Уранды сілтімен шөктіру
5
6
7
8
Аңдатпа
Бұл дипломдық жобада сорбция және десорбция үрдістері үшін
компьютерлі тренажер жасалынып, қарастырылған. Жобаның экономикалық
тиімділігі есептеледі және еңбек қауіпсіздігі қарастырылады.
Технологиялық бөлімде уранды рудаларды жер асты сілтіден айыру
және уран ерітінділерін өңдеудің сорбциялық және десорбциялық тәсілдері
толықтай түсіндірілген.
Арнайы бөлімде дипломдық жобаны жүзеге асыру кезінде
қолданылатын ақпараттық және бағдарламалық қамтамасыздандыру толықтай
сипатталған. Сорбция және десорбция үрдістерінің математикалық моделі
құрастырылып, басқару экраны мен маниторингтің сипаттамасы SCADA
жүйесіне қосылған.
Экономикалық бөлімде жасалынған SCADA жүйесінің өндіріске
енгізілуінің экономикалық тиімділігі, оны қолданысқа енгізуге кететін
шығындар, жылдық үнемдеу мен өзін-өзі өтеу мерзімі қарастырылған.
Ал қауіпсіздік және еңбекті қорғау бөлімінде лабораториялық бөлме
ішіндегі ауа алмасу есептелініп, табиғи жарықтың ұйымдастырылуы сонымен
қатар өрт қауіпсіздігі қарастырылған.
Аннотация
В данном дипломном проекте рассмотрена разработка компьютерного
тренажера по управлению процессом сорбции и десорбции. Рассчитана
экономическая эффективность проекта, рассмотрен регламент охраны труда.
В технологической части рассмотрена подземное выщелачивание урановых
руд. Также сорбционные и десорбционные методы переработки урановых
растворов.
Основная часть содержит информацию о требовании аппаратного и
программного обеспечения. Также
построена математическая модель
процессов сорбции и десорбции. Выведены на SCADA систему описание
экранов управления и мониторинга.
Экономическая часть содержит расчеты, которые дают нам
информацию о расходах использованных материалов, програмного
обеспечения и о эффективности проекта.
А в части безопасности и охраны труда рассмотрены расчеты по
вентиляций в лабораторной комнате, природное освещение, а также, пожарная
безопасность.
9
Мазмұны
Кіріспе
1 Бөлім. Технологиялық бөлім
1.1 Рудадан уранды сілтіден айырудың физико-химиялық негізі.
1.2 Уранды рудаларды жер асты сілтіден айыру
1.3 Уран ерітінділерін өңдеудің сорбциялық тәсілдері
1.4 Уранды сорбциялау процесінің физико-химиялық негіздері
1.5 Уранды күкіртқышқыл ерітінділерден сорбциялау тәсілімен
өндіру процесі
1.6 Қаныққан шайырлардан уранды десорбциялау
1.6.1 Десорбцияның нитраттық тәсілі
1.6.2 Уранды қатты фазалық десорбциялау (ҚФД)
1.6.3 Уранды карбонаттық - сульфаттық ерітінділермен сұйық
фазалық десорбциялау тәсілі
1.6.4 Конверсиялау тәсілі
1.6.5 ЭД - процесс. (Уранды экстракциондық десорбциялау)
1.7 Уранды тауарлық десорбаттардан шөктіру арқылы сары кекті
өндіру.
1.7.1 Уранды сілтімен шөктіру
1.7.2 Тауарлық регенераттардан сары кекті шөктіру
1.7.3 Уранды нитраттық регенераттардан шөктіру
2 Бөлім. Арнайы бөлім
2.1 Аппараттық және бағдарламалық қамсыздандыруға қойылатын
талаптар
2.2 Тренажердің қызметі
2.3 Тренажерға қойылатын талаптар
2.4 Компьютерлік тренажердің құрылымы
2.5 Бағдарламалық қамсыздандырудың сипаттамасы
2.6 Компьютерлік тренажерлік кешенді құру үшін қажетті
математикалық модельді жасау
2.7 GENESIS 32 бағдарламалық қамтамасыздандыру экранының
сипаттамасы
2.7.1 Ағымдағы хабарландыруларды бейнелеу облысы
2.7.2 Мнемосұлбалардың қайта қосқыштары облысы
2.8 Технологиялық процесті басқару
2.9 Басқару және мониторинг экрандарының сипаттамасы
2.10 Десорбция және денитрация тораптарының технологиялық
торабы экраны
2.11 Десорбциялайтын және тағы басқа ерітінділерді даярлау
технологиялық торабының экраны
2.12 Оқытушының басқару экраны
2.13 OPC Сервер
2.14 OPC Клиент
3 Бөлім. Экономикалық бөлім
10
8
9
9
11
14
16
19
30
30
31
32
33
33
34
35
35
37
38
38
38
39
40
41
41
43
44
44
46
46
51
58
60
64
65
66
3.1Уранды
виртуалды тренажер арқылы өңдеудің және
66
пайдаланудың технико-экономикалық негіздемесі
3.2 Экономикалық тиімділікті есептеу
3.2.1 Тренажерды өңдеуге және пайдалануға жұмсалатын қаржы
3.2.2 Өңдеушілер жалақысы
3.2.3 Техникалық өнімдердің есептелуі кезіндегі шығындар
3.3 Тренажерды қолданысқа бергеннен кейінгі шығындар
3.4 Жылдық табыс
3.5 Өтеу мерзімі
4 Бөлім. Өміртіршілік қауіпсіздігі бөлім
4.1 Ауа алмасуға қойылатын гигиеналық талаптар
4.2 Лабораториялық бөлме ішіндегі ауа алмасуды есептеу
4.3 Өрт қауіпсіздігі негіздері
4.3.1 Жану
4.3.2 Өрттің шығу себептері
4.3.3 Өртке қарсы шаралар
4.3.4 Өрттің адам ағзасына әсер ететін қәуіпті факторлары
4.4.5Өрт сөндіру материалдары
4.4.6 Өртті көбікпен сөндіру
4.4 Табиғи жарықтандыруды қамтамасыздандыру
4.5 Дербес компьютер
4.6 Дербес компьютерді пайдалану ережелері
Қорытынды
Қолданылған әдебиеттер тізімі
11
68
68
68
69
70
71
72
73
73
76
77
78
80
80
81
81
81
81
82
83
85
86
Кіріспе
Қазіргі таңда автоматтандыру және басқару сонымен қатар басқа да
ғылыми техникалық салаларда қолданылатын өзекті тақырыптардың бірі
болып, сапа көрсеткіші, жылдамдық, дәлдік және үнемділік болып табылады.
Осындай нәтижелерге жету үшін, ғалымдар жүйенің тиімділігін анықтау үшін
көбіне оның яғни жүйенің математикалық моделін жасауды ұйғарады.
Математикалық модельдер арқылы жасалатын эксперименттер нақты басқару
объектілерінде жүретін эксперименттерге қарағанда қауіпсіз әрі тиімді болып
саналады. Өйткені біз дәл осы математикалық модель арқылы әртүрлі
процестерге шарт бере отырып оның нәтижелерін байқай аламыз.
Нәтижелерді бағалау басқару объектісіне қатысты ақпараттарды дұрыс өңдеу
үшін көптеген әдістер арқылы математикалық анализ жасаудың дербес және
үлкен бөлігі болып табылады. Басқару объектісі жайлы априорлы ақпаратты
алғаннан соң жүйеге иденфикация жасай аламыз және барлық параметірлерді
бағалап, жүйенің орнықтылығын анықтап динамикалық жүйеге бейімделген
модель жасап нақты басқару объектісі мен модель арасындағы
айырмашылықты минималдай аламыз.
Технологиялық үрдістерді автоматтандыру жүйелерінде компьютерлі
басқару жүйелерін енгізу, соның ішінде SCADA - жүйелерін енгізу кеңінен
қолданылып жатыр. Өндірістік кәсіпорындарда пайдаланушы қызыметкерлер
құрамын дайындау кезінде, оларды жаңа автоматтандыру техникасымен
таныстыра қоймай компьютерлі басқару жүйелерімен практикалық түрде
таныстыру қажет.
Технологиялық үрдістерді басқару кезіндегі қызыметкерлердің кесірінен
туындайтын жоспарланбаған аварияларды болдырмас үшін,
қызыметкерлердің дайындығын үнемі бақылап отыру қажет. Соның ішінде
операторлардың қателігінен кеткен ақаулар, өндірісте болатын ең ауқымды
авариялардың төрттен бірі болып табылады.
Сондықтан компьютерлі тренажерды қолдану қызыметкерлер құрамын
кәсіби дайындаудаға дүниежүзілік практикада қолданылады, өйткені оқыту
кезінде нақты жабдықтармен қамтамасыздандыру үлкен шығындарды талап
етеді және ол мүлдем мүмкін емес десе де болады.
Ұсынылып отырған
виртуалды
тренажер нақты технологиялық
процестерді басқару кезіндегі жұмыс қабілетін алуды қамтамасыз етеді.
Мұндай тәсіл басқару объектілерін жеке-жеке қарастыруға және ТҮ АБЖ
пайдаланудағы практикалық дайындықты қамтамасыз етеді. Сонымен
компьютерлі виртуалды тренажер мамандардың дайындығын жоғары және
жаңа деңгейге жеткізуге мүмкіндік береді.
12
1 Бөлім. Технологиялық бөлім
Есептің қойылымы. Дипломдық жобаның мақсаты уранды жер
астындағы ұңғымалардан сілтілеу тәсілімен өндірудің, соның ішінде сорбция
және десорбция технологиялық процестерін басқаруды оперативтік
персоналға үйрету үшін компьютерлік тренажерды құрастыру.
1. Компьютерлік тренажердің құрылымына шолу;
2. Сорбция және десорбция процестердің технологиясын сипаттау;
3. Компьютерлік тренажерлік кешенді құру үшін қажетті
математикалық модельді жасау;
4. GENESIS32 және MATLAB бағдарламаларын OPC сервер арқылы
байланыстыру;
5. GENESIS32 бағдарламалық қамтамасыздандыру экранында
виртуалды компьютерлік тренажердың мнемосұлбасын сызу;
5. Экономикалық тиімділігін есептеу;
6. Өміртіршілік қауіпсіздік есептерін орындау.
Өзектілігі.
Технологиялық үрдістерді басқару кезіндегі
қызметкерлердің қателігінен туындайтын жоспарланбаған аварияларды
болдырмас үшін, қызыметкерлердің дайындығын үнемі бақылап отыру қажет.
Соның ішінде операторлардың қателігінен кеткен ақаулар, өндірісте болатын
ең ауқымды авариялардың төрттен бірі болып табылады.
Сондықтан компьютерлік тренажерды қолдану қызыметкерлер құрамын
кәсіби дайындауда дүниежүзілік практикада қолданылады, себебі оқыту
кезінде нақты жабдықтармен қамтамасыздандыру үлкен шығындарды талап
етеді және ол мүлдем мүмкін емес десе де болады.
1.1
Рудадан уранды сілтіден айырудың физико-химиялық негізі.
Қышқылдық сілтіден айырудың химиясы
Механикалық байыту әдістерімен уранды шығарып алу мен байытудың
қанағаттандырарлық дәрежесіне қол жеткізу әрдайым мүмкін бола бермейді.
Сондықтан, уранды кендерді байыту және бай, әрі таза уранды
концентраттарды алудың негізі болып химиялық концентраттар болып
табылады, ол рудалық шикізаттан уранды селективті сілтіден айырумен
түйінделеді, кейін ерітіндіден селективті тұндыру әдісімен әжептәуір таза
қосылысты уран - уранды химиялық концентраттарды алу үшін қолданылады.
Уранды рудаларды бұндай өңдеу жер-жерде гидрометаллургиялық
әдіспен жүргізіледі. Гидрометаллургиядағы негізгі операция - металлды сол
немесе басқа қосылыстар түрінде сілтіден айырылады. Сілтіден айырудың
негізгі мақсаты - еріткіштегі уранды көбіне толық және селективті еріту.
Уран құрамындағы рудалар мен минералдардың көп типтілігіне
қарамастан, олардың көп бөлігі минералды қышқылдар мен сілтілік
металлдардың карбондық ыстық ерітінділерінде ериді. Осыған сәйкес уранды
13
рудаларды сілтіден айырудың екі негізгі әдісі бар: қышқылдық және карбонды
(содалы). Реагенді таңдау жалпы алғанда руда типіне, уран минералдарының
сипатына және бос жыныстың құрамына тәуелді. Мұнда бірінші ретті
минералды уран қиын еритін оксидтермен химиялық байланыстағы уранинит
және жартылай настуран сияқты карбонаттармен қиын бұзылады. Оны ашу
үшін сол сағатта концентрцияланған қышқыл қажет. Барлық екінші ретті
минералдар сілтіден айырудың белгілі шарттарын ұстанғанда қышқылдың да,
сілтінің де әсеріне беріледі. Бірақ рудада кальцит, доломит және магнетиттің
болуынан қышқылдық сілтіден айыру кезінде реагентті жұмсау көтеріледі,
бұл жағдайда руданы сілтіден айырудың карбондық әдісі тиімді болады.
Егер сілтіден айыру процесі руда құрамына тәуелсіз болса, онда әдісті
таңдау реагент пен жабдықтардың құнымен, уранды тотықтыру әдісімен,
қоспалармен былғану дәрежесімен, пульпа және ерітінділерден уранды
шығарып алу әдісімен және т.б. анықталады. Үнемді ретінде қышқылды
сілтіден айыру кеңінен қолданыста, бұған азотты, күкірт және тұзды
қышқылдар жарамды. Барлық уранды рудалардың 90% сұйытылған
ерітінділерге тотықтандырғышты қосып немесе қоспай сілтіден айырылып
өңделеді.
