Tổng quan nghiên cứu

Nguồn tài nguyên urani tại bồn trũng Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam được đánh giá có ý nghĩa chiến lược với mục tiêu thăm dò đạt khoảng 8.000 tấn U3O8 trữ lượng cấp 122 theo quy hoạch phát triển năng lượng nguyên tử quốc gia. Tuy nhiên, thân quặng tại khu vực Pà Lừa chủ yếu là quặng cát kết nghèo với hàm lượng urani trung bình chỉ đạt khoảng 0,072% U. Việc áp dụng các dây chuyền thủy luyện truyền thống đòi hỏi nghiền mịn và lọc ép bùn phức tạp thường dẫn đến chi phí đầu tư thiết bị rất cao và không mang lại hiệu quả kinh tế. Do đó, vấn đề cốt lõi đặt ra là phải tìm kiếm một giải pháp công nghệ chế biến tại chỗ có chi phí thấp, quy trình vận hành đơn giản nhưng vẫn đảm bảo khả năng thu hồi kim loại tối đa.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác lập quy trình công nghệ xử lý quặng urani vùng Pà Lừa bằng kỹ thuật hòa tách thấm ở quy mô phòng thí nghiệm, làm tiền đề cho việc mở rộng quy mô pilot và công nghiệp. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm Công nghệ Chế biến Quặng phóng xạ thuộc Viện Công nghệ xạ hiếm trong giai đoạn 2012–2013, gắn liền với nhiệm vụ của Đề án 15 về thăm dò quặng urani khu Pà Lừa – Pà Rồng, huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam.

Nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn lớn khi xác định được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tối ưu: giảm tiêu hao axit sunfuric xuống mức 35–45 kg/tấn quặng, kiểm soát hàm lượng urani tồn dư trong bã thải rắn xuống dưới 0,01% U và tạo ra sản phẩm urani kỹ thuật đạt hàm lượng trên 60% U3O8, đóng góp trực tiếp vào cơ sở dữ liệu khả thi cho ngành công nghiệp khai thác chế biến khoáng sản phóng xạ Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết thủy luyện dị thể hệ rắn – lỏng và động học quá trình hòa tách khoáng vật urani trong môi trường axit sunfuric loãng. Về bản chất hóa học, khoáng vật urani hóa trị bốn không thể hòa tan trực tiếp trong dung dịch axit sunfuric mà phải trải qua quá trình oxy hóa chuyển hóa thành ion uranyl hóa trị sáu dễ tan. Cơ chế này được duy trì thông qua hệ oxy hóa khử trung gian Fe(3+)/Fe(2+) với sự tham gia của tác nhân oxy hóa pyroluzit MnO2, trong đó thế oxy hóa khử của hệ được kiểm soát theo phương trình Nernst ở mức trên 400–450 mV nhằm đảm bảo hơn 98% ion sắt tồn tại ở dạng hóa trị ba.

Bên cạnh đó, lý thuyết hòa tách thấm qua lớp quặng tĩnh và mô hình mao dẫn ngược đóng vai trò định hướng thiết kế công nghệ. Quá trình thấm diễn ra qua ba cấp độ: vi mô tại bề mặt hạt khoáng, trung gian qua các khe nứt mao quản và vĩ mô trên toàn bộ chiều cao cột quặng. Các khái niệm cốt lõi bao gồm: tính thấm thủy lực, hiện tượng dòng ưu tiên tạo rãnh, sự kết khối hạt mịn và cơ chế khuếch tán muối hòa tan trong chu trình làm ẩm – để khô xen kẽ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm sử dụng mẫu quặng cát kết nguyên khai Pà Lừa có hàm lượng 0,072% U, bao gồm cả ba dạng tồn tại: quặng chưa phong hóa, bán phong hóa và phong hóa. Mẫu quặng ban đầu có kích thước cục lớn nhất lên tới 350 mm, được đập sơ bộ bằng tay xuống dưới 200 mm, sau đó đưa vào hệ thống đập cơ học hai cấp sử dụng máy đập hàm trung và nhỏ. Cấp đập thứ nhất giảm kích thước hạt từ 200 mm xuống 25 mm với mức đập bằng 8; cấp đập thứ hai giảm từ 25 mm xuống dưới 10 mm với mức đập bằng 2,5 nhằm hạn chế tối đa sự hình thành của các hạt bùn sét mịn dưới 0,3 mm gây tắc nghẽn dòng thấm.

