) ядролары әрекеттеседі. 1933 жылы нейтрондар ядромен қапталатыны анықталды. Мұнда ядро өзгеруі келесі сызбанұсқа бойынша өзгеріске ұшырайды:
Xzm + n -- Xzm+1 + γ сәуле (изотоп)
(3)
Xzm+1 -- X[m]+1 z+1 + электрон (жаңа элемент)
(4)
(1) сызбанұсқа бойынша бастапқы элемент изотопының түзілуі өтеді. Осы изотоптың ядро салмағы бастапқы ядро салмағынан бір шамаға үлкен. Егер ядроның осы күйі тұрақсыз болса, онда β-ыдырау өтеді, нәтижесінде нейтрон келесі сызбанұсқалық ауысуға ұшырайды:
n = p + e -
(5)
Бұл жағдайда электрон бөлінеді (немесе β-бөлшек) және заряд түзілген протон нәтижесінде жоғарылайды. (2) сызбанұсқада көрсетілген процесс өтуі және жаңа элемент түзілуіне әкеліп соқтырады. Нейтрондардың "тартып алуын" ашылу заряды 92-ден жоғары, яғни "трансуран" немесе "зауран" элементтерін алуға мүмкіншілік береді. Уранды нейтрондармен "бомбалауда" жаңа элементтер емес, периодтық жүйенің ортасындағы жақсы белгілі элементтер - барий, стронций, лантан және т.б. сонымен қатар инертті газдар табылды.
1938 жылы уран шынында да бөлініп, периодтық жүйенің ортаңғы бөлігіндегі элементтерін беретіні диагональдық ұқсастықпен дәлелденді. Бұл бөлшектердін салмағы уранның салмағынан аз және реакция өте көп энергия мөлшері бөлінуімен жүреді. Есептеулер бойынша, 1 гр көмір атомы жануымен салыстырғанда 1 гр уран атомы бөлінгенде 50 млн. есе көп энергия бөлінеді.
1941 жылы алғаш рет төменде жазылған элементтердің микромөлшері алынды. Уранды атқылау арқылы жаңа элемент түзілуі тек уранның көбірек таралған, қарапайым изотобы мен атом салмағы 238 болған нейтронмен жоғарыдағы (2) сызбанұсқа бойынша анықталады.
Уранның басқа изотобы атомдық салмағы 235, уранның құрамында тек 0,7% нейтрондар әсерінен энергияны көп мөлшерде бөле отырып бөлінеді. Осындай бөлінуге зауран элементінің 94 ядросы да ұшырайды, плутоний (Рu) деп аталады.
1.2 Уранның физико-химиялық қасиеттері және қосылыстары
Уран -- өте ауыр, сұр-ақ жылтыр металл. Таза күйінде ол болаттан жұмсағырақ, төзімді иілгіш және парамагниттік қасиетке ие [8,17]. Уранның 3 аллотропты түрі бар: α-уран (призма тәрізді, 667,7 °C-қа дейін тұрақты), β-уран (құрылымы төртбұрышты, 667,7 °C - 774,8 °C аралығында тұрақты), γ-уран (көлемдік ортаға келтірілген кубтық құрылымды, 774,8 °C-тан балқу нүктесіне дейін тұрақты) [1,3,7,8].
Химиялық қасиеттері:
Уран +2 және +6 аралығында тотығу дәрежелерін көрсете алады [1].
Кесте 5 - Уранның тотығу дәрежесіне сай оксидтері мен гидроксидтерінің қасиеттері
Тотығу дәрежесі
Оксиді
Гидроксиді
Қасиеті
Түрі
Ескерту
+3
Болмайды
-
-
U[3+], UH3
Күшті тотықсыздандырғыш
+4
UO2
Болмайды
Негіздік
UO2, галогенидтері
Суда және ауада тұрақты
+5
Болмайды
Болмайды
-
Галогенидтері
Суда диспропорцияланып кетеді
+6
UO3
UO2(OH)2
Амфотерлі
UO22+ (уранил)
UO42- (уранат)
U2O72- (диуранат)
Суда және ауада тұрақты
Одан басқа U3O8 оксиді бар. Мұнда тотығу дәрежесі уран (V) және (VI) оксидтерінің қоспасынан құралған [8, 20].
