afsanah82
11-10-2011, 11:14 PM
هيدرومتالورژي و تكنيك‌هاي ليچينگ كانه‌هاي اورانيوم (Hydrometallurgy and techniques for leaching ores uranium) چكيده
از آنجايي كه اكثر كاني‌هاي اورانيوم به سادگي فروشسته مي‌شوند، مسائل اقتصادي استخراج بسيار وابسته به نرخ حلاليت مربوط به كاني‌هاي باطله همراه است. حلاليت گانگ همچنين تعيين‌كننده تركيب محلول ليچينگ و اثر آن در عمليات است. يك‌سري كامل از آزمايش‌هاي ليچينگ براي ارزيابي شرايط ليچينگ نياز به 25 تا 50 كيلوگرم از كانه مورد نظر است، براي آزمايش‌ها ليچينگ اورانيوم نيازي به آزمايش در مقياس بزرگ نيست، زيرا عمليات ليچينگ را مي‌توان براحتي طبق داده‌هاي آزمايشگاهي بزرگ مقياس كرد. كانه‌هاي اورانيوم به دو روش اسيدي و آلكالين ليچ مي‌شوند. با وجود اينكه در اكثر عمليات فرآوري اورانيوم از روش اسيدي استفاده ميشود، اما ليچينگ آلكالين داراي برتري‌هايي است. ليچينگ يك فرآيند ديفوژن است كه نرخ آن به عواملي از قبيل: غلظت حلال، دما، سطح موثر جامد، و نرخ انتشار در درون محلول بستگي دارد. دما، غلظت اسيد و زمان ليچينگ سه فاكتور مرتبط با هم هستند كه تاثير آنها مي‌تواند با هم بررسي شود. [,61،3]
واژه‌هاي كليدي: نرخ حلاليت، ليچينگ، آلكالين و ديفوژن
1. مقدمه
اورانيوم يكي از عناصر شيميايي جدول تناوبي است كه نماد آن U و عدد اتمي آن ۹۲ است. اين عنصر داراي دماي ذوب 1450 درجه سانتيگراد بوده و به رنگ سفيد مايل به نقره‌اي، سنگين، فلزي و راديواكتيو است و با وجود تصور عام، فراواني آن در طبيعت حتي از عناصري از قبيل جيوه، طلا و نقره نيز بيشتر است. عنصر اورانيوم در طبيعت داراي ايزوتوپ‌هاي مختلف از جمله دو ايزوتوپ مهم و پايدار اورانيوم ۲۳۸ است، تفاوتي كه سبب به‌وجود آمدن ايزوتوپ‌هاي مختلف از يك عنصر ميشود، اختلاف تعداد نوترون‌هاي موجود در هسته اتم است. به‌طور مثال، تمامي ايزوتوپ‌هاي عنصر اورانيوم در هسته خود داراي ۹۲ پروتون هستند، اما ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸ در هسته خود داراي ۱۴۶ نوترون (۹۲+۱۴۶=۲۳۸) و ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵ داراي ۱۴۳ نوترون (۹۲+۱۴۳=۲۳۵) در هسته خود است. اورانيوم ۲۳۵ مهم‌ترين ماده مورد نياز راكتورهاي هسته‌اي (براي شكافته شدن و توليد انرژي) است، اما مشكل كار اينجاست كه اورانيوم استخراج شده از معدن تركيبي از ايزوتوپ‌هاي ۲۳۸ و ۲۳۵ بوده كه در اين ميان سهم ايزوتوپ ۲۳۵ بسيار اندك (حدود ۰/۷درصد) است و به همين علت بايد براي تهيه سوخت راكتورهاي هسته‌اي به روش‌هاي مختلف درصد اوانيوم ۲۳۵ را در مقايسه با اورانيوم ۲۳۸ بالا برده و بسته به نوع راكتور هسته‌اي به ۲ تا ۵ درصد رساند و به اصطلاح اورانيوم را غني‌سازي كرد. اورانيوم(U) عنصري است راهبردي و مصارف عمده آن در نيروگاه‌هاي اتمي و سلاح‌هاي هسته‌اي و به مقدار جزيي در مصارف دارويي و پژوهشي استفاده ميشود. در فرآيند تشكيل كاني‌هاي مختلف از ماگما، به دليل بزرگ بودن شعاع يوني اورانيوم، اين عنصر در مراحل اوليه تبلور ماگما، نمي‌تواند وارد شبكه هيچ‌يك از كاني‌ها شود و تا مراحل آخر ماگما باقي مي‌ماند، بنابراين اورانيوم بيشتر در سنگ‌هاي اسيدي متمركز ميشود. اورانينيت و پيچ‌بلند، مهم‌ترين كاني‌هاي محيط احيايي هستند. كارنوتيت، مهم‌ترين كاني محيط اكسيدان است.[2]
2. كاني‌شناسي اورانيوم و ارتباط آن با ليچينگ
كاني‌شناسي كاني‌هاي اورانيوم و باطله‌ها بعنوان مهم‌ترين عامل موثر بر عمليات ليچينگ بايد مورد بررسي قرار گيرد. نقش اين موضوع در تعيين حلاليت كاني و همچنين تعيين مقدار بهينه مصرف اسيد يا كربنات بسيار مهم است. در حدود 160 كاني شناخته شده است كه حاوي اورانيوم بعنوان عنصر اصلي است. كاني‌هاي اورانيوم از ديدگاه نحوه تشكيل به دو دسته اوليه و ثانويه تقسيم مي‌شوند.
3. متغيرهاي ليچينگ
1. ميزان خردايش: آزمايش‌ها كاني‌شناسي بايد ميزان خردايش مورد نياز براي عمليات موفقيت‌آميز ليچينگ را مشخص كند. خردايش بيش از اندازه علاوه بر هزينه‌هاي بالا، موجب ويسكوزيته بالاي پالپ ميشود كه مي‌تواند روي نرخ ليچينگ تاثير بگذارد و توان همزني بيشتري را براي همزني آن طلب كند. همچنين خردايش ريز، سرعت فيلتراسيون و ته‌نشيني را در فرآيند بعدي جداسازي جامد مايع كاهش مي‌دهد[3].
2. چگالي دوغاب: وزن مخصوص بهينه گلاب معمولا حداكثر مقداري است كه بدون افزايش گرانروي در آن تماس مطلوب بين محصول و جامد حاصل ميشود. افزايش وزن مخصوص گلاب، حجم تجهيزات مدار ليچينگ براي رسيدن به زمان ماند مورد نظر و مصرف مواد شيميايي را كاهش مي‌دهد. براي كانسنگ‌هايي با درصد بالايي از رس، غلظت گلاب تا 45 درصد وزني جامد محدود ميشود. معمولا دامنه غلظت گلاب بين 50 تا 60 درصد وزني جامد است.
3. درجه همزني: عمل همزدن تا زماني‌كه كانسنگ به‌طور كاملا معلق در نيامده است بر روي سينتيك انحلال تاثيري ندارد. شدت همزدن بايد به اندازه‌اي باشد كه ذرات از داخل ظرف به بيرون نريزند و از طرف ديگر از ته‌نشيني ذرات درشت جلوگيري كند.