Уранның гидрометаллургиясында күкірт қышқылымен уранды сілтіден
айыру реагентті уранның суда ерімейтін минералдарының химиялық әсерімен
бірге жүреді. Сілтіден айыру кезінде ерітіндідегі уранның химиялық
потенциалы оның қатты фазадағы химиялық потенциалына тең болғанда
термодинамикалық тепе-теңдік орын алады. Бұл кезде қол жететін шекті шама
берілген температурада уранның ерітінділенуі болып табылады. Уран
минералдарының күкірт қышқылында еру реакциясының ықтималдығы Гиббс
энергиясының өзгеруімен анықталады. Термодинамикалық функцияларды
есептегенде бұл фунциялардың ерігенде, гидрацияда және кристаллдық
торлардың түзілуі кезіндегі өзгерісі есепке алынған. Алты валентті уранның
еру реакциясы үшін G -ды есептеу
.
(1.1)
Термодинамикалық
G 83.74 кДжМоль.
мәліметтерге
сәйкес
мына
мәнді
көрсетті
Тәжірибеде қолданылатын реагенттердің концентрациясы ретінде
(формула жазылуы керек)
рН=2 болғанда [UO22+] = 0,01 М и [H+] = 0,01 М,
∆G = ∆Gо + RT ln
UO 22
H 2 = - 72,435 КДжмоль
Бұл алты валентті уранның күкірт қышқылында еру реакциясының
14UO3тв 2Н водн UO22водн Н 2Оводн
жайлы өтіп жатқандығын көрсетеді.
Төрт валентті уран минералдарының күкірт
реакциясының G -ді есептеу мына мәнді көрсетті
UO2 + 4H+ -- [U4+] + 2H2O,
қышқылында
еру
(1.2)
[U4+] = 0,01 M; [H+] = 0,01 M,
U 4
4
Ол өз кезегінде берілген шарт кезінде бұл реакцияның өтуі мүмкін
еместігін айтады.
Күкірт қышқылының диссоцияланбаған молекулаларының қатысуы
кезінде G =-64,9 КДжМоль. Бұл тек күкірт қышқылының коцентрацияланған
ерітінділерінде ғана мүмкін, ал сұйытылған ерітінділерде диссоцияланбаған
молекула жоқ.
Сонымен, егер бастапқы руда құрамында көбінесе төрт валентті уран
(уранинит, настуран және басқа уранды минералдар) болса, онда ерітіндіден
уранның жақсы шығуын күтіп қажеті жоқ. Негізінде, бұл жағдайда төрт
валентті уранды жақсы еритін алты валентті уранға түрлендіру үшін
тотықтандырғыш(пиролюзит) қолдануға тура келеді.
Жоғарыда аталған G ( 41.87 КДжМоль) константаның үлкен теріс
мәндерінде сілтіден айыру реакциясының тепе-теңдігі өте үлкен және реакция
қайтымсыз, ол минералды шикізаттан уранды сілтіден айыру реакцияларының
көбіне тиесілі.
1.2 Уранды рудаларды жер асты сілтіден айыру. Уранды рудаларды
жер асты сілтіден айыруды қолдану шарттары
Жер асты сілтіден айыру жаңа және прогрессивті әдісі ретінде қазіргі
кезде уранды өндіруде Қазақстанда кеңінен қолданылады. Бұл әдіс қысқа
уақытта зерттеулердің, құрастырудың, және гидрогенді кен орындарында
өнеркәсіптік ендірудің барлық сатыларынан өтті.
Бұл әдісті қолданғанда қымбатқа түсетін кеніштерді құру немесе карьер
және гидрометаллургиялық заводтарды тұрғызудың керегі жоқ; кен
орындарын эксплуатациялауда құрылыста жұмыс орындары қысқарады;
табиғи жер асты шикізат ресурстары көбейеді.
Бұл жерде еңбек шарттары жақсарады, жер қойнауының байлығын
толық қолданыла бастады, өндіру және өңдеу процесінді уранды жоғалту
минимумға жетеді, баланыстырылған рудалардан уран шығарып алынады.
Жер асты сілтіден айыру қоршаған ортаны қорғауда маңызы өте зор, өйткені
оны қолданғанда жердің үстіңгі қабаты және ауа бассейні ластанбайды деуге
15∆G = ∆Gо + RT ln H = + 12, 56 КДжмоль.
болады [1].
Руданың өтімділігі мен сыйғызушы жыныс сілтіден айыру ерітіндісінің
ең басты шарттарының бірі болып табылады, сондықтан кен орындарын
барлау кезінде фильтрациялау қасиеттері ең бастысы болып табылады.
Руданың өтімділігінің және жыныс сыйымдылығының сандық
көрсеткіші фильтрация коэффициентімен анықталады, оның өлшем бірлігі
мтәулік (немесе смс). Бұл жерде руда фильтрациясының бір типті еместігі
және жыныстың руда сыйымдылығы үлкен рөл атқарады, ол конвективті
дисперсиясын және ерітіндінің таралуын анықтайды. Жақсырақ деп қазіргі
кездегі максимал өтімділікті және уран минералдарының конценртациясы көп
рудалардың орнын айтады. Біржақты құрамында ураны жоқ жыныстарда
максимал өтімділік тиесілі болғанда, жағдайда жұмыстың құны өндірілмейтін
реагенттерге жұмсалатындықтан өседі.
Кен орындарында жер асты сілтіден айыру әдісімен өңделетін уран
минералдарының арасында уран оксидтері - настуран және уранит, уран
силикаттары - коффинит және ненадкивет, сирек түрде уранның фосфаты -
отенит, уранил ванадаты - тюямунит, уранил сульфаты - уранопилпт және
цеппетит дамыған. Рудада браннерит және басқа титандардың бар болуы,
сонымен қатар құрамында уран бар циркондар, аршиновиттер, монациттер
және апатиттердің бар болуы рудадан уранды сілтіден айыруын қиындатады.
Табиғаттағы сульфатты қышқыл суда барлық уран минералдары активті
ериді, оған қоса құрамында UO2 бар күрделі оксидтер, бұл кезде олрдың
химиялық әрекеті рН ортасына тәуелді болады. Бірақ та, ол минералдар да әр
түрлі кен орындарындағы рудалардың ерітімділігі бірдей емес.
Настурандардың ішінде күкірт қышқылында коффиннің бұзылысынан
пайда болған түрлері жақсы ериді. Сонымен, руданың құрамында
коффиниттің бар болуы жер асты сілтіден айыру жұмыстарының дамуына оң
әсер етеді. Коффинитті қышқылдарда оңай еритін уран оксидтерімен
ауыстыруға болады. Осыған орай, коффинит агрегаттарын және уран
оксидтерін рудадан тығыз настуран жиынына қарағанда оңай сілтіден
айырады.
Жер асты сілтіден айыру жұмыстарын алға бастыратын факторлардың
біріне уран черні және слюдкасы сияқты минералдардың бар болуын
жатқызуға болады.
Жер асты сілтіден айыру әдісін қолданылатын реагенттерде әлсіз
еруімен өзгешеленетін уран рудаларының құрамына кіретін жынысты
минералдардың кен орындарында кеңінен қолдануға болады. Бұлардың ең
басты құрамы: кварц, суарылатыншпат, слюда және гидрослюдалар. Уран
рудаларындағы алюмосиликаттарды сілтіден айыру процесін топырақты
минералдар, көбінде ісініп кететін топырақ қиындатады.
Рудалық жыныстардың құрамында карбондар минералдар болса,
қышқылдық сілтіден айыруда реагент шығыны ұлғаяды. Тәжірибелік
жұмыстар рудалық жыныстардың құрамында карбонның болуы (CO2 2%-дан
көп болса) қай жағынан қарасақ та, жер асты сілтіден айыру процесін
16
қиындатып жібереді: қышқылдың шығыны тез өседі, фильтрленген аймақтар
мен сору скважиндерінің фильтрінің газдық және химиялық кольматациясы
үдей түседі.
Жер асты сілтіден айыру кезінде ерітіндімен жуылатын ашық ойысты
және жарықты, минералдары қуыс (поры) қабырғаларына үйренген уран
рудалары көбінде толықтай болады.
Жер асты сілітіден айыру процестерін жүргізуде жыныстық
компоненттерде уран минералдарының дақ түріндегі жиналуы теріс әсерін
тигізелді, оның қасиеті жағынан қолданылатын технологиялық ерітінділерде
өтімділігі төмен болады. Бұндай компоненттерге жыныстардың минералдақ
бөліктері: цемент,
фосфитті уранды конкреция, фосфорланған және
углефицирленген қазбалардың қалдығы және жыныстағы өсімдіктер қалдығы,
құмдағы топырақтың линзалары жатады.
Егер рудадағы топырақ уран минералдарының концентрациясның
орындарымен кеңістікті байланысты болса, онда жер асты сілтіден айыру
процесінің нәтижесі болмайды. Егер уран минералдары мен топырақтарының
орындары бытыраңқы болса (уран минералдары - өтімділігі жоғары жыныста,
ал топырақ - ураны жоқ аймақта болса), жер астында технологиялық процесс
сәтті болады. Топырақтың осындай таралуы жер асты сілтіден айыру процесі
үшін оң әсерін тигізеді. Ол уранды шығарып алуда қышқылдың минемал
шығынын қамтамасыз етеді.
Рудадағы және араласқан жыныстағы карбонаттар мен топырақтың
мәндерінің таралу заңдылығы жер асты сілтіден айыру әдісімен кен
орындарының эксплуатациясының әр түрлі стадияларының эффективтілігін
болжауда технологиялық процесті таңдауда көмектеседі.
Жер асты сілтіден айыру әдісімен кен орындарын өңдегенде шешілетін
сұрақтардың ең басты есебі болып эксплуатациялаудың
гидрогеотехнологиялық режимінің тиімділігін анықтау табылады. Басты
табиғи факторларға кен орындарының сулылығы жатады. Ал басты жасанды
фактор болып жер асты су ағындарының пайда болуы табылады.
Үстемді кен орындарының көбі жер асты суларымен суланған. Рудалық
денелердің табиғи сулануы уранды жер асты сілтіден айыру процесіне жақсы
әсер етеді. Алдын ала құрғату шараларының қиындығы өңделіп жатқан
блоктардың депрессионды воронкаларынан ерітіндіні алу ыңғайлығымен
компесацияланады.
Жер асты сілтіден айыру әдістермен меңгеретін жер асты суларының
режимі көбінде тегеурінді болады. Бұл жағдайда басқарылатын
гидравликалық процесс оңай жүзеге асады. Ерітінділердің ағу бағыты мен
жылдамдығын реттеу үшін пластыда қысым айырымын тудырумен шектелуге
болады. Су тасушы горизонттың қысымсыз режимінде пластыдағы қажетті
градиентті қысымды оны жартылай кептірудің нәтижесінде алуға болады.
Жер асты сілтіден айыру әдісінің өнеркәсіптік гидрохимиялық режимі
рудалық жер қабаттарына еріткіш, тотықтандырғыш, кешен түзуші және басқа
реагенттерді енгізген
орынды болады. Жер асты суларының әлсіз
17
минералдануы жер асты сілтіден айыру процестері үшін жағымды әсерін
тигізеді. Жер асты сілтіден айыру процесі кезінде жер асты суларының
минерализациясы өседі, ионды алмасу смоласының ерітінділерінің өңделуін
қиындатады. Бастапқыда жер асты суларының жоғарғы дәрежеде минералды
болуы карбонды сілтіден айыру ерітінділерін қолдануды ыңғайсыз етеді.
Жер асты сілтіден айыру процесі кезінде жер асты суларының құрамы
маңызды рөл атқарады. Судың минералдануының негізгі компоненттеріне
HCO-3, SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+ жатады. Табиғи жағдайда жер асты
суларының анионы уранның жыныстан суға өтуінде үлкен рөл атқарады. Осы
кезде гидрокарбонат-ион үлкен рөл атқарады, ол тез еритін кешендердің
құрылуына қызмет көрсетеді. Табиғи судың құрамындағы HCO3 500-600 мгл-
дан аспайды. Карбонды сілтіден айыру кезінде HCO3 гидрокарбонат-ионның
концентрациясының шектен тыс болуы оң рөл атқарады.
Жер асты сілтіден айыру әдісімен өңделетін уранның көптеген кен
орындары сулылығымен ұқсас, ондағы оттегінің көлемі жеткілікті. Оның
судағы ерігіштігі 10 гл және одан да асады. Гидротехникалық процессте CO2
үлкен көлемде болса, ол карбонды рудалардың күкірт қышқылымен
әрекеттесіп, рудалық денелердің кольматациясына және оның өтімділігінің
төмендеуіне әкеліп соғады.
Сілтіден айыру кезінде суда күкіртті сутектің болуы теріс әсерін
тигізеді, төрт валентті формадағы уранды тотықсыздандырып, ерітіндіден
оның бөлініп шығуын қамтамасыз етеді.
Жер асты сілтіден айыру процесі кезінде оң әсер тигізетін факторлардың
бірі, күкірт қышқылды сілтіден айыруда жер асты суларында тотыққан
темірдің болуы.
Рудалық горизоттардың жер асты суларының реагенттермен қанығуы
табиғи гидрохимиялық жағдайлар азаяды, ал кен орындарын өңдеудеу
процесіндегі қабаттардың сілтіден айыруы болашақта жасанды факторларға
тәуелді.
Уранды сілтіден айыру кезінде технологиялық сұлбаларды және кез
келген жұмыс режимінің өзгерісін жоспарлау өңделетін рудалық денелердің
және
жыныстың сыйымдылығының геологиялық ерекшеліктерімен
анықталады.
1.3 Уран ерітінділерін өңдеудің сорбциялық тәсілдері
Сілтіленген кеннен ерітіндіні ажырату өте күрделі және қымбат
операция болып саналады. Пульпаны араластыру арқылы құрамында ураны
бар ерітіндіні ажыратып алу және сілтілеу қалдықтарын шаю үшін сілтелеу
тәсілін қолданғанда кеннің бүкіл массасы қатты және сұйық фазалардың
бөлінуінің көп кезеңді процесінен өткізіледі.