Тотығу дәрежелерінің және қосылыстарының түрлеріне қарай уран химиялық қасиеті жағынан VI B топшасының элементтеріне ұқсас болып келеді (хромға, молибденге, вольфрамға) [4].
Химиялық уран активті, ауада тотығады және түсті оксид қабықшамен қапталады [7,8,14]. Уранның басқа бейметалдармен реакциясы төменгі кестеде көрсетілген.
Уран сумен төмен температураларда да әрекеттесіп:
U + 2H2O = UO2 + 2H2 (6)
уран диоксиді түзіледі.
Тотықтырмайтын қышқылдарда уран еріп, UO2 немесе U4+ тұздарын береді (сутекті бөліп шығады). Тотықтырғыш қышқылдарда (азот және күкірт қышқылдарында) уран уранил UO22+ тұздарын түзеді.
Уран сілтілермен әрекеттеспейді [14].
Кесте 6 - Уранның кейбір бейметалдармен реакциясы
Бейметалл
Шарттары(жағдайы)
Өнімдер
F2
20[o]C, қызулы
UF6
Cl2
180[o]C (ұсақталған уранға)
500 -- 600[o]C (кесек уран)
UCl4, UCl5, UCl6 қоспасы
Br2
650[o]C, бірқалыпты
UBr4
I2
350[o]C, бірқалыпты
UI3, UI4
S
250-300[o]C бірқалыпты
500[o]C жанады
US2, U2S3
Se
250-300[o]C бірқалыпты
500[o]C жанады
USe2, U2Se3
N2
450-700[o]C азот қысымында жанады
1300[o]
UN1.75
UN2
UN
P
600-1000[o]C
U3P4
C
800-1200[o]C
UC, UC2
1.3 Уранның гипергенез қабатындағы күйі
Уранның 2, 3, 4, 5, 6-валенттілік күйлері белгілі, бірақ гипергенез қабатында, яғни жер қыртысының жоғарғы бөлігінде, уран тек 4 және 6 валенттік күйде болады, дегенмен 5 валентті күйінің болуы да мүмкін [1, 4, 6, 7, 14].
Гипергенез қабатында уран металдық таза күйінде кездеспейді, себебі, уран күшті тотықсыздандырғыштық қасиетке ие, мысалы, қышқылдық ортада U0U3+ тотығу-тотықсыздану потенциялы +1,8В, сондықтан оңай тотығады [1, 14].
Күшті қышқылды орта уранды тотықтыратын протон болып табылады [4]:
(7)
Әлсіз қышқылдық, сілтілік және бейтарап орталарда уранды тіпті су тотықтырады. Әлсіз қышқылдық ортада әрекеттесу төменгідей [1]:
(8)
Сілтілік ортада:
(9)
Бейтарап ортада баяу болса да уранды 4-валенттіге дейін тотықтырады:
(10)
Еківалентті уранның тұрақсыздығы соншалық сулы ерітінділерде мүлдем байқалмаған. Жер қыртысында металдар әдетте жер асты суларымен тасымалданатындықтан, гипергенез қабатында уранның еківалентті түрі болмайды. Үшвалентті уран да химиялық тұрақсыздық қасиетімен сипатталады [4, 14]:
Қышқыл ортада уран (III) иондары жылдам бірнеше минутта ауадағы оттекмен тотығады [4]:
(11)
Оттек болмаған жағдайда әлсіз қышқыл және әлсіз сілтілік ортада сумен тотығады [7].