Hệ thống phân tích sử dụng phương pháp chuẩn độ Davis-Gray cải tiến bằng K2Cr2O7 và đo quang phổ trắc quang để xác định chính xác hàm lượng urani trong quặng đầu, dung dịch hòa tách và bã thải rắn. Thành phần khoáng tướng và cấu trúc vi mô được đánh giá qua kính hiển vi điện tử quét SEM và nhiễu xạ tia X (XRD). Nồng độ axit dư và ion sắt Fe(2+)/Fe(3+) được xác định bằng phương pháp chuẩn độ thể tích. Timeline thực nghiệm được tiến hành liên tục trong 12 tháng với chu kỳ hòa tách mỗi mẻ kéo dài từ 20 đến 65 ngày trên các cột nhựa PVC chuyên dụng có đường kính và chiều cao linh hoạt từ 0,5 m đến 3,0 m.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát thực nghiệm đã làm sáng tỏ các quy luật động học và xác định bộ thông số công nghệ tối ưu cho quặng urani Pà Lừa:

Thứ nhất, kích thước hạt quặng sau đập khống chế ở mức dưới 10 mm (cụ thể dải hạt 1–10 mm) mang lại hiệu quả hòa tách cao nhất. Ở cấp hạt này, khối quặng giữ được độ tơi xốp tự nhiên, độ rỗng mao quản ổn định, giúp dung dịch axit phân bố đều mà không xuất hiện hiện tượng tắc cột, nâng hiệu suất thu hồi urani đạt trên 78% đến 85%, cao hơn khoảng 15–20% so với mẫu quặng có kích thước hạt thô trên 25 mm.

Thứ hai, tác nhân oxy hóa MnO2 đạt hiệu quả tối ưu ở mức chi phí 4,0 kg/tấn quặng (dao động 4,0–4,5 kg/tấn). Lượng MnO2 này duy trì thế oxy hóa khử dung dịch luôn ổn định ở mức 450–480 mV, thúc đẩy tốc độ oxy hóa U(IV) sang U(VI) diễn ra triệt để, giúp tăng hiệu suất hòa tách thêm 12–18% so với mẫu đối chứng không bổ sung chất oxy hóa.

Thứ ba, nồng độ dung dịch H2SO4 thích hợp nhất nằm trong dải 50–75 g/l với tổng tiêu hao axit thực tế đạt 35–45 kg/tấn quặng. Tốc độ tưới dung dịch tối ưu được xác định từ 10 đến 30 lít/m2.h. Tốc độ tưới này vừa đủ duy trì màng chất lỏng bao quanh hạt quặng mà không gây ngập úng hay tạo dòng chảy rãnh cục bộ.

Thứ tư, chiều cao lớp quặng trong cột thấm có thể nâng lên đến 2,0–3,0 m mà không làm suy giảm độ thấm thủy lực, nồng độ urani tích lũy trong dung dịch ngâm chiết đạt ngưỡng 1,0–1,2 g/l U, đồng thời hàm lượng urani tồn lưu trong bã thải giảm sâu xuống dưới 0,01% U.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất hòa tách vượt trội của quặng Pà Lừa bằng phương pháp thấm bắt nguồn từ đặc tính thạch học cát kết có độ rỗng tự nhiên cao. Khi kết hợp chu trình tưới gián đoạn và hiệu ứng mao dẫn ngược, gradient ẩm trong các giai đoạn nghỉ đã kéo các muối uranyl hòa tan từ sâu trong vi mao quản kết tinh ra ngoài bề mặt hạt quặng, sau đó bị rửa trôi nhanh chóng ở đợt tưới tiếp theo. So sánh với phương pháp hòa tách khuấy trộn, hòa tách thấm giúp giảm trên 60% chi phí năng lượng nghiền mịn và loại bỏ hoàn toàn hệ thống lọc phân chia rắn – lỏng đắt tiền.