Ерітіндіні қатты фазадан ажырату процесі фильтрлеу (сүзгілеу) және
қоюландығыштарда үздіксіз қарсы арындық декантациялау арқылы жүзеге
асырылады. Соңғы жылдары бұл тәсілдер табиғи және синтетикалық
флокулянттарды пайдалану нәтижесінде жетілдіріліп жеделдетілді.
18
Ерітілген уранды құм фракциясын шайып тазарту классификаторлар
мен гидроциклондарда жүзеге асырылады.
Ажыратқыш аппараттардың құрылмасы,
олардың жұмыс істеу
принципі,
ажырату процестерінде флокулянттарды пайдалану
Ылғалсыздандыру курсында және Химия технологиясының процестері
мен аппараттары курсында және осы оқулықтың Сілтілеу процесінің
аппаратурасы бөлімінде қарастырылады.
Уранды ерітінділер мен пульпалардан ажырату үшін иондық алмасу
технологиясы қолданылады. Осы технологияны пайдалану арқасында
ерітінділір құрамындағы
уранның таңдаулы сілтіленуі және
оның
концентрациялануы (қоюландырылуы) қамтамасыз етіледі. Сонымен қатар
бұл процесте ерітінділердің негізгі қасиеттері өзгермейді. Сондықтан оларды
еріткішпен қосымша бекітіп алып, қайтадан жұмысшы ерітінді ретінде
кендердің құрамындағы уранды сілтілеу үшін қолдана беруге болады.
Сілтілеу технологиясында ерітінділерді кейінгі өңдеу шарттарын ескереді
(қалдықтық қышқылдылығы, тұздардың жалпы мөлшері, сорбциялау
процесінде депрессиялайтын компоненттердің болуы).
Сілтілеуден кейін түзілген өнімдік ерітінді құрамында алтывалентті
уран болады. Қазіргі заманғы теория уранның өзара байланыстырылған аква -
және ацидокешендерінің болуын қарастырады. Олардың құрамындағы
лигандтардың кеңістіктік орналастырылуы сорбция, элюирование немесе
экстракция процестерінің тиімділігін арттырады.
Спектрофотометрия, иондық алмасу және экстракция тәсілдерімен
алтываленттік уран үшін түрлі кешендік иондардың құрамы анықталып, бұл
иондардың түзілу константалары есептелген. Түрлі тәсілдерді қолдана
отырып иондардың түзілу константалары дәлме-дәл анықталды, уранил
катиондары үшін К1 =5,66,5, уранилсульфаттың бейтарап молекуласы үшін
К2 = 5096, уранилдисульфаттың анионы үшін К3=350900 және
уранилдтрсульфаттың анионы үшін К4=2500.
Сульфат ерітінділері құрамындағы уранның қарапайым кешендік
иондарының қатынасы ерітіндінің артық қышқылдылығына, құрамындағы
сульфат
-
иондардың мөлшеріне және уранның концентрациясына
байланысты өзгереді (1.1 - суреті). Арасында динамикалық тепе-теңдіктің
болуы оны аниониттер немесе катиониттер түрінде шығаруға мүмкіндік
береді, ол үшін тепе-теңдікті сорбцияланатын ион жағына жылжытса болғаны.
Ерітіндінің pН деңгейі 2,5 жоғары көтерілгенде уранил иондарының
полимеризациясы байқалады, нәтижесінде кешендік уранил - сульфаттық ион
U2O5(SO4)3 түрінде құрылып, аниониттердің көлемі едәуір жоғарылайды.
19
1.1 сурет - Концентрацисы түрлі мағыналарда болған күкіртқышқыл
ерітінділердегі уранның иондық қосылыстарының құрамы
Уран технологиясында иондық алмасу процесіне сипаттама жасамас
бұрын иондық алмасу процесінің
статикасын, кинетикасын және
динамикасын, сондай-ақ, сорбция динамикасының жалпы заңдылықтарын
қарастырайық.
1.4
Уранды сорбциялау процесінің физико-химиялық негіздері.
Сорбенттің қалқып жүрген қабатындағы ерітінді ағынынан
сорбциялау процесін зерттеу
Қалқып жүрген қабатта сорбция процесі жүргізілуінің негізгі
артықшылығы ағынның жылдамдығы жоғары болуы нәтижесінде процестің
жоғары қарқынмен өтуінде. Сонымен қатар қабаттың гидродинамикалық
кедергісін өсірудің қажеті болмайды. Бұл жоғарыдисперсиялық сорбенттерді
қолдануға мүмкіндік береді де процестің қарқыны одан сайын күшейеді.
Құрамында ұсақ заттар көп мөлшерде ұшырасатын қалқып жүрген қабатта
немесе сорбция процесінде түзілген
ерітінділерде сорбция процесін
жүргізудің маңызы аса зор.
Бұл бөлшектер сорбент түйіршектерінен әлдеқайда жеңіл болғандықтан
сұйықтық ағынының үлкен жылдамдығы және түйіршіктердің үздіксіз
қозғалысы сорбенттің аппараттың түбіне шөгуін азайтады және бөлшектердің
сұйықтық ағымымен бірге аппараттан айдалып кетуіне ықпалын тигізеді.
Мұндай ерітінділерден заттарды адсорбциялау тәсілімен ажыратқанда
сорбенттің аппараттың түбіне шөгуін болдырмау көп көлемдегі сұйықтықты
сүзгілеуді, десорбция алдында сорбентті шаюды және регенерациялауды
керек етпейді, сыйымдылық сорбентін тиімді пайдалану мерзімін ұзартады,
көлемін тиімді пайдалану мерзімін ұзартады, элюаттардың сапасын
жоғарылатады және жұмыс режимінің тұрақтандырылуына септігін тигізеді.
Қалқып жүрген қабатта сорбциялау процесін жүргізудің теріс жағы -
бөлшектердің өзара және аппарат қабырғаларымен соқтығысуы нәтижесінде
20
сорбенттің мүжіліп кетуі. Судың ішінде ісінген катионит түйіршектерінің
қалқып жүрген қабатында мұндай кемшілік мүлдем болмайды, себебі газ
ортасынан
сорбциялау кезінде ауа тұтқырлығымен салыстырғанда
тұтқырлығы жоғары орталарда серпімділігі жоғары бөлшектер өзара
соқтығысады.
Катионитпен КУ-2 (фракция 0,5-0,25 мм) жұмыс істеу тәжірибесі
көрсеткендей, пайдаланудың алғашқы тәуліктерінде фракцияны елегенде
қалған ұсақ бөлшектердің 3% дейін әкетіледі; одан әрі қарай жұмыс істегенде
ұсақ бөлшектердің әкетілуі тоқтайды, яғни, катион бөлшектерінің мүжілуі
мүлдем болмайды деген сөз.
Сорбенттің қалқып жүрген қабатында сорбция динамикасының сипатын
анықтайтын негізгі көрсеткіш - қабат бөлшектерінің толығымен араласуының
басталу уақыты. Тәжірибелер жасау процесінде толық араластырылуға, тіптен
қабаттар қысқа болғанның өзінде бірден қол жеткізу мүмкін емес. Қабаттың
ұзындығы көбейген сайын араласу уақыты да өседі, мысалы, ұзындығы 80 см
қалқып жүретін қабатта толық араластырылу 8 сағатта жүзеге асырылады (1.2
- сурет).
1.2
сурет - Катионит КУ-1 түйіршектерінің толығымен
араластырылуы уақытының қалқып жүрген қабаттың ұзындығына
(H = 2) тәуелділігі
Рационалды технологиялық сүлбелерді құрастыру үшін қорғаныс
әсерінің уақыты, концентрациялардың тұрақты градиенті облысының ені,
сондай-ақ, толық динамикалық алмастыру сыйымдылығы, бағана диаметрі
және қалқып тұратын қабат тұтас немесе жеке секцияларға бөлінген бе - осы
шамалардың бір біріне тәуелділігін анықтау аса маңызды рөл атқарады.
Тәжірибелер көрсеткендей, қорғаныс әсері уақыты бойынша сорбенттің
стационарлық және қалқып тұратын қабаттарын салыстырғанда қалқып
тұратын қабатты пайдаланған тиімді.
Сорбенттің қорғаныс әсері уақытының жалпы ұзындығы 110 см
құрайтын қалқып тұрған қабаттың әр секциясындағы қабаттың ұзындығына
тәуелділігі көрсетілген (1.3 - сурет).
Қорғаныс әсері уақытының секциядағы қабаттың ұзындығы ретінде
минимум арқылы өтуі бір жағынан, секция кішкентай болған сайын
бөлшектердің ұзына бойы араласуы да аз болуына және бұл жағынан
қарастырғанда қалқып тұратын қабат стационарлық қабатқа жақындау
21
болады. Екінші жағынан, секцияның ұзындығы ұлғайған сайын толық араласу
уақытының қабаттың ұзындығына тәуелділігі өсе береді, яғни, ұзындығы
өскен кезде қорғаныс әсерінің уақыты да жоғарылайды, мысалы, қабат 110 см
болғанда қорғаныс әсері уақыты көбейеді.
1.3 сурет - Ұзындығы 110 см секцияларға бөлінген катиониттің КУ-1
қалқып тұратын қабаты қорғаныс әсері уақытының наркотин ионы бойынша
әр секциядағы қабаттың ұзындығына тәуелділігі
Қалқып тұрған қабаттың жеке секцияларға бөлінуі сорбенттің бүкіл
қабат бойынша араластырылуына тосқауыл қою арқасында олардың
стационарлық қабаттағы қаныққандыққа эквивалентті қаныққандық деңгейін
көтеруге мүмкіндік береді. Қалқып тұратын қабаттың секциясы қысқа болған
сайын шартты жұмысшы қабатының ұзындығы да қысқа болатынын
өткізілген тәжірибелер дәлелдеді (1.4 сурет).
1.4 сурет - Катиониттің қалқыма қабатының ұзындығы бойындағы (l)
адсорбцияланған наркотиннің үлестірілуі
Зерттеулер көрсеткендей, ПДОЕ көрсеткіші бағананың диаметріне,
олардың секцияларға бөлінуіне байланысты емес және ағындардың
жылдамдығы 8000 шамасында болғанда тура осындай жылдамдықта
стационарлық қабатта қол жеткізетін ПДОЕ сәйкес болады.
22
л
2мчас
Қаныққан катионитті қалқып тұрған қабатта десорбциялау процесінде
өндірілген элюаттың құрамында стационарлық қабатта десорбцияланған
катиониттен алынған элюатпен салыстырғанда қосымша экстрактивтік заттар
мөлшері үш есе аз болады. Оның себебін катионитті қалқыма қабатта
адсорбциялағанда аппараттың түбіне шөгетін заттардың аз мөлшерде
болуымен түсіндіруге болады.
Жоғарыда айтылған нәрсенің барлығы адсорбциялық қондырғылардың
тиімділігін арттыру мақсатында сорбциялық процестерді сорбенттің қалқыма
қабатында жүргізгенін тиімді екенін дәлелдейді.
1.5 Уранды күкіртқышқыл ерітінділерден сорбциялау тәсілімен
өндіру процесі. Сорбциялық процестің негізгі заңдылықтары
Кедей кендерді қышқылдық сілтілеу тәсілімен өңдегенде алынған
ерітінділер құрамында көптеген қоспалар болады (темір, магний, алюминий,
марганец, сілтілік металдар, т б.), олардың концентрациясы ондаған, тіптен
кейде жүздеген есе уранның концентрациясынан артық болады. Кедей және
ластанған ерітінділерден уранды химиялық шөктіру тәсілімен өндіру
реагенттер шығынын жоғарылатады, уран шығындарын көбейтеді және
құрамындағы уран мөлшері тым аз химиялық концентраттар шығарылады.
Уранды кедей кендерден өндіру проблемасы иондарды алмастыратын
шайырларын қолдану арқасында шешімін тапты. Күкірт қышқылы
ерітінділерінен иондық алмастыру тәсілі арқылы уранды ажыратып алу тәсілі
алғашқы рет 1952 жылы ОАР (Оңтүстік Африка Республикасында), содан
кейін АҚШ, Канада, Австралия, Франция, тағы басқа елдердің зауыттарында
өнеркәсіп көлемінде қолданыла бастады.
Уранды пульпадан иондық алмасу тәсілімен өндіру технологиялық
сүлбеден сілтіленген кеннен ерітіндіні ажыратудың аса күрделі және қымбат
операциясын және ерітілген уранды сүзгілеу немесе қарсы ағымдық
декантация тәсілімен ажыратып алу операцияларын шығарып тастауға
мүмкіндік берді. Бұл фактор әсіресе сүзгілеуде, қоюландыруда, жуыш шаюда
көптеген қиындықтар тудыратын батпақ кендерді өңдегенде аса маңызды.
Тәсілдің жоғары техника-экономикалық тиімділігі арқасында уранды
органикалық еріткіштермен экстракциялаумен қатар тез арада сілтілегеннен
кейін уранды химиялық шөктіру тәсілдерін ығыстыруға септігін тигізді.
Уранды иондық алмасу тәсілін пайдалану арқылы өндіру процесі
иондық алмасу шайырлардың селективтік және сандық жағынан сілтілеуден
кейін уранды ерітінділер мен пульпалардан сіңіру қасиетіне негізделген.
Күкірт қышқылы ерітінділерінде алтывалентнтік уран бір бірімен
динамикалық тепе-теңдікте болатын уранил катионы (UO22+) және аниондық
сульфаттық кешендер түрінде кездеседі:
UO22+ + n SO42-
UO2(SO4)n2-2n.
(1.3)
Күкіртқышқылдық сілтілегеннен кейін уран катиондарды алмастыратын
23
шайырлардың немесе аниондарды алмастыратын шайырлардың көмегімен
ерітінділер мен пульпалардан ажыратылады.