Әлсіз қышқыл ортада:
(12)
Әлсіз сілтілік ортада:
(13)
Бұл реакциялар уран (ІІІ) иондарының U3+ гипергенез қабатында бола алмайтындығын көрсетеді.
Бес валентті уран сулы ерітінділерде химиялық тұрақтылығы төмендеу, көбіне диспропорцияланады [1, 7].
Уран (V) иондары ерітінділерде UO2+ катион түрінде кездеседі. Бұл катион рН=2-4 аралығында тұрақты болып келеді. Ерітінділерде тұрақсыз болуы төмендегі сызбада көрсетілгендей диспропорциялану реакциясымен түсіндіріледі [1, 7]:
(14)
(15)
(16)
Ерітіндінің иондық күшінің артуы уранның(V) диспропорциялану реакциясының жылдамдауына әкелетіні анықтылған [6].
Төрт валентті уран жоғарыда аталған валентті түрлеріне қарағанда химиялық тұрақты, және жер қыртысында төртвалентті күйінде бірқатар минералдар түзеді [1, 4]. Олар көбіне біріншілік минералдар және олардың ішінде маңызды орынға ие уранинит - UO2. Оған қоса төртвалентті уран түрлі оксидтер қосылыстары түрінде ((U,Th)O2, настуран-U3O8, карнотит-K2O*UO3*U2O5*3H2O, тюямунит-CaO*2UO3*U2O5*8H2O) күрделі танталдардың (Пирохлор-микролит-(Na,Ca,U)2(Ta,Nb ,Ti)2O6(O,OH,F)), ниобаттардың (Эвксенит-поликраз-(Y,U,Са,Th,Се)(N b,Та,Ti)2O6), сирек кездесетін металдардың фосфаттарының құрамында (Тюямунит-Ca(UO2)2(VO4)2.nН2О, n = 4-10), сирек металдарды изоморфты ауыстырады (орнын басады), кездеседі [1, 4, 6, 7].
Уран (IV) минералдары төмен ерігіштік қасиетке ие және табиғи жағдайларда желмен тозаңдалып ұшпайды. Ауада уран диоксиді UO2 біртіндеп уран триоксидіне UO3 дейін тотығады [4].
Уран (IV) иондары U+4 сулы ерітінділерде тұрақсыз, оңай U+6 дейін тотығады, . Табиғи жағдайларда тотықтырғыштар қатысынсыз, тек күшті қышқылды сульфатты және хлоридті орталарда тұрақты [14].
Мысалы, қышқыл ортада Fe3+ тотықтырғышы қатысында U(IV) оңай тотығады [14]:
(17)
Сол сияқты ауадағы оттек те төртвалентті уранды тотықтырады. Мұнда тотықтыру жылдамдығы айтарлықтай ортаның қышқылдығына тәуелді, себебі протонның немесе гидроксил иондарының босауымен қоса жүреді:
(18)
(19)
Әлсіз қышқыл ортада күшті қышқыл ортаға қарағанда тотығу жылдамдығы жоғары. Әлсіз қышқыл және бейтарап ортада тотығу жылдамдығының артуы уран(IV) ионының U4+ оттек құрамдас UO22+-ке, уранил ионына, дейін гидролизденбеген U4+-ке қарағанда оңай тотығатын оттек құрамдас гидролизденген U(OH)3+ ұқсас және басқа да формаларының түзілуімен түсіндіріледі [4].
Уранның алтывалентті күйінің ерітінділерде тұрақтылығы жоғары. Тек кейбір тотықсыздандырғыщтар ғана уранды(VI) тотықсыздандыра алады. Мұндай тұрақтылық барлық қосылыстардың құрамында уран(VI) уранил-ион UO22+ түрінде болуымен түсіндіріледі. Уранил ионы қосылыс құрамына толығымен кіреді және қалыпты жағдайларда өтетін әрекеттесулерде жоғары химиялық тұрақтылық қасиетімен ерекшеленеді. Бұл уран мен оттек арасында ковалентті байланыс түзіп болғасын 6d және 5f-орбиталарының бір бөлігі бос қалады, нәтижесінде қосымша оттектің екі жұптаспаған электрон жұптарының уранның бос орбиталарымен әрекеттесуі жүреді, яғни қосымша еселі байланыстар түзіледі [1].