4. تركيب مايع ليچ
5. غلظت اسيد: انتخاب غلظت بهينه اسيد يكي از مهم‌ترين مراحل آزمون‌هاي ليچينگ آزمايشگاهي است. مصرف اسيد، آهك مورد نياز براي خنثي‌سازي را (در صورت نياز) تعيين مي‌كند. در صورتي‌كه غلظت اسيد آزاد مورد نياز خيلي زياد (مثلا بيش از 10 گرم برليتر) باشد، براي جلوگيري از واكنش با مواد باطله انجام آزمون‌ها تحت شرايط pH كنترل‌شده انجام ميشود. كنترل غلظت اسيد مصرفي، از آن جهت اهميت فراواني دارد كه به‌طور مستقيم نرخ حلاليت اورانيوم و كاني‌هاي باطله را تعيين مي‌كند. بعلاوه پتانسيل اكسيداسيون مستقل از pH است[3].
6. پتانسيل اكسيداسيون: اورانيوم شش ظرفيتي براحتي در اسيد سولفوريك حل ميشود، اما اورانيوم در شكل چهار ظرفيتي بايد براي انحلال اكسيد شود. اكسيدكننده‌ها به‌طور غيرمستقيم سولفات آهن دو ظرفيتي حاصل از انحلال كاني‌هاي آهن موجود در كانسنگ يا آهن ناشي از مرحله خردايش را به سولفات آهن سه ظرفيتي تبديل مي‌كنند. معمولا غلظت يك تا 2 گرم بر ليتر از Fe3+ براي حلاليت موثر اورانينيت كافي است. بازيابي موفقيت‌آميز اورانيوم معمولا براي اكثر كاني‌ها در پتانسيل 450 ميلي‌ولت با الكترود كالومل (HgCl) در دماي 35 تا 40 درجه سانتيگراد رخ مي‌دهد[3]. پتانسيل بالاتر از 450 ميلي‌ولت معمولا نرخ استخراج اوليه را افزايش مي‌دهد، اما روي بازيابي نهايي فرآيند تاثيري نمي‌گذارد. در ضمن براي جلوگيري از مصرف اسيد بالا توسط اكسيداسيون آهن دو ظرفيتي، بايد از ايجاد پتانسيل اكسيداسيون بالا جلوگيري كرد.
7. درجه حرارت: افزايش دما باعث افزايش سرعت ليچينگ اورانيوم، افزايش حلاليت كاني‌هاي باطله، مصرف اسيد و غلظت ناخالصي‌ها در محلول ميشود. حداقل دماي ليچينگ براي رسيدن به سرعت قابل قبول استخراج اورانيوم و بازيابي نهايي معمولا 30 تا 35 سانتيگراد است.
8. فشار
9. زمان ليچينگ: اغلب با انجام ليچينگ در شرايط متوسط در مدت زمان طولاني (10 تا 30 ساعت) هزينه‌هاي مواد شيميايي كاهش مي‌يابد. افزايش هزينه‌هاي سرمايه‌اي با دو برابر كردن ظرفيت مدار ليچينگ، باعث كاهش 25 درصدي هزينه‌هاي مواد شيميايي در طول عمر كارخانه خواهد شد. در شرايط مشخص، زمان بهينه مواد شيميايي لازم براي حفظ شرايط مطلوب ليچينگ در مقايسه با ارزش مازاد اورانيوم بازيابي شده تعيين ميشود. مناسب‌ترين شرايط در آناليز نهايي با موازنه دقيق بين دماي ليچينگ، غلظت اسيد و زمان ليچينگ مشخص خواهد شد[3].
4. فرآيندهاي ليچينگ كانه‌هاي اورانيوم
كانه‌هاي اورانيوم به دو روش اسيدي و آلكالين ليچ مي‌شوند. در روش اسيدي معمولا از اسيد سولفوريك و در روش آلكالين از مخلوط كربنات سديم و بي‌كربنات سديم استفاده ميشود. به طور كلي، ليچينگ آلكالين راحت‌تر و انتخابي‌تر از ليچينگ اسيدي است و معمولا براي كانه‌هاي با محتوي كربنات بالا مورد استفاده قرار مي‌گيرد، زيرا در اين دسته از كاني‌ها مصرف اسيد بسيار بالا خواهد بود. راه‌حل كلي براي اين موضوع، به اين صورت است كه اگر محتوي كربنات در كانه بيش از 7 تا 9 درصد باشد، روش آلكالين اقتصادي‌تر خواهد بود، اما فاكتورهاي ديگري نيز بايد مورد بررسي قرار بگيرد. به جز محتواي كربنات نمونه، فاكتورهاي ديگري كه بايد براي انتخاب نوع حلال مورد نظر قرار گيرد عبارتند از: كارآيي استخراج اورانيوم، مصرف آب، مصرف انرژي، كيفيت مورد نياز محصول و ملاحظات زيست‌محيطي[5].
بعد از انتخاب حلال مناسب، مرحله بعد، انتخاب سيستم مورد استفاده براي ليچينگ است. پنج تكنيك زير براي ليچينگ كانه‌هاي اورانيوم وجود دارد:
1. ليچينگ همزني معمولي در فشار اتمسفر(اسيدي يا آلكالين)
2. ليچينگ تحت فشار(اسيدي يا آلكالين)
3. پخت و هضم اسيدي (اسيدي)
4. ليچينگ توده‌اي (اسيدي)
5. ليچينگ درجا (معمولا آلكالين)
4ـ1. ليچينگ همزني معمولي در فشار اتمسفر
فرآيند ليچينگ كه براي انحلال اورانيوم به كار مي‌رود تا حدودي وابسته به خصوصيات فيزيكي كانه مثل كاني‌شناسي اورانيوم، آزادسازي كاني و طبيعت ساير كاني‌هاي موجود است. در ليچينگ اسيدي استفاده از اسيد سولفوريك بعنوان حلال معمول‌ترين روش است. اسيد نيتريك هم بعنوان يك حلال خاصيت اكسيدكنندگي بالايي دارد، اما قيمت بالاي آن و همچنين ايجاد يون نيترات اورانيل (كه در فرآيند تبادل يوني توسط رزين آنيوني اشكال ايجاد مي‌كند) باعث محدوديت در استفاده آن ميشود. اين اسيد در گذشته براي فرآوري كانه‌هاي بسيار پرعيار مورد استفاده قرار مي‌گرفت، اما امروزه كانه‌هايي با عيار بالا وجود ندارند[6]. همچنين از اين حلال براي مواقعي كه هزينه‌هاي عمليات داراي اهميت نباشد، استفاده ميشود. اسيد هيدروكلريك هم براي فرآيند پخت در بعضي مواقع استفاده ميشود، اما قيمت بالا و حل كردن ناخالصي‌هاي زياد باعث عدم استفاده از آن ميشود. شكل‌گيري آنيون محلول تري‌كربنات اورانيل (UO2(CO3)-43) باعث ميشود كه استفاده از حلال نمك كربنات آمونيوم و آلكالين براي انحلال انتخابي اورانيوم بعنوان روشي مناسب براي ليچينگ اين كانه در نظر گرفته شود. ليچينگ كربناته، در مورد كانه‌هايي با محتوي كاني‌هاي كربناته بالا، داراي ارجحيت است، زيرا اين كاني‌ها در فرآيند كربناته وارد ليچ‌ليكور نمي‌شوند، اما با اين وجود چون كاني‌هاي كربناته و كاني‌هاي اورانيوم در كانه‌ها، كاملا باهم درگير هستند، بايد خردايش زيادي صورت گيرد تا سطح موثر بهتري از كاني‌هاي اورانيوم در معرض حلال قرار گيرد. استفاده از عمليات كربناته براي كاني‌هاي سيليكاته به سختي انجام ميشود و براي كاني‌هاتي سرسخت موثر نيست. اما كاني‌هاي محتوي اورانيوم چهار ظرفيتي، معمولا به فرآوري تحت شرايط خاص اكسيدان و زمان طولاني در دماي بالا نياز دارند. اورانيوم وقتي كه بصورت چهار ظرفيتي در كانه موجود باشد، بايد قبل از انحلال اكسيد شود. آهن سه ظرفيتي بعنوان اصلي‌ترين عامل اكسيدان اورانيوم چهار ظرفيتي در عمليات اسيدي به حساب مي‌آيد. اكسيدان‌هاي متداول مورد استفاده در فرايند اسيدي عبارتند از: MnO2، NaClO3 يا NaNO3 .