Жалпы алғанда уранның иондарды алмастыратын ажыратылуы төменгі
реакциялар түрінде бейнеленеді:
- уран катиондық-алмастыру шайырларымен жұтылуы:
2R-H+ + UO22+
(R-)2UO22+ + 2H+,
(1.4)
- уран аниондарды алмастыратын шайырларымен жұтылуы:
4R+X- + UO2(SO4)34-
2R+X- + UO2(SO4)22-
(R+)4[UO2(SO4)3]4- + 4X- ,
(R+)2[UO2(SO4)2]2- + 2X- ,
(1.5)
(1.6)
мұнда
R - шайырлардың тіркелген иондары;
X - NO3-, Cl-.
Уранды бойына сіңіргеннен кейін иондарды алмастыратын шайырлар
ерітінділер мен пульпалардан ажыратылып, регенерацияланады (десорбцияға
ұшырайды, қалпына келтіріледі).
Регенерация процесінде
уран
десорбцияланады,
нәтижесінде
концентрациясы жоғары
(сорбцияға
жұмсалатын бастапқы ерітінді көлемімен салыстырғанда регенерацияға
көлемі азырақ ерітінділер жұмсалады), қоспалардан тазартылған уранды
сіңірудің келесі циклында қолдануға жарайтын уран ерітіндісі мен шайыр
шығарылады.
Иондық-алмасу шайырлар суда ерімейтін, ерітінділер мен пульпалардан
оң және теріс иондарды тура сондай заряды бар басқа иондардың
эквиваленттік мөлшеріне ауыстырып бойына сіңіріп алатын қатты заттар
түрінде болады. Алмастырылатын иондардың зарядтық белгісі бойынша
катиондарды алмастыратын шайырларға (катиониттер) және аниондарды
алмастыратын шайырларға (аниониттерге) жіктеледі.
Шайырлардың иондарды алмастыру қасиеті иониттің құрылымына
байланысты анықталады. Әр ионит валенттік күштермен немесе тор
күштерімен байланыстырылатын қаңқадан тұрады. Иониттің қаңқасында оң
немесе теріс заряд болады, ол заряд қарсы иондар деп аталатын иондар
зарядымен компенсацияланады. Қарсы иондар қаңқаның ішінде жылжып
тұрады және заряды тура сондай болатын басқа иондармен алмастырыла
алады.
Катиониттің қаңқасын жоғарымолекулярлық полианион, ал
аниониттің қаңқасын - жоғары молекулярлы поликатион ретінде қарастыруға
болады. Н+ түріндегі катионит - қаңқаның зарядын компенсациялайтын
(орнын толтыратын) қарсы иондар рөлін суда ерімейтін жоғарымолекулярлы
қышқыл түрінде болатын сутегі иондары атқарады; ОН- түріндегі анионит -
гидроксил иондарымен қосылған формада қарсы иондар ретінде суда
ерімейтін негіз түрінде болады.
24
Көрнекі бейнелеу үшін ионит моделін кеуектері ішінде қарсы иондар
айналып жүретін губка түрінде көрсетіледі (1.5 сурет). Егер губка ерітіндіге
батырылса, қарсы иондар одан шығып, ерітіндіге өтіп кетуі мүмкін. Бірақ ол
үшін электрлік бейтараптылық сақталуы тиіс, яғни, губка заряды кез келген
мезетте қарсы иондар зарядымен дәлме-дәл компенсациялануы тиіс.
Сонымен, қарсы ион губкадан оның орнына басқа ион кіріп, қаңқа зарядын
компенсациялауға қатысқанда ғана кіре алады. Ионитте алмасуға қабілетті
қарсы иондардың болуы немесе оның алмастырғыштық сыйымдылығы қаңқа
зарядтарының тығыздығымен анықталады және қарсы иондардың табиғи
құрылысына байланысты болады. Иондардың алмастырылу процесі шын
мәнінде стехиометриялық процесс болып саналады.
1 - бекітілген иондары бар матрица; 2 - қарсы иондар; 3 - котиондар.
1.5
сурет - Синтетикалық иондары алмастырылатын шайыр
құрылымының сұлбалық бейнеленуі
Егер А сұрыпындағы қарсы иондары бар ионитті В сортындағы қарсы
иондары бар ерітіндіге салса, А иондары ерітіндіге өте бастайды, ал В
иондары - ионитке өтіп кетеді. Бірақ уақыттан кейін тепе-теңдік орнайды:
ионит мен ерітінді құрамындағы екі сұрыптың иондары белгілі мөлшерлік
қатынаста болады. Бұл жағдай иондарды алмастыру тепе-теңдігі деп аталады.
Ионит кеуектерінде көбінесе тек қарсы иондар ғана болмайды. Егер
ионит ерітінді ішіне батырылса, кеуектеріне еріткіш зат және тағы басқа
ерітілген заттар кіріп кетеді. Еріткішті сіңіру арқасында иониттің ісінуі
басталады.
Иондық алмасу диффузиялық процесс болып саналады, оның
жылдамдығы қарсы иондардың жылдамдығына байланысты болады.
Электролит ионының иониттің қозғалатын иондарымен алмасуы бес кезекпен
өтетін сатылардан түзіледі:
- жұтылатын ионның ерітінді көлемінен иониттің беттеріне ауысу
процесі;
- жұтылатын ионның түйіршік ішінде алмасу нүктесіне қарай жылжуы;
- иондар алмасудың қосарланған реакциясы;
- түйіршік ішіндегі ионның алмастырылу нүктесінен ерітінді бетіне
қарай жылжуы;
25
- ығыстырылатын ионның түйіршек бетінен ерітінді көлеміне қарай
қозғалуы.
Иондардың алмастырылу реакциясы (3-саты) бір мезетте өтіп кетеді.
Иондық алмасу сіңірудің жылдамдығын анықтайтын 1,2,4,5 кезеңдер болып
саналады. Иондарды алмастыру реакциялардың диффузиялық сипатына
байланысты ионит түйіршектерінің мөлшері кішірейіп, кеуектілігі керісінше
ұлғайған сайын жылдамдығы өсе береді.
Берілген иониттің негізінен басқа қарсы иондармен салыстырғанда бір
сұрыптағы қарсы иондарды сіңіру қасиеті селективтілік деп аталады.
Иониттердің селективтілігі себептері төменгідей болады:
- зарядталған қаңқа мен қарсы иондардың түрлі сұрыптары арасындағы
өзара электростатикалық әрекеттесу күштері бірдей емес, сондықтан басқа
факторлармен қатар ион зарядының мөлшері үлкен рөл ойнайды;
- таза электростатикалық күштерден бөлек иондар мен қоршаған орта
арасында басқа күштер де әсер етеді; ионитте және ерітінді ішінде бұл
күштердің арасында үлкен айырмашылық болуы мүмкін;
- таза стериялық себептер бойынша үлкен қарсы иондар жұқа кеуекті
иониттердің іштеріне мүлдем кіре алмауы мүмкін.
Матрица деп аталатын синтетикалық иондарды алмастыратын
шайырлар көмірсутектік тізбектердің дұрыс емес формадағы
жоғарымолекулярлы кеңістіктіқорынан құрылады. Матрицада зарядты -
тіркелген иондарды тасымалдайтын белсенді ионогендік топтар болады.
Тіркелген иондар ретінде көбінесе қызмет етеді, катиондарда - SO3-, -
СОО-, - РО32-; аниондарда - NH3+;
H2+;
.
Иониттің матрицасы гидрофобиялық болады. Иониттерді дайындау
үшін қолданылатын бастапқы заттардың негізгісі - полистирол суда ерімейді
және судың ішінде ісінбейді. Тіркелген иондарды енгізу шын мәнінде
гидрофобиялық матрицаға гидрофильдық топтардың кіргізілуі. Нәтижесінде
полистиролдың желілік молекулалары суда еритін полиэлектролиттерге
айналады. Суда еріп кетуіне жол бермеу үшін иониттің матрицасы кеңістіктік
тігулі болады. Көмірсутектік тізбектер арасындағы көлденең байланыстар
олардың ажыратылуына және еруіне кедергі жол бермейді. Иониттің
түйіршегі дегеніміз - шындығында бір орасан зор молекула. Оны еріту үшін
С-С байланыстарын үзу керек.
Сондықтан иониттер иониттің өзін ыдыратпайтын барлық еріткіштерде
ерімейді. Матрица белгілі мөлшерде созылмалы болғандықтан иониттер ісінуі
мүмкін. Синтетикалық иондары алмастырылатын шайырлардың құрылымы
дұрыс болмайды, сондықтан кеуектерінің мөлшерлері де бірдей болмайды (1.5
сурет).
Синтетикалық иондары алмастырылатын шайырлардың қасиеттері
тіркелген иондардың санымен және типімен, сондай-ақ, матрица
құрылысымен және бірінші кезекте ондағы көлденең байланыстардың
санымен анықталады. Гидрофильдық топтар саны мен көлденең байланыстар
саны басқа факторлармен қатар иондары алмастырылатын шайырлардың ісіну
26
дәрежесіне әсер етеді. Өз кезегінде ісіну деңгейіне қарай иондардың
қозғалысы, алмастырылу жылдамдығы, электр өткізгіштігі және иондардың
қозғалысына байланысты басқа кинетикалық процестерді анықтайды.
Матрицаның құрылымы иониттің химиялық және термиялық тұрақтылығына
әсер етеді.
Фиксацияланған иондардың саны иондар алмасу процесінде аса
маңызды рөл атқарады. Мысалы, SO3-тәрізді фиксацияланған иондар
толығымен диссоциацияланған, сондықтан pН кең облысында алмасу
процесін іске асырады. СООН- тобы бейтарап немесе қышқыл ерітінділерде
көбінесе диссоциацияланбаған СООН түрінде болады, сондықтан оның
иондары алмасу қасиеттері депрессияға ұшырайды. Сутегі формасындағы
катионит диссоциация константасына байланысты күшті қышқыл және
әлсізқышқыл катиониттер ажыратылады. Аниониттер де дәл сондай болады:
, тәрізді фиксацияланған иондары бар аниониттер барлық жағдайда
толығымен диссоциацияланады, сондықтан күшті негізді болады; - NH2+
түріндегі фиксацияланған иондары бар иониттер бейтарап немесе сілтілік
ортада протоннан ажырап, зарядталмаған аминотоптар NH2 түзеді, сондықтан
әлсіз негізді болып саналады.
Фиксацияланған иондардың типі иониттердің қышқылдық немесе
негізгі күшін анықтайды, сонымен қатар көбінесе фиксацияланған иондар мен
қарсы иондар арасындағы өзара әрекеттесу әсеріне тәуелді болатын алмасу
тепе-теңдігінің жағдайына әсер етеді. Белгілі иондарға қатысты алғанда
иониттің селективтілігі диссоциация немесе сәйкес мономерлік тұздардың
ерігіштігі төмендеген сайын сондай-ақ, кешенді қосылыстар түзілген
жағдайда жоғарылай береді.
Иондары ауыстырылатын шайырлардың қасиеттерін ерітінділер мен
пульпалардан уранды өндіру жағынан қарастырғанда аса маңызды
факторлары: ауыстырылу көлемі, ісіну коэффициенті, шайыр бөлшектерінің
ірілігі және тығыздығы, механикалық беріктігі, химиялық тұрақтылығы,
гидравликалық қасиеттері, иондық алмасу жылдамдығы, селективтілігі,
шайырды пайдалану мерзімінің ұзақтығы.
Иондардың ауыстырылу көлемі шайырдың табиғатына, оның
функционалды топтарының мөлшері мен қасиеттеріне, сондай-ақ, шайырды
пайдалану жағдайдаларына байланысты болады. Шайырдың толық,
динамикалық және жұмысшы сыйымдылығы ажыратылады. Толық
сыйымдылығы шайырдың түрлі функционалдық топтарының толтырылуына
сәйкес келеді. Бұл көрсеткіш ертініді табиғатына, pН- ортасына, сорбция
жағдайларына еш тәуелді емес, бірақ тепе-теңдік күйінің орнатылуын қажет
етеді. Динамикалық сыйымдылық
нақты сорцияланатын
иондардың
мөлшерімен сипатталады және сорбция жағдайларына, мысалы, ерітіндінің
өткізілу жылдамдығына, ерітінді құрамына байланысты анықталады.
Жұмысшы көлемі динамикалық көлемге ұқсас болып келеді, бірақ бұл
көрсеткіш ионитпен жұтылған сорбцияланған иондар мөлшеріне сәйкес
27
болады және сорбцияланған ион бойынша кіріп жатқан және шығып жатқан
ерітінділердің концентрациялары теңескенше анықталмайды.
Сорбциялық процестің басты ерекшелігі
-
аппаратурасының
қарапайымдылығы мен ықшамдылығы, технологиялық операциялар санының
аз болуы:
- иондарды алмастыратын бағалы компоненті - ионитті ажыратып алу;
- оны тауарлық десорбаттың сәйкес элюенттерімен десорбциялау;
- тауарлық десорбатты өңдеп, одан табиғи уранның химиялық
концентратын өндіру;
- ионитті сорбцияға даярлайтын бірнеше қосымша операциялар болады:
жуу, қайтадан зарядтау, айналымдық ерітінділерді пайдалану, т. б..
Сорбциялық процесс мерзімдік (периодтық) және үздіксіз қарсы
ағымдық режимде жүргізіле береді, автоматтандыруға бейім болады,
өнімділігі және тиімділігі жоғары сорбциялық және десорбциялық
қондырғыларды пайдалануға мүмкіндік береді.
Бағалы компонентті сорбциялау тәсілімен өндіру (немесе кешендік
шикізатты өңдегенде бағалы компоненттерді өндіру) тиімділігі технологиялық
орталардан ионитті шығару дәрежесі, ерітіндіге элюирование жасағаннан
кейін серіктес қоспа элементтерінен тазарту және концентрациялау
деңгейімен анықталады.
Осыдан тенологиялық процеске қойылатын негізгі талап - өндірілетін
компонент бойынша сыйымдылығы және селективтілігі максималды ионитті
таңдау және пайдлаану.