.. ..
: O = U = O :
. . . .
(20)
Табиғи жағдайдарда уранил табиғи сулардың құрамындағы тотықтырғыштардың немесе оттектің әсерінен уран(IV) қосылыстарының тотығуы нәтижесінде түзіледі [1, 4, 14].
Уранил ірі катиондар қатарына жатады, сондықтан табиғи суларда уранил-ионының өте аз мөлшерінде де оларды тұндырғанда өздігінен уранилдің минералдары түзіледі.
Сулы ерітінділерде уранил-ион формасындағы уран(VI) амфотерлі қасиетке ие. рН2,5 кезінде UO22+ тобы гидролизге ұшырамайды және ерітіндіде күшті комплекс түзуші лигандтар болмағанда еркін немесе комплекс түрінде бола алады [14].
1.4 Уранның комлекс түзу қабілеттері
Уран актиноидтар тобына жатады және химиялық өте активті қасиетке ие. Электрондық конфинурациясы:
U92 -1S22S22p63S23p63d104S24p64d104f145 S2 5p6 5d10 5f36S2 6p66d17s2
Химиялық байланыстарда уранның 5f, 6d және 7s энергетикалық дейгелері қатысады, сонымен қатар 5f және 6d энергетикалық деңгейлерінің электрондары өте жақын. Осыдан уранның тотығу-тотықсыздану реакцияларының түрлілігі және жоғары комплекс түзу қасиеті түсіндіріледі [6, 14].
Күшті қышқылды сульфаты және хлоридті ерітінділерде төртвалентті уранның тұрақтылығы SO42- және Cl- иондарымен уран ионын (U4+) тұрақтандыратын комплекс түзу құбылысымен түсіндіріледі [1, 13, 14].
Сульфатты комплекс үшін ішкі сферасының тұрақтылығы төмендеу қасиетке тән, оған ерітіндінің минералды құрамы, сульфат иондарының артық немесе жетіспеушілігі, температура және т.б. едәуір ықпал етеді. Концентрлі сульфат иондары бар ерітінділерде анионды комплекстер түзіледі [13, 14]:
Сұйытылған ерітінділерде су молекулалары өте көп мөлшерде болғандықтан сульфат топтарын ығыстырып, аква-сульфатты анионды және бейтарап комплекстер түзеді.
(21)
Сульфат тобының ығысуы ары қарай жалғасып соңында аква-комплекс түзілуімен аяқталады:
Төртвалентті уран сулы ерітінділерде ерітіндіге қышқыл реакция бере отырып күшті гидролизденеді. Гидролиз төмендегідей өтеді [6, 13, 14]:
(22)
Соңына дейін гидролизденсе уран(IV) гидроксиді U(OH)4 түзіледі [14].
Әлсіз сілтілік ортада карбонат иондары қатысында уран (IV) карбонатты комплекс түзеді. Уран (IV) қосылыстарына концентрлі немесе артық сілтілік металдардың, аммонийдің карбонат иондары бар ерітінділерде жоғары ерігіштік тән. Карбонаты ерітінділерде төртвалентті уранның тотығуы сульфатты ерітінділерге қарағанда жылдамырақ. Карбонатты ерітінділердің жоғарғы рН мәнінде, сұйытылғанда, сілтілендіргенде және қышқылдандырғанда үдейтін төртвалентті уранның гидролизденуіне алып келеді.