Khi đối chiếu với các kết quả thực tế trên thế giới như mỏ Sierra Pintada (Argentina) đạt hiệu suất thu hồi 80–90% hay mỏ Caetité (Brazil) đạt 76% với tiêu hao axit 40 kg/tấn quặng, các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đạt được của quặng Pà Lừa hoàn toàn tương đương và có tính cạnh tranh cao. Động học hòa tách có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đường cong tích lũy nồng độ urani theo thời gian và bảng tương quan giữa tốc độ tưới và độ thấm của cột, thể hiện rõ bước chuyển pha tối ưu tại mốc thời gian 25–30 ngày vận hành.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện công nghệ và đưa quy trình vào ứng dụng quy mô lớn, luận văn đề xuất bốn nhóm giải pháp hành động cụ thể:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy trình gia công cơ học quặng hai cấp tại hiện trường mỏ. Đơn vị khai thác cần sử dụng hệ thống máy đập hàm kết hợp sàng phân loại để đưa 100% quặng nguyên khai về kích thước dưới 10 mm, đồng thời khống chế tỷ lệ hạt mịn dưới 0,3 mm không vượt quá 10%, hoàn thành lắp đặt trong vòng 3 tháng đầu của giai đoạn chuẩn bị sản xuất.

Thứ hai, tối ưu hóa chế độ tưới dung dịch theo phương pháp phun mưa gián đoạn. Kỹ sư vận hành cần duy trì tốc độ tưới 15–25 lít/m2.h với nồng độ axit H2SO4 từ 50 đến 75 g/l và định mức MnO2 là 4 kg/tấn quặng, áp dụng chu kỳ tưới 8 giờ và nghỉ 16 giờ mỗi ngày nhằm đạt hiệu suất thu hồi urani trên 80% trong chu kỳ hòa tách 35–45 ngày.

Thứ ba, tích hợp công nghệ tuần hoàn dung dịch hòa tách hai bậc ngược chiều. Bộ phận công nghệ nhà máy cần cho dung dịch hòa tách bậc một đi qua các cột quặng mới để tận dụng triệt để axit dư, nâng nồng độ urani trong dung dịch sản phẩm lên trên 1,2 g/l U, giúp giảm khoảng 30% lượng nước cấp và tiết kiệm 15% tổng chi phí hóa chất hòa tách.

Thứ tư, thiết lập hệ thống xử lý bã thải và bảo vệ môi trường đạt quy chuẩn an toàn bức xạ. Ban an toàn môi trường mỏ cần tiến hành trung hòa dung dịch thải bằng sữa vôi đến pH 10 kết hợp bổ sung BaCl2 với nồng độ 0,05–0,3 g/l nhằm đồng kết tủa 95–97% đồng vị phóng xạ Ra-226 và Th-230, bã thải rắn sau hòa tách được đầm nén và phủ lớp đất dày 1,9 m theo quy trình hoàn thổ trong thời hạn 6 tháng sau khai thác.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho nhiều nhóm độc giả chuyên ngành:

Nhóm 1: Các kỹ sư hóa luyện kim và nhà khoa học công nghệ phóng xạ. Nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm chi tiết về động học hòa tách, thông số thế oxy hóa khử Nernst và cơ chế mao dẫn ngược, hỗ trợ trực tiếp cho công tác thiết kế module hòa tách cột và bãi hòa tách đống quy mô pilot.

Nhóm 2: Các nhà quản lý dự án và chuyên gia kinh tế khoáng sản. Luận văn cung cấp bảng định mức chi phí nguyên vật liệu (axit 35–45 kg/tấn, MnO2 4 kg/tấn) và hiệu suất thu hồi (trên 76%), làm căn cứ xây dựng báo cáo khả thi (FS) và hạch toán giá thành sản phẩm urani kỹ thuật cho bồn trũng Nông Sơn.

Nhóm 3: Chuyên gia an toàn bức xạ và quản lý môi trường mỏ. Các giải pháp xử lý dòng thải lỏng bằng sữa vôi kết hợp BaCl2 và kỹ thuật cô lập bã thải rắn chứa dưới 0,01% U là tài liệu tham khảo quan trọng để lập đánh giá tác động môi trường (ĐTM).

Nhóm 4: Học viên cao học và sinh viên ngành Hóa vô cơ, Công nghệ Hóa học, Địa chất khoáng sản. Luận văn là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp luận nghiên cứu thực nghiệm thủy luyện, kỹ thuật phân tích pha khoáng hiện đại (SEM, XRD, ICP-MS) và chuẩn độ Davis-Gray.

Câu hỏi thường gặp

Kỹ thuật hòa tách thấm có ưu thế vượt trội gì đối với quặng urani Pà Lừa?

Quặng Pà Lừa là cát kết nghèo với hàm lượng 0,072% U. Kỹ thuật hòa tách thấm cho phép xử lý quặng ở kích thước hạt thô dưới 10 mm mà không cần nghiền mịn dưới 0,1 mm, giúp cắt giảm khoảng 50–60% chi phí thiết bị đập nghiền và khuấy trộn, đồng thời không phát sinh bùn mịn gây khó khăn cho công đoạn tách rắn – lỏng.

Tại sao bắt buộc phải bổ sung chất oxy hóa MnO2 trong quá trình hòa tách?

Urani trong quặng Pà Lừa tồn tại phần lớn ở dạng U(IV) không tan trong H2SO4 loãng. Việc bổ sung 4 kg MnO2/tấn quặng giúp duy trì thế oxy hóa khử của hệ trên mức 450 mV, liên tục tái tạo ion Fe(3+) từ Fe(2+). Ion Fe(3+) đóng vai trò chất oxy hóa trực tiếp chuyển U(IV) thành U(VI) dễ tan, nâng hiệu suất thu hồi thêm 15%.

Làm thế nào để kiểm soát và ngăn chặn hiện tượng dòng chảy ưu tiên trong đống quặng?

Hiện tượng dòng ưu tiên được triệt tiêu bằng cách khống chế cỡ hạt quặng đập đồng đều dưới 10 mm, sàng loại bỏ phần bột mịn dưới 0,3 mm và áp dụng kỹ thuật tưới dàn mưa với tốc độ 10–30 lít/m2.h. Việc kết hợp chu trình tưới gián đoạn giúp dung dịch phân bố đồng đều, tránh tạo kênh rãnh và tăng cường độ ẩm mao quản.

Bã thải rắn sau quá trình hòa tách có gây nguy cơ ô nhiễm phóng xạ ra môi trường không?

Hàm lượng urani trong bã thải sau hòa tách đã giảm xuống dưới 0,01% U. Toàn bộ bã quặng được trung hòa bằng sữa vôi đến pH 10 và cố định radi bằng BaCl2, sau đó được chôn lấp tại các bãi chứa chuyên dụng có lót màng chống thấm HDPE và phủ lớp đất dày 1,9 m, triệt tiêu hoàn toàn sự phát tán bụi và khí radon.

Sản phẩm urani thu nhận được sau quy trình đạt tiêu chuẩn thương phẩm như thế nào?

Dung dịch sau hòa tách thấm đạt nồng độ 1,0–1,2 g/l U được đưa qua công đoạn làm sạch, làm giàu bằng trao đổi ion hoặc chiết dung môi và kết tủa thành sản phẩm bánh vàng. Sản phẩm cuối cùng có hàm lượng U3O8 đạt trên 60%, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật thương phẩm phục vụ chế tạo nhiên liệu hạt nhân.

Kết luận

Quy trình công nghệ xử lý quặng urani vùng Pà Lừa bằng kỹ thuật hòa tách thấm đã giải quyết thành công bài toán kinh tế kỹ thuật trong chế biến quặng phóng xạ nghèo tại Việt Nam:

  • Xác lập bộ thông số công nghệ tối ưu: kích thước hạt quặng dưới 10 mm, tiêu hao H2SO4 từ 35 đến 45 kg/tấn, chi phí MnO2 đạt 4 kg/tấn và tốc độ tưới 10–30 lít/m2.h.
  • Đạt hiệu suất thu hồi urani từ 76% đến trên 85%, nồng độ urani trong dung dịch ngâm chiết đạt 1,0–1,2 g/l U.
  • Giảm thiểu hàm lượng urani dư trong bã thải rắn xuống dưới 0,01% U, sản phẩm urani kỹ thuật đạt phẩm cấp thương phẩm trên 60% U3O8.
  • Cắt giảm hơn 50% chi phí đầu tư máy móc và năng lượng vận hành so với phương pháp hòa tách khuấy trộn truyền thống.
  • Hoàn thiện quy trình an toàn môi trường xử lý chất thải rắn và lỏng bằng sữa vôi kết hợp BaCl2 đạt quy chuẩn quốc gia.

Đóng góp lớn nhất của công trình là cung cấp luận cứ khoa học thực nghiệm vững chắc phục vụ Đề án 15 quốc gia về khai thác 8.000 tấn U3O8 tại bồn trũng Nông Sơn. Trong giai đoạn 12–24 tháng tiếp theo, kiến nghị triển khai thử nghiệm trên bãi hòa tách đống quy mô 5.000–10.000 tấn tại thực địa mỏ. Các tổ chức nghiên cứu và doanh nghiệp khai khoáng quan tâm có thể tiếp cận trích xuất dữ liệu công nghệ để hợp tác chuyển giao và phát triển nguồn nhiên liệu hạt nhân hòa bình cho đất nước.