Уран ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
6
7
8
Аңдатпа
Бұл дипломдық жобада сорбция және десорбция үрдістері үшін
компьютерлі тренажер жасалынып, қарастырылған. Жобаның экономикалық
тиімділігі есептеледі және еңбек қауіпсіздігі қарастырылады.
Технологиялық бөлімде уранды рудаларды жер асты сілтіден айыру
және уран ерітінділерін өңдеудің сорбциялық және десорбциялық тәсілдері
толықтай түсіндірілген.
Арнайы бөлімде дипломдық жобаны жүзеге асыру кезінде
қолданылатын ақпараттық және бағдарламалық қамтамасыздандыру толықтай
сипатталған. Сорбция және десорбция үрдістерінің математикалық моделі
құрастырылып, басқару экраны мен маниторингтің сипаттамасы SCADA
жүйесіне қосылған.
Экономикалық бөлімде жасалынған SCADA жүйесінің өндіріске
енгізілуінің экономикалық тиімділігі, оны қолданысқа енгізуге кететін
шығындар, жылдық үнемдеу мен өзін-өзі өтеу мерзімі қарастырылған.
Ал қауіпсіздік және еңбекті қорғау бөлімінде лабораториялық бөлме
ішіндегі ауа алмасу есептелініп, табиғи жарықтың ұйымдастырылуы сонымен
қатар өрт қауіпсіздігі қарастырылған.
Аннотация
В данном дипломном проекте рассмотрена разработка компьютерного
тренажера по управлению процессом сорбции и десорбции. Рассчитана
экономическая эффективность проекта, рассмотрен регламент охраны труда.
В технологической части рассмотрена подземное выщелачивание урановых
руд. Также сорбционные и десорбционные методы переработки урановых
растворов.
Основная часть содержит информацию о требовании аппаратного и
программного обеспечения. Также
построена математическая модель
процессов сорбции и десорбции. Выведены на SCADA систему описание
экранов управления и мониторинга.
Экономическая часть содержит расчеты, которые дают нам
информацию о расходах использованных материалов, програмного
обеспечения и о эффективности проекта.
А в части безопасности и охраны труда рассмотрены расчеты по
вентиляций в лабораторной комнате, природное освещение, а также, пожарная
безопасность.
9
Мазмұны
Кіріспе
1 Бөлім. Технологиялық бөлім
1.1 Рудадан уранды сілтіден айырудың физико-химиялық негізі.
1.2 Уранды рудаларды жер асты сілтіден айыру
1.3 Уран ерітінділерін өңдеудің сорбциялық тәсілдері
1.4 Уранды сорбциялау процесінің физико-химиялық негіздері
1.5 Уранды күкіртқышқыл ерітінділерден сорбциялау тәсілімен
өндіру процесі
1.6 Қаныққан шайырлардан уранды десорбциялау
1.6.1 Десорбцияның нитраттық тәсілі
1.6.2 Уранды қатты фазалық десорбциялау (ҚФД)
1.6.3 Уранды карбонаттық - сульфаттық ерітінділермен сұйық
фазалық десорбциялау тәсілі
1.6.4 Конверсиялау тәсілі
1.6.5 ЭД - процесс. (Уранды экстракциондық десорбциялау)
1.7 Уранды тауарлық десорбаттардан шөктіру арқылы сары кекті
өндіру.
1.7.1 Уранды сілтімен шөктіру
1.7.2 Тауарлық регенераттардан сары кекті шөктіру
1.7.3 Уранды нитраттық регенераттардан шөктіру
2 Бөлім. Арнайы бөлім
2.1 Аппараттық және бағдарламалық қамсыздандыруға қойылатын
талаптар
2.2 Тренажердің қызметі
2.3 Тренажерға қойылатын талаптар
2.4 Компьютерлік тренажердің құрылымы
2.5 Бағдарламалық қамсыздандырудың сипаттамасы
2.6 Компьютерлік тренажерлік кешенді құру үшін қажетті
математикалық модельді жасау
2.7 GENESIS 32 бағдарламалық қамтамасыздандыру экранының
сипаттамасы
2.7.1 Ағымдағы хабарландыруларды бейнелеу облысы
2.7.2 Мнемосұлбалардың қайта қосқыштары облысы
2.8 Технологиялық процесті басқару
2.9 Басқару және мониторинг экрандарының сипаттамасы
2.10 Десорбция және денитрация тораптарының технологиялық
торабы экраны
2.11 Десорбциялайтын және тағы басқа ерітінділерді даярлау
технологиялық торабының экраны
2.12 Оқытушының басқару экраны
2.13 OPC Сервер
2.14 OPC Клиент
3 Бөлім. Экономикалық бөлім
10
8
9
9
11
14
16
19
30
30
31
32
33
33
34
35
35
37
38
38
38
39
40
41
41
43
44
44
46
46
51
58
60
64
65
66
3.1Уранды
виртуалды тренажер арқылы өңдеудің және
66
пайдаланудың технико-экономикалық негіздемесі
3.2 Экономикалық тиімділікті есептеу
3.2.1 Тренажерды өңдеуге және пайдалануға жұмсалатын қаржы
3.2.2 Өңдеушілер жалақысы
3.2.3 Техникалық өнімдердің есептелуі кезіндегі шығындар
3.3 Тренажерды қолданысқа бергеннен кейінгі шығындар
3.4 Жылдық табыс
3.5 Өтеу мерзімі
4 Бөлім. Өміртіршілік қауіпсіздігі бөлім
4.1 Ауа алмасуға қойылатын гигиеналық талаптар
4.2 Лабораториялық бөлме ішіндегі ауа алмасуды есептеу
4.3 Өрт қауіпсіздігі негіздері
4.3.1 Жану
4.3.2 Өрттің шығу себептері
4.3.3 Өртке қарсы шаралар
4.3.4 Өрттің адам ағзасына әсер ететін қәуіпті факторлары
4.4.5Өрт сөндіру материалдары
4.4.6 Өртті көбікпен сөндіру
4.4 Табиғи жарықтандыруды қамтамасыздандыру
4.5 Дербес компьютер
4.6 Дербес компьютерді пайдалану ережелері
Қорытынды
Қолданылған әдебиеттер тізімі
11
68
68
68
69
70
71
72
73
73
76
77
78
80
80
81
81
81
81
82
83
85
86
Кіріспе
Қазіргі таңда автоматтандыру және басқару сонымен қатар басқа да
ғылыми техникалық салаларда қолданылатын өзекті тақырыптардың бірі
болып, сапа көрсеткіші, жылдамдық, дәлдік және үнемділік болып табылады.
Осындай нәтижелерге жету үшін, ғалымдар жүйенің тиімділігін анықтау үшін
көбіне оның яғни жүйенің математикалық моделін жасауды ұйғарады.
Математикалық модельдер арқылы жасалатын эксперименттер нақты басқару
объектілерінде жүретін эксперименттерге қарағанда қауіпсіз әрі тиімді болып
саналады. Өйткені біз дәл осы математикалық модель арқылы әртүрлі
процестерге шарт бере отырып оның нәтижелерін байқай аламыз.
Нәтижелерді бағалау басқару объектісіне қатысты ақпараттарды дұрыс өңдеу
үшін көптеген әдістер арқылы математикалық анализ жасаудың дербес және
үлкен бөлігі болып табылады. Басқару объектісі жайлы априорлы ақпаратты
алғаннан соң жүйеге иденфикация жасай аламыз және барлық параметірлерді
бағалап, жүйенің орнықтылығын анықтап динамикалық жүйеге бейімделген
модель жасап нақты басқару объектісі мен модель арасындағы
айырмашылықты минималдай аламыз.
Технологиялық үрдістерді автоматтандыру жүйелерінде компьютерлі
басқару жүйелерін енгізу, соның ішінде SCADA - жүйелерін енгізу кеңінен
қолданылып жатыр. Өндірістік кәсіпорындарда пайдаланушы қызыметкерлер
құрамын дайындау кезінде, оларды жаңа автоматтандыру техникасымен
таныстыра қоймай компьютерлі басқару жүйелерімен практикалық түрде
таныстыру қажет.
Технологиялық үрдістерді басқару кезіндегі қызыметкерлердің кесірінен
туындайтын жоспарланбаған аварияларды болдырмас үшін,
қызыметкерлердің дайындығын үнемі бақылап отыру қажет. Соның ішінде
операторлардың қателігінен кеткен ақаулар, өндірісте болатын ең ауқымды
авариялардың төрттен бірі болып табылады.
Сондықтан компьютерлі тренажерды қолдану қызыметкерлер құрамын
кәсіби дайындаудаға дүниежүзілік практикада қолданылады, өйткені оқыту
кезінде нақты жабдықтармен қамтамасыздандыру үлкен шығындарды талап
етеді және ол мүлдем мүмкін емес десе де болады.
Ұсынылып отырған
виртуалды
тренажер нақты технологиялық
процестерді басқару кезіндегі жұмыс қабілетін алуды қамтамасыз етеді.
Мұндай тәсіл басқару объектілерін жеке-жеке қарастыруға және ТҮ АБЖ
пайдаланудағы практикалық дайындықты қамтамасыз етеді. Сонымен
компьютерлі виртуалды тренажер мамандардың дайындығын жоғары және
жаңа деңгейге жеткізуге мүмкіндік береді.
12
1 Бөлім. Технологиялық бөлім
Есептің қойылымы. Дипломдық жобаның мақсаты уранды жер
астындағы ұңғымалардан сілтілеу тәсілімен өндірудің, соның ішінде сорбция
және десорбция технологиялық процестерін басқаруды оперативтік
персоналға үйрету үшін компьютерлік тренажерды құрастыру.
1. Компьютерлік тренажердің құрылымына шолу;
2. Сорбция және десорбция процестердің технологиясын сипаттау;
3. Компьютерлік тренажерлік кешенді құру үшін қажетті
математикалық модельді жасау;
4. GENESIS32 және MATLAB бағдарламаларын OPC сервер арқылы
байланыстыру;
5. GENESIS32 бағдарламалық қамтамасыздандыру экранында
виртуалды компьютерлік тренажердың мнемосұлбасын сызу;
5. Экономикалық тиімділігін есептеу;
6. Өміртіршілік қауіпсіздік есептерін орындау.
Өзектілігі.
Технологиялық үрдістерді басқару кезіндегі
қызметкерлердің қателігінен туындайтын жоспарланбаған аварияларды
болдырмас үшін, қызыметкерлердің дайындығын үнемі бақылап отыру қажет.
Соның ішінде операторлардың қателігінен кеткен ақаулар, өндірісте болатын
ең ауқымды авариялардың төрттен бірі болып табылады.
Сондықтан компьютерлік тренажерды қолдану қызыметкерлер құрамын
кәсіби дайындауда дүниежүзілік практикада қолданылады, себебі оқыту
кезінде нақты жабдықтармен қамтамасыздандыру үлкен шығындарды талап
етеді және ол мүлдем мүмкін емес десе де болады.
1.1
Рудадан уранды сілтіден айырудың физико-химиялық негізі.
Қышқылдық сілтіден айырудың химиясы
Механикалық байыту әдістерімен уранды шығарып алу мен байытудың
қанағаттандырарлық дәрежесіне қол жеткізу әрдайым мүмкін бола бермейді.
Сондықтан, уранды кендерді байыту және бай, әрі таза уранды
концентраттарды алудың негізі болып химиялық концентраттар болып
табылады, ол рудалық шикізаттан уранды селективті сілтіден айырумен
түйінделеді, кейін ерітіндіден селективті тұндыру әдісімен әжептәуір таза
қосылысты уран - уранды химиялық концентраттарды алу үшін қолданылады.
Уранды рудаларды бұндай өңдеу жер-жерде гидрометаллургиялық
әдіспен жүргізіледі. Гидрометаллургиядағы негізгі операция - металлды сол
немесе басқа қосылыстар түрінде сілтіден айырылады. Сілтіден айырудың
негізгі мақсаты - еріткіштегі уранды көбіне толық және селективті еріту.
Уран құрамындағы рудалар мен минералдардың көп типтілігіне
қарамастан, олардың көп бөлігі минералды қышқылдар мен сілтілік
металлдардың карбондық ыстық ерітінділерінде ериді. Осыған сәйкес уранды
13
рудаларды сілтіден айырудың екі негізгі әдісі бар: қышқылдық және карбонды
(содалы). Реагенді таңдау жалпы алғанда руда типіне, уран минералдарының
сипатына және бос жыныстың құрамына тәуелді. Мұнда бірінші ретті
минералды уран қиын еритін оксидтермен химиялық байланыстағы уранинит
және жартылай настуран сияқты карбонаттармен қиын бұзылады. Оны ашу
үшін сол сағатта концентрцияланған қышқыл қажет. Барлық екінші ретті
минералдар сілтіден айырудың белгілі шарттарын ұстанғанда қышқылдың да,
сілтінің де әсеріне беріледі. Бірақ рудада кальцит, доломит және магнетиттің
болуынан қышқылдық сілтіден айыру кезінде реагентті жұмсау көтеріледі,
бұл жағдайда руданы сілтіден айырудың карбондық әдісі тиімді болады.
Егер сілтіден айыру процесі руда құрамына тәуелсіз болса, онда әдісті
таңдау реагент пен жабдықтардың құнымен, уранды тотықтыру әдісімен,
қоспалармен былғану дәрежесімен, пульпа және ерітінділерден уранды
шығарып алу әдісімен және т.б. анықталады. Үнемді ретінде қышқылды
сілтіден айыру кеңінен қолданыста, бұған азотты, күкірт және тұзды
қышқылдар жарамды. Барлық уранды рудалардың 90% сұйытылған
ерітінділерге тотықтандырғышты қосып немесе қоспай сілтіден айырылып
өңделеді.