Күкірт қышқылы ерітіндісінде рН2,5 кезінде уран(VI) уранил-ион түрінде, мұнда сульфат тобы диссоцирленген:
(23)
Егер сульфат иондары артық мөлшерде болса, онда уранил сульфат комплекстері түзіледі:
(24)
рН2,5 кезінде уранил ионының әрекеті өте күрделі, себебі бұл рН аралығында уранил-ион гидролизденеді. Гидролиз реакциялары күрделі және рН-қа, ерітіндінің минералды құрамына, комплекс түзуші лигандтардың болуына және ерітіндідегі уранил ионының концентрациясына тәуелді. Төмендегідей сызба бойынша деп болжайды:
(25)
(26)
(27)
(28)
(29)
(30)
(31)
(32)
(33)
Гидролиз реакциясының соңғы сатысы уранил гидроксидінің UO2(OH)2 түзілуімен және оның тұнбаға түсуімен аяқталады. Ерітіндідегі уранил ионының концентрациясына тәуелді уранил гидроксиді тұна бастауы рН 4-7 аралығында жатыр.
Комплекс түзуші лигандтар қатысында күрделі аква-гидроксокомплекстер түзіледі, мысалы сульфат иондары болғанда:
(34)
Бейтарап, әлсіз сілтілік карбонатты ерітінділерде уран(VI) карбонаты комплекс күйінде болады. рН9,5 кезінде уранил мен карбонат комплексіне қатынасы 1:3-тен кем, уранил карбонаттары уранил гидроксидін түзе отырып гидролизденеді. Карбонат немесе бикарбонат иондарының артық мөлшерінде уранил карбонат комплекстері өте тұрақты.
Уранил иондарының, карбонат иондарының концентрацияларына, ерітіндінің рН-на тәуелді күрделі уранилдің аква-карбонаттары түзіледі:
және тағы басқалары.
1.5 Уранның химиялық технологиясы
Химиялық технология - шикізатты өнімге және өндіріс құралдарына айналдыруда шикізатты тиімді өңдеудің химиялық процестері және үнемді әдістері жайлы ғылым. Бұл бастапқы заттардың құрамының, құрылысының және қасиетінің өзгерісіне алып келетін, химиялық әрекеттесу нәтижесінде жүзеге асатын процестерге негізделген [6].
Химиялық технология өнімнің үлкен көлемін техникалық орынды және экономикалық тиімді әдістермен өндірілуін зерттейді. Химиялық технологияның міндетіне өндірістік процесттердің және қосымша операциялардың физико-химиялық шарттарын зерттеу, технологиялық процесттердің сызба-нұсқасын құру, аппараттардың және қондырғылардың принципиалды құрылысын анықтау және оларды дайындауғы материалдарды таңдау кіреді [1,2,6].
Кен жыныстарын өңдегенде пирометаллургиялық және гидрометаллургиялық процестерді қолданады. Маңызды рольге гидрометаллургиялық әдістер ие [1, 29].
Гидрометаллургиялық процестеріне кен жынысынан, концентраттарынан, өндірістік жартылай өнімдерінен және қалдықтарынан химиялық реагенттердің сулы ерітінділерімен шаймалау арқылы металды өндіру және алынған ерітіндіден металды немесе қосылыстарын бөлу жұмыстары кіреді [1, 6, 29].
Уранның экономикалық тиімді жағдайда алынуы оңай мәселе емес. Концентрлеудің физикалық әдістері (флотация, гравитациялық, электромагниттік және т.б.) уранға қатысты шектеулі ауқымда қолданады. Уранның өндірілуі үшін кен жынысының кең көлемді өңделуі қажет. Осыған орай, уранның өндірілуі сулы гидрометаллургия процестеріне негізделген [1, 6].
Уранды кен жынысының өңделуі келесідей негізгі сатылардан тұрады [1,6,10]:
1. Кен жынысының өндірілуі.