واكنش اكسيداسيون مي‌تواند بسيار پيچيده باشد، معمولا اكسيداسيون در حضور يون‌هاي آهن سه ظرفيتي به سرعت انجام ميشود:
UO2 + 2Fe3+ ---> UO22+ + 2Fe3+ 1-4
مصرف اسيد تابعي از كاني‌هاي گانگ موجود در كانه است. كلسيت، دولوميت و سيدريت براحتي با غلظت كم اسيد واكنش مي‌دهند . سولفيدها، آهن فلزي، بعضي از فسفات‌ها، موليبدات‌ها، وانادات‌ها، اكسيدها، فلوريدها و... در دما و غلظت اسيد بالا مقدار قابل‌توجهي از اسيد را مصرف مي‌كنند و باعث آلوده شدن محلول مي‌شوند.
4ـ2. شيمي‌انحلال و اصول كلي فرآيند كربناته
واكنش‌هايي كه در اين حالت صورت مي‌گيرد عبارتند از:
UO2 ---> UO22+ + 2e- 2-4
UO22+ ---> 3CO32- ---> [UO2(CO3)3]4- 3-4
1/2O2 + H2O + 2e- ---> 2OH- 4-4
4ـ5. واكنش كلي:
UO2 + OH- + H2O + 1/2O2 ---> [UO2(CO3)3]4- + OH- 5-4
با توجه به تشكيل OH- طي عمليات ليچينگ، احتمال دارد اورانات نامحلول تشكيل شود، بنابراين براي جلوگيري از اين واكنش جانبي، بي‌كربنات سديم به محلول اضافه ميشود:
HCO3- + OH- ---> CO32- + H2O 6-4
شكل يك. فلوشيت نمونه از فرآيند بالا را نشان مي‌دهد. در ليچينگ تحت فشار با كربنات اورانيوم اين مزيت وجود دارد كه با كاني‌هاي سيليكاته واكنش صورت نمي‌گيرد ضمنا كمپلكس اورانيوم با شست‌وشوي بخار تجزيه و آلومينا و اورانيوم راسب ميشود.
4ـ3. ليچينگ توده‌اي
هزينه‌هاي سرمايه‌گذاري اوليه و جاري عمليات ليچينگ توده‌اي از روش‌هاي مرسوم كمتر است و اين مزيت اقتصادي، آن را براي فرآوري كانسنگ‌هاي كم‌عيار اورانيوم مناسب مي‌سازد. اين روش بويژه براي باطله‌هاي معدنكاري اورانيوم كه عيار آنها پايين‌تر از حد اقتصادي است مي‌تواند سودمند باشد. در يك مكان آماده شده با زيرسازي نفوذناپذير و جوي‌هاي جمع‌آوري محلول، مواد مذكور را با ماشين‌آلات مخصوص به شكل توده مي‌سازند و از بالا با پاشيدن حلال مناسب (معمولا اسيد سولفوريك) مورد واكنش قرار مي‌دهند. توزيع يكنواخت حلال و نفوذپذيري كنترل شده براي توده، از عوامل موثر اصلي در عمليات ليچينگ توده‌اي به‌شمار مي‌آيند. اين روش در عين كم هزينه بودن، از لحاظ آسيب‌هاي زيست‌محيطي نامطلوب است و در اغلب واحدهاي ليچينگ دنيا، نظير استراليا و كانادا يك فرآيند جنبي به‌شمار مي‌آيد.
4ـ4. ليچينگ درجا
در اين روش سنگ معدن اورانيوم بدون اينكه از موقعيت طبيعي و به عبارتي از صحنه زمين‌شناختي خود خارج شود، مورد عمل قرار مي‌گيرد. حلال مورد نظر به همراه ماده اكسنده معمولا از طريق چندين چاهك عميق به بستر كانسنگ (پايين‌تر از سفره آب زيرزميني) تزريق و محلول باردار حاصل از ليچينگ از مسير چاهك‌هاي بازيابي جمع‌آوري و به سطح زمين پمپ ميشود[6]. فروشويي درجا معمولا براي توده‌هاي معدني بسيار كم‌عياري به‌كار برده ميشود كه فرآوري آنها به روش‌هاي ديگر اقتصادي نباشد. اين روش جديدترين فناوري ليچينگ با بستر ثابت (غيرمتلاطم) به‌حساب مي‌آيد و توسعه آن در مقياس صنعتي از حدود 30 سال پيش در ايالات متحده آمريكا و اتحاد شوروي سابق آغاز شد. اگرچه اين روش، نيز از لحاظ اقتصادي بسيار باصرفه است، ليكن محدوديت‌هايي مثل لزوم نفوذپذيري بالاي توده و زمان بسيار طولاني براي دستيابي به بازده انحلال بالا سبب شده است كه روش‌هاي پيشرفته‌تر انحلال يا روش‌هايي كه در آنها اساسا به انحلال نيازي نباشد (نظير بازيابي از آب دريا) به‌طور جدي مورد توجه واقع شود[6].
4ـ5. پخت و هضم اسيدي
روش جايگزين براي ليچينگ همزني، خيساندن در اسيد غليظ و عمل‌آوري است. در اين روش، كانه مقاوم اورانيوم با ابعاد يك تا 3 ميليمتر با حجم بسيار كمي از اسيدسولفوريك غليظ خيسانده ميشود و در يك استوانه چرخان به مدت 12 تا 24 ساعت و در دماي 60 تا 70 درجه سانتيگراد عمل مي‌آيد. از مزيت‌هاي اين روش در مقاسه با روش مرسوم مي‌توان به عدم نياز به نرم‌كني كانه، عدم نياز به اكسنده اضافي، پايين آوردن ميزان اسيد و آب مصرفي تا حدود 60 درصد و كاهش حجم پساب و كاهش هزينه خنثي‌سازي اشاره كرد.
4ـ6. بيو ليچينگ
اگر كانسنگ اورانيوم حاوي كاني‌هاي سولفيدي باشد، ليچينگ با باكتري امكان‌پذير است. تحت شرايط مناسب، باكتري‌هاي تيوباسيلوس فرواكسيدان، كاني سولفيدي را براي توليد سولفات فريك اسيدي محلول كه قادر به استخراج كاني‌هاي اورانيوم احيا‌شده است تجزيه مي‌كنند[6].