Уранның гидрометаллургиясында күкірт қышқылымен уранды сілтіден
айыру реагентті уранның суда ерімейтін минералдарының химиялық әсерімен
бірге жүреді. Сілтіден айыру кезінде ерітіндідегі уранның химиялық
потенциалы оның қатты фазадағы химиялық потенциалына тең болғанда
термодинамикалық тепе-теңдік орын алады. Бұл кезде қол жететін шекті шама
берілген температурада уранның ерітінділенуі болып табылады. Уран
минералдарының күкірт қышқылында еру реакциясының ықтималдығы Гиббс
энергиясының өзгеруімен анықталады. Термодинамикалық функцияларды
есептегенде бұл фунциялардың ерігенде, гидрацияда және кристаллдық
торлардың түзілуі кезіндегі өзгерісі есепке алынған. Алты валентті уранның
еру реакциясы үшін G -ды есептеу
.
(1.1)
Термодинамикалық
G 83.74 кДжМоль.
мәліметтерге
сәйкес
мына
мәнді
көрсетті
Тәжірибеде қолданылатын реагенттердің концентрациясы ретінде
(формула жазылуы керек)
рН=2 болғанда [UO22+] = 0,01 М и [H+] = 0,01 М,
∆G = ∆Gо + RT ln
UO 22
H 2 = - 72,435 КДжмоль
Бұл алты валентті уранның күкірт қышқылында еру реакциясының
14UO3тв 2Н водн UO22водн Н 2Оводн
жайлы өтіп жатқандығын көрсетеді.
Төрт валентті уран минералдарының күкірт
реакциясының G -ді есептеу мына мәнді көрсетті
UO2 + 4H+ -- [U4+] + 2H2O,
қышқылында
еру
(1.2)
[U4+] = 0,01 M; [H+] = 0,01 M,
U 4
4
Ол өз кезегінде берілген шарт кезінде бұл реакцияның өтуі мүмкін
еместігін айтады.
Күкірт қышқылының диссоцияланбаған молекулаларының қатысуы
кезінде G =-64,9 КДжМоль. Бұл тек күкірт қышқылының коцентрацияланған
ерітінділерінде ғана мүмкін, ал сұйытылған ерітінділерде диссоцияланбаған
молекула жоқ.
Сонымен, егер бастапқы руда құрамында көбінесе төрт валентті уран
(уранинит, настуран және басқа уранды минералдар) болса, онда ерітіндіден
уранның жақсы шығуын күтіп қажеті жоқ. Негізінде, бұл жағдайда төрт
валентті уранды жақсы еритін алты валентті уранға түрлендіру үшін
тотықтандырғыш(пиролюзит) қолдануға тура келеді.
Жоғарыда аталған G ( 41.87 КДжМоль) константаның үлкен теріс
мәндерінде сілтіден айыру реакциясының тепе-теңдігі өте үлкен және реакция
қайтымсыз, ол минералды шикізаттан уранды сілтіден айыру реакцияларының
көбіне тиесілі.
1.2 Уранды рудаларды жер асты сілтіден айыру. Уранды рудаларды
жер асты сілтіден айыруды қолдану шарттары
Жер асты сілтіден айыру жаңа және прогрессивті әдісі ретінде қазіргі
кезде уранды өндіруде Қазақстанда кеңінен қолданылады. Бұл әдіс қысқа
уақытта зерттеулердің, құрастырудың, және гидрогенді кен орындарында
өнеркәсіптік ендірудің барлық сатыларынан өтті.
Бұл әдісті қолданғанда қымбатқа түсетін кеніштерді құру немесе карьер
және гидрометаллургиялық заводтарды тұрғызудың керегі жоқ; кен
орындарын эксплуатациялауда құрылыста жұмыс орындары қысқарады;
табиғи жер асты шикізат ресурстары көбейеді.
Бұл жерде еңбек шарттары жақсарады, жер қойнауының байлығын
толық қолданыла бастады, өндіру және өңдеу процесінді уранды жоғалту
минимумға жетеді, баланыстырылған рудалардан уран шығарып алынады.
Жер асты сілтіден айыру қоршаған ортаны қорғауда маңызы өте зор, өйткені
оны қолданғанда жердің үстіңгі қабаты және ауа бассейні ластанбайды деуге
15∆G = ∆Gо + RT ln H = + 12, 56 КДжмоль.
болады [1].
Руданың өтімділігі мен сыйғызушы жыныс сілтіден айыру ерітіндісінің
ең басты шарттарының бірі болып табылады, сондықтан кен орындарын
барлау кезінде фильтрациялау қасиеттері ең бастысы болып табылады.
Руданың өтімділігінің және жыныс сыйымдылығының сандық
көрсеткіші фильтрация коэффициентімен анықталады, оның өлшем бірлігі
мтәулік (немесе смс). Бұл жерде руда фильтрациясының бір типті еместігі
және жыныстың руда сыйымдылығы үлкен рөл атқарады, ол конвективті
дисперсиясын және ерітіндінің таралуын анықтайды. Жақсырақ деп қазіргі
кездегі максимал өтімділікті және уран минералдарының конценртациясы көп
рудалардың орнын айтады. Біржақты құрамында ураны жоқ жыныстарда
максимал өтімділік тиесілі болғанда, жағдайда жұмыстың құны өндірілмейтін
реагенттерге жұмсалатындықтан өседі.
Кен орындарында жер асты сілтіден айыру әдісімен өңделетін уран
минералдарының арасында уран оксидтері - настуран және уранит, уран
силикаттары - коффинит және ненадкивет, сирек түрде уранның фосфаты -
отенит, уранил ванадаты - тюямунит, уранил сульфаты - уранопилпт және
цеппетит дамыған. Рудада браннерит және басқа титандардың бар болуы,
сонымен қатар құрамында уран бар циркондар, аршиновиттер, монациттер
және апатиттердің бар болуы рудадан уранды сілтіден айыруын қиындатады.
Табиғаттағы сульфатты қышқыл суда барлық уран минералдары активті
ериді, оған қоса құрамында UO2 бар күрделі оксидтер, бұл кезде олрдың
химиялық әрекеті рН ортасына тәуелді болады. Бірақ та, ол минералдар да әр
түрлі кен орындарындағы рудалардың ерітімділігі бірдей емес.
Настурандардың ішінде күкірт қышқылында коффиннің бұзылысынан
пайда болған түрлері жақсы ериді. Сонымен, руданың құрамында
коффиниттің бар болуы жер асты сілтіден айыру жұмыстарының дамуына оң
әсер етеді. Коффинитті қышқылдарда оңай еритін уран оксидтерімен
ауыстыруға болады. Осыған орай, коффинит агрегаттарын және уран
оксидтерін рудадан тығыз настуран жиынына қарағанда оңай сілтіден
айырады.
Жер асты сілтіден айыру жұмыстарын алға бастыратын факторлардың
біріне уран черні және слюдкасы сияқты минералдардың бар болуын
жатқызуға болады.
Жер асты сілтіден айыру әдісін қолданылатын реагенттерде әлсіз
еруімен өзгешеленетін уран рудаларының құрамына кіретін жынысты
минералдардың кен орындарында кеңінен қолдануға болады. Бұлардың ең
басты құрамы: кварц, суарылатыншпат, слюда және гидрослюдалар. Уран
рудаларындағы алюмосиликаттарды сілтіден айыру процесін топырақты
минералдар, көбінде ісініп кететін топырақ қиындатады.
Рудалық жыныстардың құрамында карбондар минералдар болса,
қышқылдық сілтіден айыруда реагент шығыны ұлғаяды. Тәжірибелік
жұмыстар рудалық жыныстардың құрамында карбонның болуы (CO2 2%-дан
көп болса) қай жағынан қарасақ та, жер асты сілтіден айыру процесін
16
қиындатып жібереді: қышқылдың шығыны тез өседі, фильтрленген аймақтар
мен сору скважиндерінің фильтрінің газдық және химиялық кольматациясы
үдей түседі.
Жер асты сілтіден айыру кезінде ерітіндімен жуылатын ашық ойысты
және жарықты, минералдары қуыс (поры) қабырғаларына үйренген уран
рудалары көбінде толықтай болады.
Жер асты сілітіден айыру процестерін жүргізуде жыныстық
компоненттерде уран минералдарының дақ түріндегі жиналуы теріс әсерін
тигізелді, оның қасиеті жағынан қолданылатын технологиялық ерітінділерде
өтімділігі төмен болады. Бұндай компоненттерге жыныстардың минералдақ
бөліктері: цемент,
фосфитті уранды конкреция, фосфорланған және
углефицирленген қазбалардың қалдығы және жыныстағы өсімдіктер қалдығы,
құмдағы топырақтың линзалары жатады.
Егер рудадағы топырақ уран минералдарының концентрациясның
орындарымен кеңістікті байланысты болса, онда жер асты сілтіден айыру
процесінің нәтижесі болмайды. Егер уран минералдары мен топырақтарының
орындары бытыраңқы болса (уран минералдары - өтімділігі жоғары жыныста,
ал топырақ - ураны жоқ аймақта болса), жер астында технологиялық процесс
сәтті болады. Топырақтың осындай таралуы жер асты сілтіден айыру процесі
үшін оң әсерін тигізеді. Ол уранды шығарып алуда қышқылдың минемал
шығынын қамтамасыз етеді.
Рудадағы және араласқан жыныстағы карбонаттар мен топырақтың
мәндерінің таралу заңдылығы жер асты сілтіден айыру әдісімен кен
орындарының эксплуатациясының әр түрлі стадияларының эффективтілігін
болжауда технологиялық процесті таңдауда көмектеседі.
Жер асты сілтіден айыру әдісімен кен орындарын өңдегенде шешілетін
сұрақтардың ең басты есебі болып эксплуатациялаудың
гидрогеотехнологиялық режимінің тиімділігін анықтау табылады. Басты
табиғи факторларға кен орындарының сулылығы жатады. Ал басты жасанды
фактор болып жер асты су ағындарының пайда болуы табылады.
Үстемді кен орындарының көбі жер асты суларымен суланған. Рудалық
денелердің табиғи сулануы уранды жер асты сілтіден айыру процесіне жақсы
әсер етеді. Алдын ала құрғату шараларының қиындығы өңделіп жатқан
блоктардың депрессионды воронкаларынан ерітіндіні алу ыңғайлығымен
компесацияланады.
Жер асты сілтіден айыру әдістермен меңгеретін жер асты суларының
режимі көбінде тегеурінді болады. Бұл жағдайда басқарылатын
гидравликалық процесс оңай жүзеге асады. Ерітінділердің ағу бағыты мен
жылдамдығын реттеу үшін пластыда қысым айырымын тудырумен шектелуге
болады. Су тасушы горизонттың қысымсыз режимінде пластыдағы қажетті
градиентті қысымды оны жартылай кептірудің нәтижесінде алуға болады.
Жер асты сілтіден айыру әдісінің өнеркәсіптік гидрохимиялық режимі
рудалық жер қабаттарына еріткіш, тотықтандырғыш, кешен түзуші және басқа
реагенттерді енгізген
орынды болады. Жер асты суларының әлсіз
17
минералдануы жер асты сілтіден айыру процестері үшін жағымды әсерін
тигізеді. Жер асты сілтіден айыру процесі кезінде жер асты суларының
минерализациясы өседі, ионды алмасу смоласының ерітінділерінің өңделуін
қиындатады. Бастапқыда жер асты суларының жоғарғы дәрежеде минералды
болуы карбонды сілтіден айыру ерітінділерін қолдануды ыңғайсыз етеді.
Жер асты сілтіден айыру процесі кезінде жер асты суларының құрамы
маңызды рөл атқарады. Судың минералдануының негізгі компоненттеріне
HCO-3, SO42-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+ жатады. Табиғи жағдайда жер асты
суларының анионы уранның жыныстан суға өтуінде үлкен рөл атқарады. Осы
кезде гидрокарбонат-ион үлкен рөл атқарады, ол тез еритін кешендердің
құрылуына қызмет көрсетеді. Табиғи судың құрамындағы HCO3 500-600 мгл-
дан аспайды. Карбонды сілтіден айыру кезінде HCO3 гидрокарбонат-ионның
концентрациясының шектен тыс болуы оң рөл атқарады.
Жер асты сілтіден айыру әдісімен өңделетін уранның көптеген кен
орындары сулылығымен ұқсас, ондағы оттегінің көлемі жеткілікті. Оның
судағы ерігіштігі 10 гл және одан да асады. Гидротехникалық процессте CO2
үлкен көлемде болса, ол карбонды рудалардың күкірт қышқылымен
әрекеттесіп, рудалық денелердің кольматациясына және оның өтімділігінің
төмендеуіне әкеліп соғады.
Сілтіден айыру кезінде суда күкіртті сутектің болуы теріс әсерін
тигізеді, төрт валентті формадағы уранды тотықсыздандырып, ерітіндіден
оның бөлініп шығуын қамтамасыз етеді.
Жер асты сілтіден айыру процесі кезінде оң әсер тигізетін факторлардың
бірі, күкірт қышқылды сілтіден айыруда жер асты суларында тотыққан
темірдің болуы.
Рудалық горизоттардың жер асты суларының реагенттермен қанығуы
табиғи гидрохимиялық жағдайлар азаяды, ал кен орындарын өңдеудеу
процесіндегі қабаттардың сілтіден айыруы болашақта жасанды факторларға
тәуелді.
Уранды сілтіден айыру кезінде технологиялық сұлбаларды және кез
келген жұмыс режимінің өзгерісін жоспарлау өңделетін рудалық денелердің
және
жыныстың сыйымдылығының геологиялық ерекшеліктерімен
анықталады.
1.3 Уран ерітінділерін өңдеудің сорбциялық тәсілдері
Сілтіленген кеннен ерітіндіні ажырату өте күрделі және қымбат
операция болып саналады. Пульпаны араластыру арқылы құрамында ураны
бар ерітіндіні ажыратып алу және сілтілеу қалдықтарын шаю үшін сілтелеу
тәсілін қолданғанда кеннің бүкіл массасы қатты және сұйық фазалардың
бөлінуінің көп кезеңді процесінен өткізіледі.