2. Кен жынысын шаймалау шаймалауға дайындау:
1) бағалы минералдарды алу мақсатында кен материалын механикалық өңдеу (үгіту, ұнтақтау);
2) уранға кедей кен жыныстарын гравитациялық, радиометриялық сорттау, флотация және электромагниттік бөлу әдістері арқылы байыту;
3) қиын еритін минералдарды оңай еритін минералдарға ауыстыру үшін кен құрамын өзгерту; мұндай операциялар кен материалын айыру деп аталады. [11, 12]
3. Шаймалау.
Бұл жағдайда кен жынысының дайындық операцияларынан кейін кеннен уранды ерітіндіге өткізеді.
4. Қатты және сұйық фазаларды бөлу.
Бұл сатыда шаймалау нәтижесінде алынған өнімді ерітіндіден қатты фазаны жуу немесе фильтрация операциялары арқылы жүзеге асырады.
5. Уранды шаймалауда алынған ерітінділерден немесе пульпадан уранды бөліп алу. Химиялық тұндыру, ионалмасу құбылыстары, экстракция.
6. Уран қосылыстарының аффинажы (тазалау).
7. Уран оксидтерін алу.
8. Уран тетрафторидін алу.
9. Уран гексафторидін алу.
10. Уранды металл түрінде алу.
Уранды өндірудің жолдары: таулы, ашық таулы, шахталы, жер асты ұңғыма шаймалау және кешенді әдістердің (ашық таулы және шахталы әдістер) барлығы белгілі қондырғылардың, аппаратуралардың құрылуын талап етеді. Солардың ішінде экономикалық тиімді, жасалу және іске асу жолы оңай қол жетімді - жер асты ұңғыма шаймалау әдісі болып табылады [2, 3,10].
1.6 Уранды өндірудің жер асты шаймалау әдісі
Жер асты шаймалау - дамушы әдіс, қазіргі таңда уранды өндіруде кеңінен қолданылады. Бұл әдіс аз уақыт ішінде барлық зерттеу сатыларынан, өңдеуден және жер қыртысының депрессионды ауданында жататын, кен жынысының дауыдалуы және уранның алынуы ұңғыма арқылы жүлгізілетін, өтімді қалдық жыныстары болатын гидрогенді кен орындарында өндірістік енгізуден өтіп үлгерді [1, 2, 3, 6].
Жер асты шаймалау кезінде жер қойнауы арқылы еріткіштің айдауы, еріген уранның ионалмастырғыш смолалар көмегімен алынуы жүргізіледі [11]. Негізінде бұл үрдіс кез-келген кен орнында жүзеге асырыла алады. Жалғыз маңызды талап құрамына уран минералдары кіретін кеннің жоғары өтімділігінің болуы. Бұл өтімділік табиғи немесе жасанды жолмен кен жынысының мәжбүрлі үгітуі немесе қопарсытуы арқылы жасалады. Сөзсіз, табиғи өтімділіктің болуы процестің үнемділігін арттырады. Сонымен бірге қарапайым таулы әдістерде пайдалануы мүмкін емес уранға кедей кен орындары да жоғары тиімді болуы мүмкін [2].
Cілтісіздендіру - бұл ерітіндіге бір немесе бірнеше компоненттердің сәйкес техникалық еріткіштердің: су, сулы қышқыл ерітінділері, сілтілердің және кейбір тұздардың ерітінділерінің және т.б. әсерінен ерітіндіге өтуі. Уран технологиясында шаймалаудің басты мақсаты - уранның анағұрлым селективті толық еруі [1, 2, 3, 6, 7].
Жер асты ұңғыма шаймалау дамуының перспективасы уран кен орнының осы әдісті қолдануға тиімді, табиғи өтімділігі бар және уранды кен қабаттарын тек қана ұңғыма жүйесімен өңдеу шарттарында, геологиялық ерекшеліктері бар кен орындарымен байланысты. Мұндай ерекшеліктерге көбіне қабаттық тотыққан, атмосфералық оттекті сулардың айналымы таулы жыныстардан уранды сілтісіздендіріп шаймалап, тасымалдау жолындағы геохимиялық тосқауылдарға таралуы нәтижесінде құралған регионалды аймақтардың эпигенетикалық уранды кен орындары ие [2].