5. بازيابي اورانيوم از محلول‌هاي ليچينگ
محلول به‌دست آمده از كانسنگ، حاوي تركيبات پيچيده‌اي از كاتيون‌ها و آنيون‌ها است. تركيب اين محلول از كاني‌هاي موجود در كانسنگ و عوامل موثر در ليچينگ تاثير مي‌پذيرد. در بعضي مواقع كنسانتره اورانيوم به‌طور مستقيم از محلول ليچ رسوب داده ميشود، اما عموما محلول ليچ بايد تغيظ شده و قبل از رسوب‌گيري تا حدي خالص شود. دو روش موثر براي اين كار عبارتند از: تبادل يوني و استخراج حلالي.
5ـ1. تبادل يوني
روش تبادل يوني يكي ازروش‌هاي تغليظ و تخليص اورانيوم موجود در محلول‌هاي حاصل از ليچينگ با اسيد سولفوريك است. در اين روش، اورانيوم روي رزين تبادل‌كننده آنيوني كه داخل ستون‌ها قرار دارد، جذب ميشود. چندين نوع رزين براي اين منظور وجود دارد كه شامل رزين‌هاي بازي ضعيف و رزين‌هاي بازي قوي در ابعاد دانه‌بندي ريز و درشت هستند. گروه آمين نوع چهارم موجود در بافت رزين عامل اصلي تبادل يوني است. رزين شاخص مورد استفاده در صنعت اورانيوم با پليمريزاسيون مشترك استايرن و دي‌ونيل بنزن و همچنين كلرومتيل كردن محصول حاصله و واكنش دادن آن با تري‌متيل آمين به‌دست مي‌آيد[6].
در اغلب كانسنگ‌هاي اورانيوم تركيبات آهن نيز حضور داشته و لذا تركيبات آهن با مقادير متفاوتي در محلول ليچينگ نيز وجود خواهند داشت لذا لازم است تمهيدات مناسبي براي كاهش مقدار انحلال آهن يا خارج كردن آن از محلول انديشيده شود كه روش‌هاي مرسوم بصورت زير است:
1. كاهش مقدار ناخالصي‌ها با روش‌هاي پيش تغليظ نظير جدايش مغناطيسي.
2. كاهش انحلال ناخالصي‌ها بويژه آهن با استفاده از ليچينگ اسيدي با غلظت پايين.
3. كاهش پتانسيل اكسيداسيون محلول ليچينگ به 350 تا 400 ميلي‌ولت كه در نتيجه آهن (III) به آهن (II) و واناديوم (V) به واناديوم (IV) تبديل شده و در مرحله تبادل يوني اين تركيبات جذب رزين نمي‌شوند.
5ـ2. استخراج حلالي
دومين روش براي تغليظ و تخليص اورايوم موجود در محلول‌هاي ليچ رقيق، روش استخراج با حلال است. اين روش براي محلول‌هاي ليچ كربناته، برخلاف محلول‌هاي اسيد سولفوريكي قابل استفاده نسيت، به دليل اينكه تاكنون ماده استخراج‌كننده‌اي كه در pH بالا و در حضور درصد بالايي از نمك‌ها قادر به استخراج اورانيوم از محلول باشد در دسترس نبوده است.
استخراج حلالي شامل دو مرحله است: مرحله اول استخراج كه در اين مرحله محلول ليچ حاوي اورانيوم با يك محلول حلال آلي (Solvent extraction) به‌طور كامل مخلوط شده و اورانيوم به‌طور انتخابي به فاز آلي منتقل ميشود. مخلوط حلال آلي با حل كردن يك ماده شيميايي آلي بنام استخراج‌كننده و يك تعديل‌كننده (اختياري) در حلال هيدروكربني به‌دست مي‌آيد. حلال با اورانيوم كمپلكسي را كه قابليت اختلاط زيادي در فاز هيدروكربني دارد تشكيل مي‌دهد. مرحله دوم يا مرحله شست‌وشو، شامل استخراج مجدد اورانيوم از فاز آلي به فاز محلول است. اين عمل با تماس ماده استخراج‌كننده با محلول آلي از يك ماده شيميايي مناسب انجام مي‌گيرد.
6. اهداف و نتايج
ليچينگ يك فرآيند ديفوژن است كه نرخ آن به عواملي از قبيل: غلظت حلال، دما، سطح موثر جامد، و نرخ انتشار در درون محلول بستگي دارد.
نرخ انتشار تابعي(Diffusion)، تابعي از ضخامت لايه ديفوژن است و با ريشه دوم نرخ تحرك فازها در درون هم، رابطه معكوس دارد. هم زدن دوغاب باعث كاهش ضخامت لايه ديفوژن و بهبود ليچينگ ميشود. ضريب انتشار با افزايش ويسكوزيته در واسطه، كاهش پيدا مي‌كند. ويسكوزيته مي‌تواند توسط دانسيته بالا يا غلظت بالاي نرمه افزايش يابد. با وجود اينكه در اكثر عمليات فرآوري اورانيوم از روش اسيدي استفاده ميشود، اما ليچينگ آلكالين داراي برتري‌هايي است كه به شرح زير خواهد بود:
ـ حلال آلكالين بصورت اختصاصي‌تر روي كاني‌هاي اورانيوم عمل مي‌كند و معمولا ساير كاني‌هاي گانگ دست نخورده باقي مي‌ماند.
ـ در اين روش اورانيوم به‌طور مستقيم مي‌تواند از ليچ ليكور رسوب داده شود.
ـ محلول كربنات براحتي مي‌تواند دوباره بازيابي شود.
با وجود اين محاسن روش آلكالين داراي معايب زير است:
ـ خردايش زيادي براي استفاده از اين روش مورد نياز است تا كاني اورانيوم در تماس با آلكالين قرار گيرد.
ـ بعضي از كاني‌هاي گانگ مثل سولفيدها و سولفات‌هاي كلسيم، مي‌توانند باعث مصرف بالاي حلال شوند.
ـ كاني‌هاي اورانيومي‌كه حاوي كاني‌هاي سرسخت هستند، قابليت حل شدن توسط شرايط آلكالين را ندارند.
منابع
1. اكبري، مرتضي. «پايان‌نامه كارشناسي ارشد» بررسي پارامترهاي موثر بر عمليات هضم كاني‌هاي اورانيوم آنومالي 5 ساغند. دانشگاه كرمان، 1383.
2. حاجي‌زاده، امير. «پايان‌نامه كارشناسي» زمين‌شناسي و اكتشاف اورانيوم، دانشگاه بيرجند. 1386.
3. عبدالهي، محمود و ديگران. راهنماي جامع فرآوري كانسنگ اورانيوم در مقياس آزمايشگاهي. تهران. انتشارات جهاد دانشگاهي واحد تربيت مدرس، 1388.
4. «مجله علوم و فنون هسته‌اي» شماره 25، 1381.
5. وكيلي ميرزماني، سيد ابوذر. «پايان‌نامه كارشناسي ارشد» امكان‌سنجي فرآوري كانه‌هاي اورانيوم و عناصر نادر خاكي به روش ليچينگ در آنومالي 5 ساغند. دانشگاه كرمان، 1383.
6. Habashi, Fathi. A Textbook of Hydrometallurgy, Quebec,1993
از آنجايي كه اكثر كاني‌هاي اورانيوم به سادگي فروشسته مي‌شوند، مسائل اقتصادي استخراج بسيار وابسته به نرخ حلاليت مربوط به كاني‌هاي باطله همراه است. حلاليت گانگ همچنين تعيين‌كننده تركيب محلول ليچينگ و اثر آن در عمليات است. يك‌سري كامل از آزمايش‌هاي ليچينگ براي ارزيابي شرايط ليچينگ نياز به 25 تا 50 كيلوگرم از كانه مورد نظر است، براي آزمايش‌ها ليچينگ اورانيوم نيازي به آزمايش در مقياس بزرگ نيست، زيرا عمليات ليچينگ را مي‌توان براحتي طبق داده‌هاي آزمايشگاهي بزرگ مقياس كرد. كانه‌هاي اورانيوم به دو روش اسيدي و آلكالين ليچ مي‌شوند. با وجود اينكه در اكثر عمليات فرآوري اورانيوم از روش اسيدي استفاده ميشود، اما ليچينگ آلكالين داراي برتري‌هايي است. ليچينگ يك فرآيند ديفوژن است كه نرخ آن به عواملي از قبيل: غلظت حلال، دما، سطح موثر جامد، و نرخ انتشار در درون محلول بستگي دارد. دما، غلظت اسيد و زمان ليچينگ سه فاكتور مرتبط با هم هستند كه تاثير آنها مي‌تواند با هم بررسي شود. [,61،3]
واژه‌هاي كليدي: نرخ حلاليت، ليچينگ، آلكالين و ديفوژن
1. مقدمه
اورانيوم يكي از عناصر شيميايي جدول تناوبي است كه نماد آن U و عدد اتمي آن ۹۲ است. اين عنصر داراي دماي ذوب 1450 درجه سانتيگراد بوده و به رنگ سفيد مايل به نقره‌اي، سنگين، فلزي و راديواكتيو است و با وجود تصور عام، فراواني آن در طبيعت حتي از عناصري از قبيل جيوه، طلا و نقره نيز بيشتر است. عنصر اورانيوم در طبيعت داراي ايزوتوپ‌هاي مختلف از جمله دو ايزوتوپ مهم و پايدار اورانيوم ۲۳۸ است، تفاوتي كه سبب به‌وجود آمدن ايزوتوپ‌هاي مختلف از يك عنصر ميشود، اختلاف تعداد نوترون‌هاي موجود در هسته اتم است. به‌طور مثال، تمامي ايزوتوپ‌هاي عنصر اورانيوم در هسته خود داراي ۹۲ پروتون هستند، اما ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۸ در هسته خود داراي ۱۴۶ نوترون (۹۲+۱۴۶=۲۳۸) و ايزوتوپ اورانيوم ۲۳۵ داراي ۱۴۳ نوترون (۹۲+۱۴۳=۲۳۵) در هسته خود است. اورانيوم ۲۳۵ مهم‌ترين ماده مورد نياز راكتورهاي هسته‌اي (براي شكافته شدن و توليد انرژي) است، اما مشكل كار اينجاست كه اورانيوم استخراج شده از معدن تركيبي از ايزوتوپ‌هاي ۲۳۸ و ۲۳۵ بوده كه در اين ميان سهم ايزوتوپ ۲۳۵ بسيار اندك (حدود ۰/۷درصد) است و به همين علت بايد براي تهيه سوخت راكتورهاي هسته‌اي به روش‌هاي مختلف درصد اوانيوم ۲۳۵ را در مقايسه با اورانيوم ۲۳۸ بالا برده و بسته به نوع راكتور هسته‌اي به ۲ تا ۵ درصد رساند و به اصطلاح اورانيوم را غني‌سازي كرد. اورانيوم(U) عنصري است راهبردي و مصارف عمده آن در نيروگاه‌هاي اتمي و سلاح‌هاي هسته‌اي و به مقدار جزيي در مصارف دارويي و پژوهشي استفاده ميشود. در فرآيند تشكيل كاني‌هاي مختلف از ماگما، به دليل بزرگ بودن شعاع يوني اورانيوم، اين عنصر در مراحل اوليه تبلور ماگما، نمي‌تواند وارد شبكه هيچ‌يك از كاني‌ها شود و تا مراحل آخر ماگما باقي مي‌ماند، بنابراين اورانيوم بيشتر در سنگ‌هاي اسيدي متمركز ميشود. اورانينيت و پيچ‌بلند، مهم‌ترين كاني‌هاي محيط احيايي هستند. كارنوتيت، مهم‌ترين كاني محيط اكسيدان است.[2]
2. كاني‌شناسي اورانيوم و ارتباط آن با ليچينگ
كاني‌شناسي كاني‌هاي اورانيوم و باطله‌ها بعنوان مهم‌ترين عامل موثر بر عمليات ليچينگ بايد مورد بررسي قرار گيرد. نقش اين موضوع در تعيين حلاليت كاني و همچنين تعيين مقدار بهينه مصرف اسيد يا كربنات بسيار مهم است. در حدود 160 كاني شناخته شده است كه حاوي اورانيوم بعنوان عنصر اصلي است. كاني‌هاي اورانيوم از ديدگاه نحوه تشكيل به دو دسته اوليه و ثانويه تقسيم مي‌شوند.
3. متغيرهاي ليچينگ
1. ميزان خردايش: آزمايش‌ها كاني‌شناسي بايد ميزان خردايش مورد نياز براي عمليات موفقيت‌آميز ليچينگ را مشخص كند. خردايش بيش از اندازه علاوه بر هزينه‌هاي بالا، موجب ويسكوزيته بالاي پالپ ميشود كه مي‌تواند روي نرخ ليچينگ تاثير بگذارد و توان همزني بيشتري را براي همزني آن طلب كند. همچنين خردايش ريز، سرعت فيلتراسيون و ته‌نشيني را در فرآيند بعدي جداسازي جامد مايع كاهش مي‌دهد[3].
2. چگالي دوغاب: وزن مخصوص بهينه گلاب معمولا حداكثر مقداري است كه بدون افزايش گرانروي در آن تماس مطلوب بين محصول و جامد حاصل ميشود. افزايش وزن مخصوص گلاب، حجم تجهيزات مدار ليچينگ براي رسيدن به زمان ماند مورد نظر و مصرف مواد شيميايي را كاهش مي‌دهد. براي كانسنگ‌هايي با درصد بالايي از رس، غلظت گلاب تا 45 درصد وزني جامد محدود ميشود. معمولا دامنه غلظت گلاب بين 50 تا 60 درصد وزني جامد است.
3. درجه همزني: عمل همزدن تا زماني‌كه كانسنگ به‌طور كاملا معلق در نيامده است بر روي سينتيك انحلال تاثيري ندارد. شدت همزدن بايد به اندازه‌اي باشد كه ذرات از داخل ظرف به بيرون نريزند و از طرف ديگر از ته‌نشيني ذرات درشت جلوگيري كند.
4. تركيب مايع ليچ
5. غلظت اسيد: انتخاب غلظت بهينه اسيد يكي از مهم‌ترين مراحل آزمون‌هاي ليچينگ آزمايشگاهي است. مصرف اسيد، آهك مورد نياز براي خنثي‌سازي را (در صورت نياز) تعيين مي‌كند. در صورتي‌كه غلظت اسيد آزاد مورد نياز خيلي زياد (مثلا بيش از 10 گرم برليتر) باشد، براي جلوگيري از واكنش با مواد باطله انجام آزمون‌ها تحت شرايط pH كنترل‌شده انجام ميشود. كنترل غلظت اسيد مصرفي، از آن جهت اهميت فراواني دارد كه به‌طور مستقيم نرخ حلاليت اورانيوم و كاني‌هاي باطله را تعيين مي‌كند. بعلاوه پتانسيل اكسيداسيون مستقل از pH است[3].
6. پتانسيل اكسيداسيون: اورانيوم شش ظرفيتي براحتي در اسيد سولفوريك حل ميشود، اما اورانيوم در شكل چهار ظرفيتي بايد براي انحلال اكسيد شود. اكسيدكننده‌ها به‌طور غيرمستقيم سولفات آهن دو ظرفيتي حاصل از انحلال كاني‌هاي آهن موجود در كانسنگ يا آهن ناشي از مرحله خردايش را به سولفات آهن سه ظرفيتي تبديل مي‌كنند. معمولا غلظت يك تا 2 گرم بر ليتر از Fe3+ براي حلاليت موثر اورانينيت كافي است. بازيابي موفقيت‌آميز اورانيوم معمولا براي اكثر كاني‌ها در پتانسيل 450 ميلي‌ولت با الكترود كالومل (HgCl) در دماي 35 تا 40 درجه سانتيگراد رخ مي‌دهد[3]. پتانسيل بالاتر از 450 ميلي‌ولت معمولا نرخ استخراج اوليه را افزايش مي‌دهد، اما روي بازيابي نهايي فرآيند تاثيري نمي‌گذارد. در ضمن براي جلوگيري از مصرف اسيد بالا توسط اكسيداسيون آهن دو ظرفيتي، بايد از ايجاد پتانسيل اكسيداسيون بالا جلوگيري كرد.
7. درجه حرارت: افزايش دما باعث افزايش سرعت ليچينگ اورانيوم، افزايش حلاليت كاني‌هاي باطله، مصرف اسيد و غلظت ناخالصي‌ها در محلول ميشود. حداقل دماي ليچينگ براي رسيدن به سرعت قابل قبول استخراج اورانيوم و بازيابي نهايي معمولا 30 تا 35 سانتيگراد است.
8. فشار
9. زمان ليچينگ: اغلب با انجام ليچينگ در شرايط متوسط در مدت زمان طولاني (10 تا 30 ساعت) هزينه‌هاي مواد شيميايي كاهش مي‌يابد. افزايش هزينه‌هاي سرمايه‌اي با دو برابر كردن ظرفيت مدار ليچينگ، باعث كاهش 25 درصدي هزينه‌هاي مواد شيميايي در طول عمر كارخانه خواهد شد. در شرايط مشخص، زمان بهينه مواد شيميايي لازم براي حفظ شرايط مطلوب ليچينگ در مقايسه با ارزش مازاد اورانيوم بازيابي شده تعيين ميشود. مناسب‌ترين شرايط در آناليز نهايي با موازنه دقيق بين دماي ليچينگ، غلظت اسيد و زمان ليچينگ مشخص خواهد شد[3].
4. فرآيندهاي ليچينگ كانه‌هاي اورانيوم
كانه‌هاي اورانيوم به دو روش اسيدي و آلكالين ليچ مي‌شوند. در روش اسيدي معمولا از اسيد سولفوريك و در روش آلكالين از مخلوط كربنات سديم و بي‌كربنات سديم استفاده ميشود. به طور كلي، ليچينگ آلكالين راحت‌تر و انتخابي‌تر از ليچينگ اسيدي است و معمولا براي كانه‌هاي با محتوي كربنات بالا مورد استفاده قرار مي‌گيرد، زيرا در اين دسته از كاني‌ها مصرف اسيد بسيار بالا خواهد بود. راه‌حل كلي براي اين موضوع، به اين صورت است كه اگر محتوي كربنات در كانه بيش از 7 تا 9 درصد باشد، روش آلكالين اقتصادي‌تر خواهد بود، اما فاكتورهاي ديگري نيز بايد مورد بررسي قرار بگيرد. به جز محتواي كربنات نمونه، فاكتورهاي ديگري كه بايد براي انتخاب نوع حلال مورد نظر قرار گيرد عبارتند از: كارآيي استخراج اورانيوم، مصرف آب، مصرف انرژي، كيفيت مورد نياز محصول و ملاحظات زيست‌محيطي[5].
بعد از انتخاب حلال مناسب، مرحله بعد، انتخاب سيستم مورد استفاده براي ليچينگ است. پنج تكنيك زير براي ليچينگ كانه‌هاي اورانيوم وجود دارد:
1. ليچينگ همزني معمولي در فشار اتمسفر(اسيدي يا آلكالين)
2. ليچينگ تحت فشار(اسيدي يا آلكالين)
3. پخت و هضم اسيدي (اسيدي)
4. ليچينگ توده‌اي (اسيدي)
5. ليچينگ درجا (معمولا آلكالين)
4ـ1. ليچينگ همزني معمولي در فشار اتمسفر
فرآيند ليچينگ كه براي انحلال اورانيوم به كار مي‌رود تا حدودي وابسته به خصوصيات فيزيكي كانه مثل كاني‌شناسي اورانيوم، آزادسازي كاني و طبيعت ساير كاني‌هاي موجود است. در ليچينگ اسيدي استفاده از اسيد سولفوريك بعنوان حلال معمول‌ترين روش است. اسيد نيتريك هم بعنوان يك حلال خاصيت اكسيدكنندگي بالايي دارد، اما قيمت بالاي آن و همچنين ايجاد يون نيترات اورانيل (كه در فرآيند تبادل يوني توسط رزين آنيوني اشكال ايجاد مي‌كند) باعث محدوديت در استفاده آن ميشود. اين اسيد در گذشته براي فرآوري كانه‌هاي بسيار پرعيار مورد استفاده قرار مي‌گرفت، اما امروزه كانه‌هايي با عيار بالا وجود ندارند[6]. همچنين از اين حلال براي مواقعي كه هزينه‌هاي عمليات داراي اهميت نباشد، استفاده ميشود. اسيد هيدروكلريك هم براي فرآيند پخت در بعضي مواقع استفاده ميشود، اما قيمت بالا و حل كردن ناخالصي‌هاي زياد باعث عدم استفاده از آن ميشود. شكل‌گيري آنيون محلول تري‌كربنات اورانيل (UO2(CO3)-43) باعث ميشود كه استفاده از حلال نمك كربنات آمونيوم و آلكالين براي انحلال انتخابي اورانيوم بعنوان روشي مناسب براي ليچينگ اين كانه در نظر گرفته شود. ليچينگ كربناته، در مورد كانه‌هايي با محتوي كاني‌هاي كربناته بالا، داراي ارجحيت است، زيرا اين كاني‌ها در فرآيند كربناته وارد ليچ‌ليكور نمي‌شوند، اما با اين وجود چون كاني‌هاي كربناته و كاني‌هاي اورانيوم در كانه‌ها، كاملا باهم درگير هستند، بايد خردايش زيادي صورت گيرد تا سطح موثر بهتري از كاني‌هاي اورانيوم در معرض حلال قرار گيرد. استفاده از عمليات كربناته براي كاني‌هاي سيليكاته به سختي انجام ميشود و براي كاني‌هاتي سرسخت موثر نيست. اما كاني‌هاي محتوي اورانيوم چهار ظرفيتي، معمولا به فرآوري تحت شرايط خاص اكسيدان و زمان طولاني در دماي بالا نياز دارند. اورانيوم وقتي كه بصورت چهار ظرفيتي در كانه موجود باشد، بايد قبل از انحلال اكسيد شود. آهن سه ظرفيتي بعنوان اصلي‌ترين عامل اكسيدان اورانيوم چهار ظرفيتي در عمليات اسيدي به حساب مي‌آيد. اكسيدان‌هاي متداول مورد استفاده در فرايند اسيدي عبارتند از: MnO2، NaClO3 يا NaNO3 .
واكنش اكسيداسيون مي‌تواند بسيار پيچيده باشد، معمولا اكسيداسيون در حضور يون‌هاي آهن سه ظرفيتي به سرعت انجام ميشود:
UO2 + 2Fe3+ ---> UO22+ + 2Fe3+ 1-4
مصرف اسيد تابعي از كاني‌هاي گانگ موجود در كانه است. كلسيت، دولوميت و سيدريت براحتي با غلظت كم اسيد واكنش مي‌دهند . سولفيدها، آهن فلزي، بعضي از فسفات‌ها، موليبدات‌ها، وانادات‌ها، اكسيدها، فلوريدها و... در دما و غلظت اسيد بالا مقدار قابل‌توجهي از اسيد را مصرف مي‌كنند و باعث آلوده شدن محلول مي‌شوند.
4ـ2. شيمي‌انحلال و اصول كلي فرآيند كربناته
واكنش‌هايي كه در اين حالت صورت مي‌گيرد عبارتند از:
UO2 ---> UO22+ + 2e- 2-4
UO22+ ---> 3CO32- ---> [UO2(CO3)3]4- 3-4
1/2O2 + H2O + 2e- ---> 2OH- 4-4
4ـ5. واكنش كلي:
UO2 + OH- + H2O + 1/2O2 ---> [UO2(CO3)3]4- + OH- 5-4
با توجه به تشكيل OH- طي عمليات ليچينگ، احتمال دارد اورانات نامحلول تشكيل شود، بنابراين براي جلوگيري از اين واكنش جانبي، بي‌كربنات سديم به محلول اضافه ميشود:
HCO3- + OH- ---> CO32- + H2O 6-4
شكل يك. فلوشيت نمونه از فرآيند بالا را نشان مي‌دهد. در ليچينگ تحت فشار با كربنات اورانيوم اين مزيت وجود دارد كه با كاني‌هاي سيليكاته واكنش صورت نمي‌گيرد ضمنا كمپلكس اورانيوم با شست‌وشوي بخار تجزيه و آلومينا و اورانيوم راسب ميشود.
4ـ3. ليچينگ توده‌اي
هزينه‌هاي سرمايه‌گذاري اوليه و جاري عمليات ليچينگ توده‌اي از روش‌هاي مرسوم كمتر است و اين مزيت اقتصادي، آن را براي فرآوري كانسنگ‌هاي كم‌عيار اورانيوم مناسب مي‌سازد. اين روش بويژه براي باطله‌هاي معدنكاري اورانيوم كه عيار آنها پايين‌تر از حد اقتصادي است مي‌تواند سودمند باشد. در يك مكان آماده شده با زيرسازي نفوذناپذير و جوي‌هاي جمع‌آوري محلول، مواد مذكور را با ماشين‌آلات مخصوص به شكل توده مي‌سازند و از بالا با پاشيدن حلال مناسب (معمولا اسيد سولفوريك) مورد واكنش قرار مي‌دهند. توزيع يكنواخت حلال و نفوذپذيري كنترل شده براي توده، از عوامل موثر اصلي در عمليات ليچينگ توده‌اي به‌شمار مي‌آيند. اين روش در عين كم هزينه بودن، از لحاظ آسيب‌هاي زيست‌محيطي نامطلوب است و در اغلب واحدهاي ليچينگ دنيا، نظير استراليا و كانادا يك فرآيند جنبي به‌شمار مي‌آيد.
4ـ4. ليچينگ درجا
در اين روش سنگ معدن اورانيوم بدون اينكه از موقعيت طبيعي و به عبارتي از صحنه زمين‌شناختي خود خارج شود، مورد عمل قرار مي‌گيرد. حلال مورد نظر به همراه ماده اكسنده معمولا از طريق چندين چاهك عميق به بستر كانسنگ (پايين‌تر از سفره آب زيرزميني) تزريق و محلول باردار حاصل از ليچينگ از مسير چاهك‌هاي بازيابي جمع‌آوري و به سطح زمين پمپ ميشود[6]. فروشويي درجا معمولا براي توده‌هاي معدني بسيار كم‌عياري به‌كار برده ميشود كه فرآوري آنها به روش‌هاي ديگر اقتصادي نباشد. اين روش جديدترين فناوري ليچينگ با بستر ثابت (غيرمتلاطم) به‌حساب مي‌آيد و توسعه آن در مقياس صنعتي از حدود 30 سال پيش در ايالات متحده آمريكا و اتحاد شوروي سابق آغاز شد. اگرچه اين روش، نيز از لحاظ اقتصادي بسيار باصرفه است، ليكن محدوديت‌هايي مثل لزوم نفوذپذيري بالاي توده و زمان بسيار طولاني براي دستيابي به بازده انحلال بالا سبب شده است كه روش‌هاي پيشرفته‌تر انحلال يا روش‌هايي كه در آنها اساسا به انحلال نيازي نباشد (نظير بازيابي از آب دريا) به‌طور جدي مورد توجه واقع شود[6].
4ـ5. پخت و هضم اسيدي
روش جايگزين براي ليچينگ همزني، خيساندن در اسيد غليظ و عمل‌آوري است. در اين روش، كانه مقاوم اورانيوم با ابعاد يك تا 3 ميليمتر با حجم بسيار كمي از اسيدسولفوريك غليظ خيسانده ميشود و در يك استوانه چرخان به مدت 12 تا 24 ساعت و در دماي 60 تا 70 درجه سانتيگراد عمل مي‌آيد. از مزيت‌هاي اين روش در مقاسه با روش مرسوم مي‌توان به عدم نياز به نرم‌كني كانه، عدم نياز به اكسنده اضافي، پايين آوردن ميزان اسيد و آب مصرفي تا حدود 60 درصد و كاهش حجم پساب و كاهش هزينه خنثي‌سازي اشاره كرد.
4ـ6. بيو ليچينگ
اگر كانسنگ اورانيوم حاوي كاني‌هاي سولفيدي باشد، ليچينگ با باكتري امكان‌پذير است. تحت شرايط مناسب، باكتري‌هاي تيوباسيلوس فرواكسيدان، كاني سولفيدي را براي توليد سولفات فريك اسيدي محلول كه قادر به استخراج كاني‌هاي اورانيوم احيا‌شده است تجزيه مي‌كنند[6].
5. بازيابي اورانيوم از محلول‌هاي ليچينگ
محلول به‌دست آمده از كانسنگ، حاوي تركيبات پيچيده‌اي از كاتيون‌ها و آنيون‌ها است. تركيب اين محلول از كاني‌هاي موجود در كانسنگ و عوامل موثر در ليچينگ تاثير مي‌پذيرد. در بعضي مواقع كنسانتره اورانيوم به‌طور مستقيم از محلول ليچ رسوب داده ميشود، اما عموما محلول ليچ بايد تغيظ شده و قبل از رسوب‌گيري تا حدي خالص شود. دو روش موثر براي اين كار عبارتند از: تبادل يوني و استخراج حلالي.
5ـ1. تبادل يوني
روش تبادل يوني يكي ازروش‌هاي تغليظ و تخليص اورانيوم موجود در محلول‌هاي حاصل از ليچينگ با اسيد سولفوريك است. در اين روش، اورانيوم روي رزين تبادل‌كننده آنيوني كه داخل ستون‌ها قرار دارد، جذب ميشود. چندين نوع رزين براي اين منظور وجود دارد كه شامل رزين‌هاي بازي ضعيف و رزين‌هاي بازي قوي در ابعاد دانه‌بندي ريز و درشت هستند. گروه آمين نوع چهارم موجود در بافت رزين عامل اصلي تبادل يوني است. رزين شاخص مورد استفاده در صنعت اورانيوم با پليمريزاسيون مشترك استايرن و دي‌ونيل بنزن و همچنين كلرومتيل كردن محصول حاصله و واكنش دادن آن با تري‌متيل آمين به‌دست مي‌آيد[6].
در اغلب كانسنگ‌هاي اورانيوم تركيبات آهن نيز حضور داشته و لذا تركيبات آهن با مقادير متفاوتي در محلول ليچينگ نيز وجود خواهند داشت لذا لازم است تمهيدات مناسبي براي كاهش مقدار انحلال آهن يا خارج كردن آن از محلول انديشيده شود كه روش‌هاي مرسوم بصورت زير است:
1. كاهش مقدار ناخالصي‌ها با روش‌هاي پيش تغليظ نظير جدايش مغناطيسي.
2. كاهش انحلال ناخالصي‌ها بويژه آهن با استفاده از ليچينگ اسيدي با غلظت پايين.
3. كاهش پتانسيل اكسيداسيون محلول ليچينگ به 350 تا 400 ميلي‌ولت كه در نتيجه آهن (III) به آهن (II) و واناديوم (V) به واناديوم (IV) تبديل شده و در مرحله تبادل يوني اين تركيبات جذب رزين نمي‌شوند.
5ـ2. استخراج حلالي
دومين روش براي تغليظ و تخليص اورايوم موجود در محلول‌هاي ليچ رقيق، روش استخراج با حلال است. اين روش براي محلول‌هاي ليچ كربناته، برخلاف محلول‌هاي اسيد سولفوريكي قابل استفاده نسيت، به دليل اينكه تاكنون ماده استخراج‌كننده‌اي كه در pH بالا و در حضور درصد بالايي از نمك‌ها قادر به استخراج اورانيوم از محلول باشد در دسترس نبوده است.
استخراج حلالي شامل دو مرحله است: مرحله اول استخراج كه در اين مرحله محلول ليچ حاوي اورانيوم با يك محلول حلال آلي (Solvent extraction) به‌طور كامل مخلوط شده و اورانيوم به‌طور انتخابي به فاز آلي منتقل ميشود. مخلوط حلال آلي با حل كردن يك ماده شيميايي آلي بنام استخراج‌كننده و يك تعديل‌كننده (اختياري) در حلال هيدروكربني به‌دست مي‌آيد. حلال با اورانيوم كمپلكسي را كه قابليت اختلاط زيادي در فاز هيدروكربني دارد تشكيل مي‌دهد. مرحله دوم يا مرحله شست‌وشو، شامل استخراج مجدد اورانيوم از فاز آلي به فاز محلول است. اين عمل با تماس ماده استخراج‌كننده با محلول آلي از يك ماده شيميايي مناسب انجام مي‌گيرد.
6. اهداف و نتايج
ليچينگ يك فرآيند ديفوژن است كه نرخ آن به عواملي از قبيل: غلظت حلال، دما، سطح موثر جامد، و نرخ انتشار در درون محلول بستگي دارد.
نرخ انتشار تابعي(Diffusion)، تابعي از ضخامت لايه ديفوژن است و با ريشه دوم نرخ تحرك فازها در درون هم، رابطه معكوس دارد. هم زدن دوغاب باعث كاهش ضخامت لايه ديفوژن و بهبود ليچينگ ميشود. ضريب انتشار با افزايش ويسكوزيته در واسطه، كاهش پيدا مي‌كند. ويسكوزيته مي‌تواند توسط دانسيته بالا يا غلظت بالاي نرمه افزايش يابد. با وجود اينكه در اكثر عمليات فرآوري اورانيوم از روش اسيدي استفاده ميشود، اما ليچينگ آلكالين داراي برتري‌هايي است كه به شرح زير خواهد بود:
ـ حلال آلكالين بصورت اختصاصي‌تر روي كاني‌هاي اورانيوم عمل مي‌كند و معمولا ساير كاني‌هاي گانگ دست نخورده باقي مي‌ماند.
ـ در اين روش اورانيوم به‌طور مستقيم مي‌تواند از ليچ ليكور رسوب داده شود.
ـ محلول كربنات براحتي مي‌تواند دوباره بازيابي شود.
با وجود اين محاسن روش آلكالين داراي معايب زير است:
ـ خردايش زيادي براي استفاده از اين روش مورد نياز است تا كاني اورانيوم در تماس با آلكالين قرار گيرد.
ـ بعضي از كاني‌هاي گانگ مثل سولفيدها و سولفات‌هاي كلسيم، مي‌توانند باعث مصرف بالاي حلال شوند.
ـ كاني‌هاي اورانيومي‌كه حاوي كاني‌هاي سرسخت هستند، قابليت حل شدن توسط شرايط آلكالين را ندارند.
منابع
1. اكبري، مرتضي. «پايان‌نامه كارشناسي ارشد» بررسي پارامترهاي موثر بر عمليات هضم كاني‌هاي اورانيوم آنومالي 5 ساغند. دانشگاه كرمان، 1383.
2. حاجي‌زاده، امير. «پايان‌نامه كارشناسي» زمين‌شناسي و اكتشاف اورانيوم، دانشگاه بيرجند. 1386.
3. عبدالهي، محمود و ديگران. راهنماي جامع فرآوري كانسنگ اورانيوم در مقياس آزمايشگاهي. تهران. انتشارات جهاد دانشگاهي واحد تربيت مدرس، 1388.
4. «مجله علوم و فنون هسته‌اي» شماره 25، 1381.
5. وكيلي ميرزماني، سيد ابوذر. «پايان‌نامه كارشناسي ارشد» امكان‌سنجي فرآوري كانه‌هاي اورانيوم و عناصر نادر خاكي به روش ليچينگ در آنومالي 5 ساغند. دانشگاه كرمان، 1383.
6. Habashi, Fathi. A Textbook of Hydrometallurgy, Quebec,1993