Ерітіндіні қатты фазадан ажырату процесі фильтрлеу (сүзгілеу) және
қоюландығыштарда үздіксіз қарсы арындық декантациялау арқылы жүзеге
асырылады. Соңғы жылдары бұл тәсілдер табиғи және синтетикалық
флокулянттарды пайдалану нәтижесінде жетілдіріліп жеделдетілді.
18
Ерітілген уранды құм фракциясын шайып тазарту классификаторлар
мен гидроциклондарда жүзеге асырылады.
Ажыратқыш аппараттардың құрылмасы,
олардың жұмыс істеу
принципі,
ажырату процестерінде флокулянттарды пайдалану
Ылғалсыздандыру курсында және Химия технологиясының процестері
мен аппараттары курсында және осы оқулықтың Сілтілеу процесінің
аппаратурасы бөлімінде қарастырылады.
Уранды ерітінділер мен пульпалардан ажырату үшін иондық алмасу
технологиясы қолданылады. Осы технологияны пайдалану арқасында
ерітінділір құрамындағы
уранның таңдаулы сілтіленуі және
оның
концентрациялануы (қоюландырылуы) қамтамасыз етіледі. Сонымен қатар
бұл процесте ерітінділердің негізгі қасиеттері өзгермейді. Сондықтан оларды
еріткішпен қосымша бекітіп алып, қайтадан жұмысшы ерітінді ретінде
кендердің құрамындағы уранды сілтілеу үшін қолдана беруге болады.
Сілтілеу технологиясында ерітінділерді кейінгі өңдеу шарттарын ескереді
(қалдықтық қышқылдылығы, тұздардың жалпы мөлшері, сорбциялау
процесінде депрессиялайтын компоненттердің болуы).
Сілтілеуден кейін түзілген өнімдік ерітінді құрамында алтывалентті
уран болады. Қазіргі заманғы теория уранның өзара байланыстырылған аква -
және ацидокешендерінің болуын қарастырады. Олардың құрамындағы
лигандтардың кеңістіктік орналастырылуы сорбция, элюирование немесе
экстракция процестерінің тиімділігін арттырады.
Спектрофотометрия, иондық алмасу және экстракция тәсілдерімен
алтываленттік уран үшін түрлі кешендік иондардың құрамы анықталып, бұл
иондардың түзілу константалары есептелген. Түрлі тәсілдерді қолдана
отырып иондардың түзілу константалары дәлме-дәл анықталды, уранил
катиондары үшін К1 =5,66,5, уранилсульфаттың бейтарап молекуласы үшін
К2 = 5096, уранилдисульфаттың анионы үшін К3=350900 және
уранилдтрсульфаттың анионы үшін К4=2500.
Сульфат ерітінділері құрамындағы уранның қарапайым кешендік
иондарының қатынасы ерітіндінің артық қышқылдылығына, құрамындағы
сульфат
-
иондардың мөлшеріне және уранның концентрациясына
байланысты өзгереді (1.1 - суреті). Арасында динамикалық тепе-теңдіктің
болуы оны аниониттер немесе катиониттер түрінде шығаруға мүмкіндік
береді, ол үшін тепе-теңдікті сорбцияланатын ион жағына жылжытса болғаны.
Ерітіндінің pН деңгейі 2,5 жоғары көтерілгенде уранил иондарының
полимеризациясы байқалады, нәтижесінде кешендік уранил - сульфаттық ион
U2O5(SO4)3 түрінде құрылып, аниониттердің көлемі едәуір жоғарылайды.
19
1.1 сурет - Концентрацисы түрлі мағыналарда болған күкіртқышқыл
ерітінділердегі уранның иондық қосылыстарының құрамы
Уран технологиясында иондық алмасу процесіне сипаттама жасамас
бұрын иондық алмасу процесінің
статикасын, кинетикасын және
динамикасын, сондай-ақ, сорбция динамикасының жалпы заңдылықтарын
қарастырайық.
1.4
Уранды сорбциялау процесінің физико-химиялық негіздері.
Сорбенттің қалқып жүрген қабатындағы ерітінді ағынынан
сорбциялау процесін зерттеу
Қалқып жүрген қабатта сорбция процесі жүргізілуінің негізгі
артықшылығы ағынның жылдамдығы жоғары болуы нәтижесінде процестің
жоғары қарқынмен өтуінде. Сонымен қатар қабаттың гидродинамикалық
кедергісін өсірудің қажеті болмайды. Бұл жоғарыдисперсиялық сорбенттерді
қолдануға мүмкіндік береді де процестің қарқыны одан сайын күшейеді.
Құрамында ұсақ заттар көп мөлшерде ұшырасатын қалқып жүрген қабатта
немесе сорбция процесінде түзілген
ерітінділерде сорбция процесін
жүргізудің маңызы аса зор.
Бұл бөлшектер сорбент түйіршектерінен әлдеқайда жеңіл болғандықтан
сұйықтық ағынының үлкен жылдамдығы және түйіршіктердің үздіксіз
қозғалысы сорбенттің аппараттың түбіне шөгуін азайтады және бөлшектердің
сұйықтық ағымымен бірге аппараттан айдалып кетуіне ықпалын тигізеді.
Мұндай ерітінділерден заттарды адсорбциялау тәсілімен ажыратқанда
сорбенттің аппараттың түбіне шөгуін болдырмау көп көлемдегі сұйықтықты
сүзгілеуді, десорбция алдында сорбентті шаюды және регенерациялауды
керек етпейді, сыйымдылық сорбентін тиімді пайдалану мерзімін ұзартады,
көлемін тиімді пайдалану мерзімін ұзартады, элюаттардың сапасын
жоғарылатады және жұмыс режимінің тұрақтандырылуына септігін тигізеді.
Қалқып жүрген қабатта сорбциялау процесін жүргізудің теріс жағы -
бөлшектердің өзара және аппарат қабырғаларымен соқтығысуы нәтижесінде
20
сорбенттің мүжіліп кетуі. Судың ішінде ісінген катионит түйіршектерінің
қалқып жүрген қабатында мұндай кемшілік мүлдем болмайды, себебі газ
ортасынан
сорбциялау кезінде ауа тұтқырлығымен салыстырғанда
тұтқырлығы жоғары орталарда серпімділігі жоғары бөлшектер өзара
соқтығысады.
Катионитпен КУ-2 (фракция 0,5-0,25 мм) жұмыс істеу тәжірибесі
көрсеткендей, пайдаланудың алғашқы тәуліктерінде фракцияны елегенде
қалған ұсақ бөлшектердің 3% дейін әкетіледі; одан әрі қарай жұмыс істегенде
ұсақ бөлшектердің әкетілуі тоқтайды, яғни, катион бөлшектерінің мүжілуі
мүлдем болмайды деген сөз.
Сорбенттің қалқып жүрген қабатында сорбция динамикасының сипатын
анықтайтын негізгі көрсеткіш - қабат бөлшектерінің толығымен араласуының
басталу уақыты. Тәжірибелер жасау процесінде толық араластырылуға, тіптен
қабаттар қысқа болғанның өзінде бірден қол жеткізу мүмкін емес. Қабаттың
ұзындығы көбейген сайын араласу уақыты да өседі, мысалы, ұзындығы 80 см
қалқып жүретін қабатта толық араластырылу 8 сағатта жүзеге асырылады (1.2
- сурет).
1.2
сурет - Катионит КУ-1 түйіршектерінің толығымен
араластырылуы уақытының қалқып жүрген қабаттың ұзындығына
(H = 2) тәуелділігі
Рационалды технологиялық сүлбелерді құрастыру үшін қорғаныс
әсерінің уақыты, концентрациялардың тұрақты градиенті облысының ені,
сондай-ақ, толық динамикалық алмастыру сыйымдылығы, бағана диаметрі
және қалқып тұратын қабат тұтас немесе жеке секцияларға бөлінген бе - осы
шамалардың бір біріне тәуелділігін анықтау аса маңызды рөл атқарады.
Тәжірибелер көрсеткендей, қорғаныс әсері уақыты бойынша сорбенттің
стационарлық және қалқып тұратын қабаттарын салыстырғанда қалқып
тұратын қабатты пайдаланған тиімді.
Сорбенттің қорғаныс әсері уақытының жалпы ұзындығы 110 см
құрайтын қалқып тұрған қабаттың әр секциясындағы қабаттың ұзындығына
тәуелділігі көрсетілген (1.3 - сурет).
Қорғаныс әсері уақытының секциядағы қабаттың ұзындығы ретінде
минимум арқылы өтуі бір жағынан, секция кішкентай болған сайын
бөлшектердің ұзына бойы араласуы да аз болуына және бұл жағынан
қарастырғанда қалқып тұратын қабат стационарлық қабатқа жақындау
21
болады. Екінші жағынан, секцияның ұзындығы ұлғайған сайын толық араласу
уақытының қабаттың ұзындығына тәуелділігі өсе береді, яғни, ұзындығы
өскен кезде қорғаныс әсерінің уақыты да жоғарылайды, мысалы, қабат 110 см
болғанда қорғаныс әсері уақыты көбейеді.
1.3 сурет - Ұзындығы 110 см секцияларға бөлінген катиониттің КУ-1
қалқып тұратын қабаты қорғаныс әсері уақытының наркотин ионы бойынша
әр секциядағы қабаттың ұзындығына тәуелділігі
Қалқып тұрған қабаттың жеке секцияларға бөлінуі сорбенттің бүкіл
қабат бойынша араластырылуына тосқауыл қою арқасында олардың
стационарлық қабаттағы қаныққандыққа эквивалентті қаныққандық деңгейін
көтеруге мүмкіндік береді. Қалқып тұратын қабаттың секциясы қысқа болған
сайын шартты жұмысшы қабатының ұзындығы да қысқа болатынын
өткізілген тәжірибелер дәлелдеді (1.4 сурет).
1.4 сурет - Катиониттің қалқыма қабатының ұзындығы бойындағы (l)
адсорбцияланған наркотиннің үлестірілуі
Зерттеулер көрсеткендей, ПДОЕ көрсеткіші бағананың диаметріне,
олардың секцияларға бөлінуіне байланысты емес және ағындардың
жылдамдығы 8000 шамасында болғанда тура осындай жылдамдықта
стационарлық қабатта қол жеткізетін ПДОЕ сәйкес болады.
22
л
2мчас
Қаныққан катионитті қалқып тұрған қабатта десорбциялау процесінде
өндірілген элюаттың құрамында стационарлық қабатта десорбцияланған
катиониттен алынған элюатпен салыстырғанда қосымша экстрактивтік заттар
мөлшері үш есе аз болады. Оның себебін катионитті қалқыма қабатта
адсорбциялағанда аппараттың түбіне шөгетін заттардың аз мөлшерде
болуымен түсіндіруге болады.
Жоғарыда айтылған нәрсенің барлығы адсорбциялық қондырғылардың
тиімділігін арттыру мақсатында сорбциялық процестерді сорбенттің қалқыма
қабатында жүргізгенін тиімді екенін дәлелдейді.
1.5 Уранды күкіртқышқыл ерітінділерден сорбциялау тәсілімен
өндіру процесі. Сорбциялық процестің негізгі заңдылықтары
Кедей кендерді қышқылдық сілтілеу тәсілімен өңдегенде алынған
ерітінділер құрамында көптеген қоспалар болады (темір, магний, алюминий,
марганец, сілтілік металдар, т б.), олардың концентрациясы ондаған, тіптен
кейде жүздеген есе уранның концентрациясынан артық болады. Кедей және
ластанған ерітінділерден уранды химиялық шөктіру тәсілімен өндіру
реагенттер шығынын жоғарылатады, уран шығындарын көбейтеді және
құрамындағы уран мөлшері тым аз химиялық концентраттар шығарылады.
Уранды кедей кендерден өндіру проблемасы иондарды алмастыратын
шайырларын қолдану арқасында шешімін тапты. Күкірт қышқылы
ерітінділерінен иондық алмастыру тәсілі арқылы уранды ажыратып алу тәсілі
алғашқы рет 1952 жылы ОАР (Оңтүстік Африка Республикасында), содан
кейін АҚШ, Канада, Австралия, Франция, тағы басқа елдердің зауыттарында
өнеркәсіп көлемінде қолданыла бастады.
Уранды пульпадан иондық алмасу тәсілімен өндіру технологиялық
сүлбеден сілтіленген кеннен ерітіндіні ажыратудың аса күрделі және қымбат
операциясын және ерітілген уранды сүзгілеу немесе қарсы ағымдық
декантация тәсілімен ажыратып алу операцияларын шығарып тастауға
мүмкіндік берді. Бұл фактор әсіресе сүзгілеуде, қоюландыруда, жуыш шаюда
көптеген қиындықтар тудыратын батпақ кендерді өңдегенде аса маңызды.
Тәсілдің жоғары техника-экономикалық тиімділігі арқасында уранды
органикалық еріткіштермен экстракциялаумен қатар тез арада сілтілегеннен
кейін уранды химиялық шөктіру тәсілдерін ығыстыруға септігін тигізді.
Уранды иондық алмасу тәсілін пайдалану арқылы өндіру процесі
иондық алмасу шайырлардың селективтік және сандық жағынан сілтілеуден
кейін уранды ерітінділер мен пульпалардан сіңіру қасиетіне негізделген.
Күкірт қышқылы ерітінділерінде алтывалентнтік уран бір бірімен
динамикалық тепе-теңдікте болатын уранил катионы (UO22+) және аниондық
сульфаттық кешендер түрінде кездеседі:
UO22+ + n SO42-
UO2(SO4)n2-2n.
(1.3)
Күкіртқышқылдық сілтілегеннен кейін уран катиондарды алмастыратын
23
шайырлардың немесе аниондарды алмастыратын шайырлардың көмегімен
ерітінділер мен пульпалардан ажыратылады.
Жалпы алғанда уранның иондарды алмастыратын ажыратылуы төменгі
реакциялар түрінде бейнеленеді:
- уран катиондық-алмастыру шайырларымен жұтылуы:
2R-H+ + UO22+
(R-)2UO22+ + 2H+,
(1.4)
- уран аниондарды алмастыратын шайырларымен жұтылуы:
4R+X- + UO2(SO4)34-
2R+X- + UO2(SO4)22-
(R+)4[UO2(SO4)3]4- + 4X- ,
(R+)2[UO2(SO4)2]2- + 2X- ,
(1.5)
(1.6)
мұнда
R - шайырлардың тіркелген иондары;
X - NO3-, Cl-.
Уранды бойына сіңіргеннен кейін иондарды алмастыратын шайырлар
ерітінділер мен пульпалардан ажыратылып, регенерацияланады (десорбцияға
ұшырайды, қалпына келтіріледі).
Регенерация процесінде
уран
десорбцияланады,
нәтижесінде
концентрациясы жоғары
(сорбцияға
жұмсалатын бастапқы ерітінді көлемімен салыстырғанда регенерацияға
көлемі азырақ ерітінділер жұмсалады), қоспалардан тазартылған уранды
сіңірудің келесі циклында қолдануға жарайтын уран ерітіндісі мен шайыр
шығарылады.
Иондық-алмасу шайырлар суда ерімейтін, ерітінділер мен пульпалардан
оң және теріс иондарды тура сондай заряды бар басқа иондардың
эквиваленттік мөлшеріне ауыстырып бойына сіңіріп алатын қатты заттар
түрінде болады. Алмастырылатын иондардың зарядтық белгісі бойынша
катиондарды алмастыратын шайырларға (катиониттер) және аниондарды
алмастыратын шайырларға (аниониттерге) жіктеледі.
Шайырлардың иондарды алмастыру қасиеті иониттің құрылымына
байланысты анықталады. Әр ионит валенттік күштермен немесе тор
күштерімен байланыстырылатын қаңқадан тұрады. Иониттің қаңқасында оң
немесе теріс заряд болады, ол заряд қарсы иондар деп аталатын иондар
зарядымен компенсацияланады. Қарсы иондар қаңқаның ішінде жылжып
тұрады және заряды тура сондай болатын басқа иондармен алмастырыла
алады.
Катиониттің қаңқасын жоғарымолекулярлық полианион, ал
аниониттің қаңқасын - жоғары молекулярлы поликатион ретінде қарастыруға
болады. Н+ түріндегі катионит - қаңқаның зарядын компенсациялайтын
(орнын толтыратын) қарсы иондар рөлін суда ерімейтін жоғарымолекулярлы
қышқыл түрінде болатын сутегі иондары атқарады; ОН- түріндегі анионит -
гидроксил иондарымен қосылған формада қарсы иондар ретінде суда
ерімейтін негіз түрінде болады.
24
Көрнекі бейнелеу үшін ионит моделін кеуектері ішінде қарсы иондар
айналып жүретін губка түрінде көрсетіледі (1.5 сурет). Егер губка ерітіндіге
батырылса, қарсы иондар одан шығып, ерітіндіге өтіп кетуі мүмкін. Бірақ ол
үшін электрлік бейтараптылық сақталуы тиіс, яғни, губка заряды кез келген
мезетте қарсы иондар зарядымен дәлме-дәл компенсациялануы тиіс.
Сонымен, қарсы ион губкадан оның орнына басқа ион кіріп, қаңқа зарядын
компенсациялауға қатысқанда ғана кіре алады. Ионитте алмасуға қабілетті
қарсы иондардың болуы немесе оның алмастырғыштық сыйымдылығы қаңқа
зарядтарының тығыздығымен анықталады және қарсы иондардың табиғи
құрылысына байланысты болады. Иондардың алмастырылу процесі шын
мәнінде стехиометриялық процесс болып саналады.
1 - бекітілген иондары бар матрица; 2 - қарсы иондар; 3 - котиондар.
1.5
сурет - Синтетикалық иондары алмастырылатын шайыр
құрылымының сұлбалық бейнеленуі
Егер А сұрыпындағы қарсы иондары бар ионитті В сортындағы қарсы
иондары бар ерітіндіге салса, А иондары ерітіндіге өте бастайды, ал В
иондары - ионитке өтіп кетеді. Бірақ уақыттан кейін тепе-теңдік орнайды:
ионит мен ерітінді құрамындағы екі сұрыптың иондары белгілі мөлшерлік
қатынаста болады. Бұл жағдай иондарды алмастыру тепе-теңдігі деп аталады.
Ионит кеуектерінде көбінесе тек қарсы иондар ғана болмайды. Егер
ионит ерітінді ішіне батырылса, кеуектеріне еріткіш зат және тағы басқа
ерітілген заттар кіріп кетеді. Еріткішті сіңіру арқасында иониттің ісінуі
басталады.
Иондық алмасу диффузиялық процесс болып саналады, оның
жылдамдығы қарсы иондардың жылдамдығына байланысты болады.
Электролит ионының иониттің қозғалатын иондарымен алмасуы бес кезекпен
өтетін сатылардан түзіледі:
- жұтылатын ионның ерітінді көлемінен иониттің беттеріне ауысу
процесі;
- жұтылатын ионның түйіршік ішінде алмасу нүктесіне қарай жылжуы;
- иондар алмасудың қосарланған реакциясы;
- түйіршік ішіндегі ионның алмастырылу нүктесінен ерітінді бетіне
қарай жылжуы;
25
- ығыстырылатын ионның түйіршек бетінен ерітінді көлеміне қарай
қозғалуы.
Иондардың алмастырылу реакциясы (3-саты) бір мезетте өтіп кетеді.
Иондық алмасу сіңірудің жылдамдығын анықтайтын 1,2,4,5 кезеңдер болып
саналады. Иондарды алмастыру реакциялардың диффузиялық сипатына
байланысты ионит түйіршектерінің мөлшері кішірейіп, кеуектілігі керісінше
ұлғайған сайын жылдамдығы өсе береді.
Берілген иониттің негізінен басқа қарсы иондармен салыстырғанда бір
сұрыптағы қарсы иондарды сіңіру қасиеті селективтілік деп аталады.
Иониттердің селективтілігі себептері төменгідей болады:
- зарядталған қаңқа мен қарсы иондардың түрлі сұрыптары арасындағы
өзара электростатикалық әрекеттесу күштері бірдей емес, сондықтан басқа
факторлармен қатар ион зарядының мөлшері үлкен рөл ойнайды;
- таза электростатикалық күштерден бөлек иондар мен қоршаған орта
арасында басқа күштер де әсер етеді; ионитте және ерітінді ішінде бұл
күштердің арасында үлкен айырмашылық болуы мүмкін;
- таза стериялық себептер бойынша үлкен қарсы иондар жұқа кеуекті
иониттердің іштеріне мүлдем кіре алмауы мүмкін.
Матрица деп аталатын синтетикалық иондарды алмастыратын
шайырлар көмірсутектік тізбектердің дұрыс емес формадағы
жоғарымолекулярлы кеңістіктіқорынан құрылады. Матрицада зарядты -
тіркелген иондарды тасымалдайтын белсенді ионогендік топтар болады.
Тіркелген иондар ретінде көбінесе қызмет етеді, катиондарда - SO3-, -
СОО-, - РО32-; аниондарда - NH3+;
H2+;
.
Иониттің матрицасы гидрофобиялық болады. Иониттерді дайындау
үшін қолданылатын бастапқы заттардың негізгісі - полистирол суда ерімейді
және судың ішінде ісінбейді. Тіркелген иондарды енгізу шын мәнінде
гидрофобиялық матрицаға гидрофильдық топтардың кіргізілуі. Нәтижесінде
полистиролдың желілік молекулалары суда еритін полиэлектролиттерге
айналады. Суда еріп кетуіне жол бермеу үшін иониттің матрицасы кеңістіктік
тігулі болады. Көмірсутектік тізбектер арасындағы көлденең байланыстар
олардың ажыратылуына және еруіне кедергі жол бермейді. Иониттің
түйіршегі дегеніміз - шындығында бір орасан зор молекула. Оны еріту үшін
С-С байланыстарын үзу керек.
Сондықтан иониттер иониттің өзін ыдыратпайтын барлық еріткіштерде
ерімейді. Матрица белгілі мөлшерде созылмалы болғандықтан иониттер ісінуі
мүмкін. Синтетикалық иондары алмастырылатын шайырлардың құрылымы
дұрыс болмайды, сондықтан кеуектерінің мөлшерлері де бірдей болмайды (1.5
сурет).
Синтетикалық иондары алмастырылатын шайырлардың қасиеттері
тіркелген иондардың санымен және типімен, сондай-ақ, матрица
құрылысымен және бірінші кезекте ондағы көлденең байланыстардың
санымен анықталады. Гидрофильдық топтар саны мен көлденең байланыстар
саны басқа факторлармен қатар иондары алмастырылатын шайырлардың ісіну
26
дәрежесіне әсер етеді. Өз кезегінде ісіну деңгейіне қарай иондардың
қозғалысы, алмастырылу жылдамдығы, электр өткізгіштігі және иондардың
қозғалысына байланысты басқа кинетикалық процестерді анықтайды.
Матрицаның құрылымы иониттің химиялық және термиялық тұрақтылығына
әсер етеді.
Фиксацияланған иондардың саны иондар алмасу процесінде аса
маңызды рөл атқарады. Мысалы, SO3-тәрізді фиксацияланған иондар
толығымен диссоциацияланған, сондықтан pН кең облысында алмасу
процесін іске асырады. СООН- тобы бейтарап немесе қышқыл ерітінділерде
көбінесе диссоциацияланбаған СООН түрінде болады, сондықтан оның
иондары алмасу қасиеттері депрессияға ұшырайды. Сутегі формасындағы
катионит диссоциация константасына байланысты күшті қышқыл және
әлсізқышқыл катиониттер ажыратылады. Аниониттер де дәл сондай болады:
, тәрізді фиксацияланған иондары бар аниониттер барлық жағдайда
толығымен диссоциацияланады, сондықтан күшті негізді болады; - NH2+
түріндегі фиксацияланған иондары бар иониттер бейтарап немесе сілтілік
ортада протоннан ажырап, зарядталмаған аминотоптар NH2 түзеді, сондықтан
әлсіз негізді болып саналады.
Фиксацияланған иондардың типі иониттердің қышқылдық немесе
негізгі күшін анықтайды, сонымен қатар көбінесе фиксацияланған иондар мен
қарсы иондар арасындағы өзара әрекеттесу әсеріне тәуелді болатын алмасу
тепе-теңдігінің жағдайына әсер етеді. Белгілі иондарға қатысты алғанда
иониттің селективтілігі диссоциация немесе сәйкес мономерлік тұздардың
ерігіштігі төмендеген сайын сондай-ақ, кешенді қосылыстар түзілген
жағдайда жоғарылай береді.
Иондары ауыстырылатын шайырлардың қасиеттерін ерітінділер мен
пульпалардан уранды өндіру жағынан қарастырғанда аса маңызды
факторлары: ауыстырылу көлемі, ісіну коэффициенті, шайыр бөлшектерінің
ірілігі және тығыздығы, механикалық беріктігі, химиялық тұрақтылығы,
гидравликалық қасиеттері, иондық алмасу жылдамдығы, селективтілігі,
шайырды пайдалану мерзімінің ұзақтығы.
Иондардың ауыстырылу көлемі шайырдың табиғатына, оның
функционалды топтарының мөлшері мен қасиеттеріне, сондай-ақ, шайырды
пайдалану жағдайдаларына байланысты болады. Шайырдың толық,
динамикалық және жұмысшы сыйымдылығы ажыратылады. Толық
сыйымдылығы шайырдың түрлі функционалдық топтарының толтырылуына
сәйкес келеді. Бұл көрсеткіш ертініді табиғатына, pН- ортасына, сорбция
жағдайларына еш тәуелді емес, бірақ тепе-теңдік күйінің орнатылуын қажет
етеді. Динамикалық сыйымдылық
нақты сорцияланатын
иондардың
мөлшерімен сипатталады және сорбция жағдайларына, мысалы, ерітіндінің
өткізілу жылдамдығына, ерітінді құрамына байланысты анықталады.
Жұмысшы көлемі динамикалық көлемге ұқсас болып келеді, бірақ бұл
көрсеткіш ионитпен жұтылған сорбцияланған иондар мөлшеріне сәйкес
27
болады және сорбцияланған ион бойынша кіріп жатқан және шығып жатқан
ерітінділердің концентрациялары теңескенше анықталмайды.
Сорбциялық процестің басты ерекшелігі
-
аппаратурасының
қарапайымдылығы мен ықшамдылығы, технологиялық операциялар санының
аз болуы:
- иондарды алмастыратын бағалы компоненті - ионитті ажыратып алу;
- оны тауарлық десорбаттың сәйкес элюенттерімен десорбциялау;
- тауарлық десорбатты өңдеп, одан табиғи уранның химиялық
концентратын өндіру;
- ионитті сорбцияға даярлайтын бірнеше қосымша операциялар болады:
жуу, қайтадан зарядтау, айналымдық ерітінділерді пайдалану, т. б..
Сорбциялық процесс мерзімдік (периодтық) және үздіксіз қарсы
ағымдық режимде жүргізіле береді, автоматтандыруға бейім болады,
өнімділігі және тиімділігі жоғары сорбциялық және десорбциялық
қондырғыларды пайдалануға мүмкіндік береді.
Бағалы компонентті сорбциялау тәсілімен өндіру (немесе кешендік
шикізатты өңдегенде бағалы компоненттерді өндіру) тиімділігі технологиялық
орталардан ионитті шығару дәрежесі, ерітіндіге элюирование жасағаннан
кейін серіктес қоспа элементтерінен тазарту және концентрациялау
деңгейімен анықталады.
Осыдан тенологиялық процеске қойылатын негізгі талап - өндірілетін
компонент бойынша сыйымдылығы және селективтілігі максималды ионитті
таңдау және пайдлаану.
Уран ... 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