1.7 Жер асты сілтісіздендіру жүйелері
Уранды кендердің жер асты шаймалау 3 негізгі жүйе арқылы жүзеге асады [2]:
1) кен жынысының табиғи өтімділігін қолдану арқылы жер асты ұңғыма жүйесі;
2) кен жынысының табиғи өтімділігін қолдану арқылы шахталы жүйе;
3) кен жынысына жасанды өтімділік жасау арқылы шахталы жүйе.
Ұңғыма жүйесі қарапайым таулы өндіру әдісімен салыстырғанда капиталды құрылыстардың және капиталды шығындарды 2-4 есе азайтуға мүмкіндік беретін анағұлым тиімді әдіс. Оған қоса, ұңғыма жүйелері кезекпен жаңа кәсіпорындарды енгізуді қамтамасыз етеді. Соған қарамастан, өнім және капталды салымдардың қайтарымы аз уақыт ішінде қол жетімді, сондықтан кәсіпорыннан түскен түсім өзін-өзі жартылай қаржыландыра алады. Жер асты ұңғыма шаймалауда өнімнің өзіндік ортақ құны басқа таулы әдістермен салыстырғанда 3-6 есе төмен. Жер асты ұңғыма әдісі кендегі уранның мөлшеріне қатысты қойылатын талаптардың төмендеуіне әкеледі, яғни бұл әдіспен таулы өндіру әдісі арқылы өңдеуге тиімсіз болып табылатын уранның кендегі мөлшері аз кен орындарын өңдеуге жол ашады [2, 3].
Ұңғыма жүйесі кен орындарына бірқатар талаптар қояды, солардың ішіндегі ең маңыздысы кен жынысының өтімділігінің жоғары болуы. Алайда бұл талаптқа барлық кен орындар жауап бере алмайды, бірақ талапқа сай кен орындардың аумағы кең.
Қорытындылай келе ұңғыма жүйесі уран өндіру экономикасын тікелей өзгертуге алып келетін - жаңа технологиялық төңкеріс [2].
Кен жынысының табиғи өтімділігін қолдану арқылы шахталы жүйе ұңғыма жүйесіне бірқатар экономикалық және кәсірорынның құрылыстары жақтарынан жол береді және таулы өндіру әдісімен пара-пар болып келеді. Жаңа мекемелер кезекпен енгізу мүмкін емес, өнім тек барлық керек құрылыстар, капиталды жабдықтар аяқталғаннан кейін ғана алынады. Мұндай жүйелердің басты кемшілігі кен орнына қойылатын талаптардың қарама қайшылығы. Тиімді шаймалау үшін кен жынысының өтімділігі жоғары болу керек, алайда мұндай кен орындарының тұрақтылығы төмен, сондықтан таулы өндіріс жұмыстарын жүргізу қиындық туғызады. Тұрақтылық пен өтімділіктің оптималды үйлесуі өте сирек [2, 3].
Түйіндей келе мұндай жүйелі уран өндіру әдісінің зерттеу жүргізудің мағынасы жоқ. Тек кен орындарын зерттеу кезінде бұл жүйеге жарамды екендігі жайлы айтуға болады. Уранды ұңғыма шаймалау шаймалау - уранды өндірудің тиімді жолы [2, 3].
Кен жынысына жасанды өтімділік жасау арқылы шахталы жүйе экономикалық тұрғыдан қымбат әдіс болып табылады. Өндірудің таулы жүйесіне қарағанда бұрғылау жарылыс жұмыстарымен кенді жыныс қопарсытылған және босаңсытылған күйі жер қыртысында блоктар түрінде қалады, жер бетіне зауыттарда өңдеуге шығарылмайды. Капиталды және дайындық жұмыстарының көлемі азаймайды, таулы өндіру әдісімен салыстырғанда жалпы капиталды шығынның көлемі 15 -- 20% төмендейді [2].
