Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tình hình nghiên cứu xử lý quặng urani trên thế giới và ở Việt Nam 1. Trên thế giới 1.
Tình hình nghiên cứu xử lý quặng urani trên thế giới [2,4,17,22,23] Công nghệ xử lý quặng urani kỹ thuật bao gồm nhiều công đoạn. Các công đoạn chính trong chu trình xử lý quặng để thu nhận urani kỹ thuật là chuẩn bị quặng, đập, nghiền (trừ hoà tách ngầm), nghiền và phân loại, tuyển, hoà tách quặng, tách rắn lỏng, thu chọn lọc urani từ dung dịch hoà tách với độ sạch cần thiết; kết tủa urani kỹ thuật, sấy và đóng gói lưu giữ sản phẩm. Trong một số trường hợp tiếp sau quá trình chuẩn bị quặng là công đoạn xử lý sơ bộ quặng (nung quặng ở nhiệt độ cao, chẳng hạn trong trường hợp xử lý quặng vanađi chứa urani). Tuy nhiên, không phải đối với loại quặng nào cũng phải trải qua các công đoạn như đã nêu, các công đoạn phụ thuộc từng loại quặng cụ thể.
Sơ đồ công nghệ tổng quát xử lý quặng urani bao gồm các công đoạn sau: - Đập và nghiền: Quặng được đập và nghiền đến kích thước thích hợp đảm bảo cho việc hoà tách có hiệu quả và làm cho quặng có thể tạo bùn và có thể bơm được trong quá trình công nghệ. - Làm giàu quặng: Trong một số trường hợp, quặng được làm giàu bằng các phương pháp tuyển nhằm mục đích thu nhận tinh quặng có hàm lượng urani cao hơn và loại bỏ một phần đất đá. - Xử lý sơ bộ: Đối với một số loại quặng như quặng urani - vanađi, trước khi hoà tách, quặng được xử lý sơ bộ bằng phương pháp nung nhằm mục đích tạo điều kiện để tách phần lớn vanađi ra khỏi quặng ở những công đoạn sau, đồng thời tăng cường một số tính chất vật lý của quặng. - Hoà tách: Quặng urani đã được nghiền đem hoà tách bằng axit hoặc Na2CO3, có thể gia nhiệt và sử dụng chất oxi hoá như O2, NaClO3, MnO2, H2O2,….
Có thể hoà tách khuấy trộn, hoà tách đống (thấm, ngâm ủ) và hoà tách tại chỗ. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Công đoạn phân chia rắn lỏng và rửa: Bùn hoà tách được lọc và rửa để thu urani đã hoà tan trong dung dịch hoà tách còn bã quặng đã tách urani được đưa sang công đoạn xử lý thải trước khi thải chúng ra ngoài. Một số kỹ thuật thường được dùng trong công đoạn phân chia rắn-lỏng, đó là: kỹ thuật lắng gạn hoặc kỹ thuật lọc. Quặng Chuẩn bị quặng Hoà tách Tiền xử lý Phân chia rắn-lỏng Bã quặng Làm giàu, làm sạch dung dịch Xử lý thải Kết tủa Thải lỏng Urani kỹ thuật (yellowcake) Hình 1.
Sơ đồ tổng quát quá trình thuỷ luyện quặng urani - Làm sạch và làm giàu urani: Dung dịch urani thu được sau công đoạn tách rắn lỏng thường có nồng độ rất thấp (thường dưới 1g/l U) và chứa một số tạp chất. Vì vậy dung dịch urani được làm sạch và nâng cao nồng độ urani bằng phương pháp trao đổi ion hoặc phương pháp chiết hoặc kết hợp cả hai phương pháp này. - Kết tủa sản phẩm: Dung dịch chứa urrani có nồng độ cao được kết tủa trong một hoặc hai giai đoạn để thu nhận urani kỹ thuật. Các tác nhân kết tủa có thể 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com là: NH4OH, MgO, H2O2, NaOH, tuỳ theo mục đích loại sản phẩm urani kỹ thuật theo yêu cầu công nghệ.
Đập, Nghiền, Sàng Làm giàu, xử lý sơ bộ Chất oxi hoá Hoà tách H2SO4 Bã quặng Tách rắn lỏng Dung dịch urani Trao đổi ion Chiết Kết tủa tạp chất Ca(OH)2 Rửa giải Giải chiết Lọc Kết tủa urani kỹ thuật MgO Lọc, rửa Sấy Sản phẩm diuranat magie Hình 2. Sơ đồ quá trình sản xuất diuranat magie truyền thống 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Công đoạn hoàn thiện sản phẩm: Lọc, rửa, sấy, đóng gói và bảo quản sản phẩm. Urani kỹ thuật được sấy khô và đóng gói (Điuranat amôni được sấy khô ở nhiệt độ 1000C, còn điuranat kiềm được sấy ở nhiệt độ gần 4000C trên các thiết bị sấy chuyên dụng). - Công đoạn xử lý và chôn cất bã thải: Dung dịch thải từ các công đoạn còn chứa một lượng urani và các tạp chất có hoạt độ phóng xạ cùng với bã thải rắn được xử lý để tách hết các tạp chất độc hại và phóng xạ như: Pb, Ra, Th, vết urani còn lại và các nguyên tố kim loại nặng khác.
Các tạp chất này được tách ra ở dạng bã rắn và sẽ được thải chung cùng phần bã quặng, dung dịch sạch sẽ được hoặc là tuần hoàn lại chu trình hoặc là thải ra môi trường. Trong các công đoạn của sơ đồ xử lý quặng urani như đã nêu ở trên thì công đoạn hòa tách là công đoạn quan trọng nhất, công đoạn này ảnh hưởng chủ yếu đến hiệu suất thu hồi urani từ quặng. Kết quả xử lý quặng cát kết hàm lượng thấp trên thế giới [4,11,16,26] Hiện nay có nhiều phương pháp hòa tách được tiến hành ở các nhà máy sản xuất urani trên thế giới như hòa tách khấy trộn, hòa tách đống, hòa tách tại chỗ. Đối với loại quặng cát kết hàm lượng thấp thường sử dụng phương pháp hòa tách đống và hòa tách tại chỗ.
Một số ví dụ về xử lý quặng urani trên thế giới: a. Mỏ Sierra Pintada (Argentina) Quặng ở mỏ này là cát kết (hàm lượng cacbonat 6%). Khu mỏ này được khai thác trong khoảng thời gian 1976 – 1997. Hàm lượng urani trung bình trong quặng là 0,076% U.
Các khoáng chứa urani chủ yếu là uraninite, brannerite và coffinite. Công nghệ xử lý quặng gồm các bước: - Sau khi tuyển phóng xạ, quặng được qua công đoạn làm giảm kích thước; - Công đoạn đập được thực hiện qua 2 giai đoạn: giai đoạn thứ nhất sử dụng máy đập hàm để giảm kích thước từ 30 cm xuống 10 cm; sau đó sử dụng máy đập nón để đưa về kích thước < 2,5 cm. Năng suất đập 100 – 120 tấn quặng/ngày; tại công đoạn này có hệ thống thu bụi; 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - Sử dụng hòa tách đống, có 6 ngăn, mỗi ngăn chứa 9.000 tấn quặng (tổng diện tích là 20. Có hệ thống ống dẫn để thu dung dịch hòa tách ở đáy ngăn.
Chiều cao đống trung bình là 2,5 m. Khối quặng được ngâm ngập bằng dung dịch axit sunfuric. Trong điều kiện thực tế, nhà máy xử lý 80.000 tấn quặng/năm và thu được 120 tấn U/năm. - Chu trình hòa tách kéo dài 3 tháng, trong đó 2 tháng xử lý axit, 1 tháng còn lại là chuẩn bị, lấy mẫu và tháo dỡ.
- Ở đây, họ đã so sánh 2 kỹ thuật hòa tách đống và ngâm và thấy rằng: Thông số Hòa tách đống Hòa tách ngâm Độ hạt 2 inch (5,08 cm) 1 inch (2,54 cm) Chiều cao đống 3-4 m 2,5 m Thời gian 12 tháng 3 tháng Hiệu suất thu U 80% 90% b. Mỏ urani ở Caetité, bang Bahia (Brazil) Brazil hiện tại có hai nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động. Nguồn urani cung cấp cho các nhà máy được sản xuất từ mỏ duy nhất ở Caetité, bang Bahia. Hàm lượng trung bình của quặng là 0,252% U3O8 (urani chủ yếu ở dạng oxit).
Quặng được đập thông qua 4 giai đoạn để đưa về cỡ hạt < 13 mm. Nước được tưới vào quặng với lưu lượng 5% (khối lượng so với quặng) trên hệ thống băng tải tới máy trộn. Thùng quay của máy trộn có đường kính 1,2 m và dài 6 m. Axit đặc (15 kg/tấn quặng) được trộn với quặng để tạo hạt và ủ sơ bộ, sau đó quặng được chuyển vào đống trên lớp lót HDPE.
Mỗi đống chứa 35000 tấn quặng (cao không quá 5,5 m và chiếm diện tích 45 x 80 m). Hòa tách đống tiếp theo được tiến hành bằng cách tưới dung dịch axit sunfuric vào đống với tốc độ 30 lít/m2giờ bằng hệ thống phân phối nhỏ giọt (khoảng cách lỗ là 45 x 45 cm). Lần rửa đầu tiên (hòa tách), sử dụng dung dịch 25 g axit/l với thể tích 0,6 m3/tấn quặng và lần rửa thứ hai sử dụng dung dịch 5g axit/l với thể tích 0,3 m3/tấn quặng và lần rửa thứ ba sử dụng nước thường với thể tích 0,3 m3/tấn 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Dung dịch hòa tách được thu vào bồn chứa có lót HDPE và sau đó bơm về nhà máy xử lý.
Ở đó dung dịch hòa tách được xử lý bằng phương pháp chiết, sản phẩm urani kỹ thuật được kết tủa ở dạng amon diuranat (ADU). Năng suất xử lý của nhà máy đạt 180.000 tấn quặng/năm và thu được 400 tấn U3O8 dạng ADU/năm. Từ cuối năm 2001 đến tháng 10/2008, nhà máy đã xử lý khoảng 1.000 tấn quặng và thu được khoảng 2.000 tấn U3O8 đạt hiệu suất thu hồi urani 76% với chi phí axit khoảng 40 kg/tấn quặng. Điều quan trọng là, trước đây cơ sở này đã sử dụng hòa tách thấm, nhưng sau một thời gian, hiệu suất thu hồi urani đã giảm từ 80 xuống còn 65% nên chuyển sang kỹ thuật sử dụng trộn quặng với axit sau đó tiến hành hòa tách thấm (tương tự với mỏ tại Somair ở Niger hiện nay).
Hòa tách đống ở Somair - AREVA NC -BU Mines Theo báo cáo trình bày tại “Technical Meeting on Uranium Small -Scale and Special mining and Processing Technologies), được tổ chức từ 19-22/6/2007 ở Vienna, tổ chức AREVA NC -BU Mines đang triển khai một dự án thực hiện từ 2005-2008 xử lý quặng urani hàm lượng thấp (<0,1% U3O8) bằng hoà tách đống ở Somair. Dự án được tiến hành theo 4 bước: nghiên cứu phòng thí nghiệm, thử nghiệm trên cột mẫu quặng đại diện của cả khu mỏ, thử nghiệm trên cột các mẫu của từng khu vực riêng biệt và thử nghiệm quy mô pilôt. Công nghệ mà họ đang nghiên cứu bao gồm các công đoạn: đập quặng, tạo hạt (trong đó có axit, chất kết dính), tạo đống và hoà tách, dung dịch thu được chuyển tới nhà máy xử lý bằng chiết dung môi. Hiệu suất thu hồi urani trong công đoạn hòa tách đạt 68 - 70%, chi phí axit trung bình 20 - 30 kg/tấn quặng.
Đây là cơ sở đầu tiên sử dụng hoà tách đống ở Niger và là lớn nhất thế giới trong thời điểm này. Xử lý bã thải của quá trình thủy luyện urani [4,9,11,14] Trong quá trình xử lý quặng để thu sản phẩm urani tuỳ theo thành phần quặng và phương pháp hoà tách bằng axit hay kiềm mà chất thải có những đặc điểm khác nhau. Lượng chất thải rắn và lỏng từ quá trình xử lý quặng urani có đặc điểm chung là hoạt độ phóng xạ thấp và khối lượng lớn. Lượng thải lỏng bằng 1-3 tấn thải/tấn quặng đầu tuỳ thuộc vào sơ đồ công nghệ được áp dụng (hoà tách bằng axit 16 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.