Мұндай жүйе Ресейде және ТМД елдерінде уранды соңына дейін өндіру мақсатында, көбіне кен орнының бай бөлігін өңдегеннен кейін, құрамында уран аз қалған бөлігін өңдеуде қолданады. Капиталды шығындар кен орнының уранға бай бөлігінен түскен түсімнің арқасында өтеледі және таулы өндіру әдісімен салыстырғанда тиімді болып келеді. Мұндай қосарланған жүйелер қазіргі кәсіпорындарда қолдануда [2, 3].
Мұндай жүйелер таулы өндіру әдісіне тиімді барлық кен орындары үшін қолдануға болады.
1.8 Жер асты шаймалаудың физико-химиялық ерекшелігі
Жер асты шаймалау кезінде әрекеттесудің физико-химиялық мәнін заводтардағы гидрометаллургиядағы дәл сол гетерогенді химиялық әрекеттесулер құрайды. Гетерогенді жүйелердің диффузионды-кинетика теориясы бұл әрекеттесулердің ғылыми негізі болып табылады. Бұл теория ХХ ғасырдың бірінші жартысында дамыған, оған еуропалық және орыс ғалымдары едәуір үлес қосқан [5].
Бұл теория бойынша гетерогенді жүйелерде еру үрдісі жалпы түрде негізгі 3 сатыдан тұрады [5]:
I) еріткіштің әрекеттесу қатты зат бетіне келуі;
2) фазалар бөліну қабатында химиялық әрекеттесу;
3) әрекеттесу нәтижесінде пайда болған өнімдерінің реакциялық беттен әкетілуі немесе шығарылуы.
Шаймалау процесінің жалпы жылдамдығы үш сатының жылдамдықтарымен анықталады, сондықтан процестің жылдамдықтарының қосындысының коэффицентіне кері шама әр сатының жылдамдық коэффиценттерінің кері шамаларының қосындысына тең. Осыдан келе бір сатының жылдамдығы басқа сатылардың жылдамдықтарына қарағанда төмен болса, жалпы процестің жалпы жылдамдығы баяу сатының жылдамдығымен анықталады [5].
Шаймалау - еріген реагенттердің, еріткіштің қатты затпен - рудамен - күрделі гетерогенді әрекеттесу процесі [3, 6]. Шаймалау жылдамдығы , яғни уақыт бірлігіндегі ерітіндіге өткен заттың мөлшері, көп факторларға тәуелді: минелардың типіне, еріткіштің түріне және концентрациясына, температураға, минералдың меншікті беттік ауданына, араласу қарқындылығына, кен жынысының өтімділігіне және т.б. Аталған факторлар процесс барысында кен жынысына, өтімділік дәрежесіне тәуелді өзгеріп отырадыp [1].
Шаймалау процесі келесідей сатылардан тұрады [1]:
реагенттің ерітінді көлемінен сыртқы диффузионды қабаттан қатты зат бетіне диффузиясы;
реагенттің қатты реакция өнім қабатынан немесе қатты фазаның қуыстары арқылы диффузиясы - ішкі диффузиялық қабат;
сілтісіздену шаймалау өтетін минералдың бетінде химиялық реакция;
реакция өнімдерінің ішкі қуыстардан қатты зат бетіне диффузиясы;
реакция өнімдерінің сыртқы диффузиялық қабатқа ерітінді көлеміне диффузиясы.
Кен жынысында уран аз мөлшерде болғандықтан шаймалауді келесідей модель бойынша қарастыруға болады:
Қатты заттың, сұйықтықпен беттесе тұрып, беті қабыршақпен қапталады және ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz