научная статья по теме ЗАКОНОМЕРНОСТИ КУЧНОГО БИОХИМИЧЕСКОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УПОРНЫХ УРАНОВЫХ РУД С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ОКИСЛИТЕЛЯ ИММОБИЛИЗОВАННОЙ БИОМАССОЙ Металлургия

Текст научной статьи на тему «ЗАКОНОМЕРНОСТИ КУЧНОГО БИОХИМИЧЕСКОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УПОРНЫХ УРАНОВЫХ РУД С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ОКИСЛИТЕЛЯ ИММОБИЛИЗОВАННОЙ БИОМАССОЙ»

ЦВЕТНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

УДК 669.213.63

ЗАКОНОМЕРНОСТИ КУЧНОГО БИОХИМИЧЕСКОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ УПОРНЫХ УРАНОВЫХ РУД С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ОКИСЛИТЕЛЯ ИММОБИЛИЗОВАННОЙ БИОМАССОЙ

© Чжэн Чжихун

Восточный китайский технологический институт. Китай, Провинция Цзянси, г. Фучжоу. E-mail: ecitzhzheng76@126.com

Статья поступила 26.05.2015 г.

Изучены закономерности кучного выщелачивания упорных урановых руд с регенерацией окислителя - ионов железа (III) железоокисляющими микроорганизмами, сконцентрированными адсорбционной иммобилизацией на твердом нейтральном материале-носителе. В результате исследований установлены зависимости извлечения урана в раствор, расхода серной кислоты и времени адсорбции микроорганизмов на руде от концентрации железа в растворе, крупности руды и применения иммобилизованной биомассы для регенерации окислителя. Показаны преимущества применения кучного биохимического выщелачивания упорной урановой руды с регенерацией окислителя иммобилизованной биомассой по сравнению с регенерацией окислителя химическими реагентами и инокулирования всей кучи руды микроорганизмами. Основные преимущества - повышение экономичности и управляемости процесса.

Ключевые слова: биотехнология; упорные урановые руды; кучное выщелачивание; перколяторы; железоокисляющие микроорганизмы; иммобилизация биомассы; регенерация окислителя; крупность руды; концентрация железа.

Врезультате истощения запасов богатых и легко извлекаемых уран овых руд в переработку вовлекается все более бедное и упорное минеральное сырье, содержащее менее 0,2% урана, из которого более 50% - в четырехвалентной форме. Извлечение урана из бедных упорных силикатных руд производится кучным, подземным и блочным сернокислотным выщелачиванием с окислением минералов урана (IV) ионами железа (III) и регенерацией окислителя добавляемыми химическими реагентами (нитрит натрия, пиролюзит, хлорат натрия и др.). Биокаталитическое окисление ионов железа (III) хемолитоав-тотрофными микроорганизмами позволяет отказаться от реагента и в результате снизить себестоимость продукции и вредное воздействие на окружающую среду и, как показали исследования, повысить извлечение урана в раствор и уменьшить расход кислоты [1]. Извлечение урана увеличивается вследствие большей окислительной активности комплексов железа (III) с экзополисахаридами, образуемыми при биоокислении железа мезофильными бактериями, по сравнению с применением сернокислого железа (III). Расход серной кислоты уменьшается в результате образования кислоты при окислении бактериями элементной серы из сульфидов [2, 3].

Для биовыщелачивания урановых руд используется инокулиро-вание растворами культивирования (введение микроорганизмов), обеспечивающих адсорбцию клеток на руде и окисление ими желе-

за (II) в протекающем растворе. Инокуляция большого объема руды происходит медленно и требует большого количества растворов культивирования. Скорость регенерации окислителя в этом случае очень низкая (0,1-0,2 г/(л-ч)), так как сложно создать условия для жизнедеятельности бактерий в руде и управлять параметрами биоокисления [4].

Автором изучены закономерности кучного биохимического выщелачивания упорной урановой руды с регенерацией окислителя биомассой, сконцентрированной на твердом нейтральном материале-носителе, в отдельном аппарате адсорбционной иммобилизацией. Это позволяет создать оптимальные условия биоокисления и значительно повысить скорость получения биореагента [5]. Закономерности иммобилизации железоокисляющих микроорганизмов с доминированием бактерий вида Ла^Мо-ЬасШт ferrooxidans на различных материалах исследованы автором ранее [6].

Для биохимического выщелачивания использована урановая руда месторождения Китая, относящаяся к упорным рудам с низкой степенью окисленности, природному типу «первичная» с содержанием урана (IV) более 70%; по содержанию урана 0,156% относится к рядовым рудам; по содержанию нерудных составляющих — к силикатным рудам (содержание БЮ2 67,9%). Минералы урана в руде представлены настураном, в меньшем количестве коффинитом, браннеритом и уранинитом. Особенностью урановых минералов в руде является тонкая вкрапленность частично коллоидной структуры.

Биохимическое выщелачивание исследовалось параллельно в четырех перколяторах колонного типа объемом 8 дм3 по 10 кг руды в каждом при температуре 15-20 °С. Раствор в перколятор подавался со скоростью 0,1 л/ч в режиме: орошение - 15 ч и перерыв - 9 ч; плотность орошения составляла 12,74 л/(ч-м2). Иммобилизация биомассы осуществлялась на природном цеолите крупностью (-5+2) мм в биореакторах объемом 2 дм3 многократным прокачиванием подающегося снизу раствора с исходной концентрацией железа (II) 5-10 г/л (рН 1,6), содержащего раствор культивирования бактерий, и аэрацией биореактора воздухом (1,5 л/мин) до полного окисления железа (II). Для иммобилизации биомассы до достижения стабильного увеличения скорости окисления железа потребовалось 24 сут., за которые проведено 10 циклов со сменой исходного раствора.

При биохимическом выщелачивании для предотвращения осаждения биокомплексов железа (III), заиливания кучи руды осадками, уменьшения скорости фильтрации раствора через кучу и экранирования минералов осадками предварительно проводилось выщелачивание руды раствором серной кислоты - «закисление» руды. В первые 19 сут. закисления руды крупностью (-5+0) мм извлечение урана меньше, чем руды крупностью (-10+0) мм вследствие большего расхода кислоты на растворение открытых минералов. В следующий период извлечение урана из руды меньшей крупности превысило извлечение из руды большей крупности вследствие большей площади поверхности контакта минералов урана с раствором. Продолжительность закисления руды до стабилизации рН вытекающего раствора около 2,0 составила 31 сут. Извлечение урана в раствор при закислении руды (до «46%) больше, чем содержание в руде растворимого кислотой урана (VI) (32,3%), что объясняется слабой кри-сталлизованностью упорных минералов урана, присутствием в них примесей и образованием в растворе выщелачивания окислителя - ионов железа (III). При закислении концентрация железа в растворе увеличивается до 3,05 г/л, в основном (81-92%) в двухвалентной форме, извлечение железа из руды крупностью (-5+0) мм больше («11%), чем из руды крупностью (-10+0) мм (8,510,1%).

При биохимическом выщелачивании закис-ленной урановой руды суммарная концентрация железа (II) и (III) в растворе возрастает в результате выщелачивания железосодержащих минера-

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Продолжительность, сут.

800 750 700 650

«

® 600 .с

550 500 450 400

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Продолжительность, сут.

Изменение концентрации трехвалентного железа (а) и значения Eh растворов (б) при биохимическом выщелачивании урановой руды (крупность (-10+0) мм, концентрация железа «5 г/л): 1 - раствор, поступающий в биореактор; 2 - раствор, вытекающий из биореактора и поступающий в перколятор (1-30 сут.); 3 - раствор, поступающий в перколятор (31-61 сут.); 4 - раствор, вытекающий из перколятора

лов - оксидов, гидроксидов и сульфидов, и превышает исходную концентрацию (см. рисунок). Микроорганизмы из раствора орошения адсорбируются на руде и окисляют железо в протекающем растворе, в результате через некоторое время в выходящем из перколятора растворе железо находится преимущественно в трехвалентной форме, и подача раствора в биореактор с иммобилизованной биомассой прекращается. Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) поступающего в биореактор с иммобилизованной биомассой раствора зависит от концентрации железа (III) и повышается при биоокислении в среднем на 100 мВ, достигая 700 мВ (см. рисунок).

Установлено, что при уменьшении в растворе биохимического выщелачивания упорной урановой руды концентрации железа с 5 до 3 г/л расход серной кислоты на выщелачивание снижается на 19% (так как биоокисление железа

Таблица 1. Параметры и режимы биохимического выщелачивания упорной урановой руды

Показатели При крупности руды, мм

-10+0 -10+0 -5+0 -10+0

Концентрация железа в растворе, г/л «5,0 «3,0 «3,0 «3,0

Регенерация окислителя биомассой Иммобилизованной в отдельном биореакторе Адсорбированной на руде

Расход серной кислоты, кг:

закисление 0,307 0,291 0,37 0,288

биовыщелачивание 0,211 0,182 0,17 0,221

всего при выщелачивании 0,518 0,473 0,54 0,51

остается в растворе 0,070 0,112 0,056 0,056

фактический расход 0,448 0,361 0,485 0,454

Расход кислоты, кг/т руды 44,8 36,1 48,5 45,4

Расход кислоты на извлечение урана, кг/кг 31,62 25,11 33,73 31,59

Расход железного купороса, кг 1,795 0,702 42,77 0,75

Расход воды, л 68,71 52,5 0,97 45,17

Время адсорбции бактерий на руде, сут. 8-15 6-12 12-13 9-10

Степень циркулирования раствора 2,18 2,77 2,90 2,84

происходит с потреблением кислоты); извлечение урана в раствор повышается на 1,4%; микроорганизмы адсорбируются на руде на 2-3 сут. быстрее (табл. 1 и 2). На выщелачивание урановой руды раствором с большей концентрацией железа расходуется в 2,5 раза больше железного купороса и больше воды (см. табл. 1), что частично объясняется меньшей степенью циркулирования раствора.

При закислении урановой руды крупностью (-10+0) мм расход кислоты на 16,7-21,9% меньше, чем при закислении руды крупностью (-5+0) мм, при меньшем на 4,5-6,0% извлечении урана в раствор. Суммарный расход кислоты на закисление и биовыщелачивание руды крупностью (-10+0) мм на 25,5% меньше, чем руды крупностью (-5+0) мм,

при меньшем на «1% извлечении урана (см. табл. 1 и 2).

При биовыщелачивании с использованием инокулирования руды суммарный расход серной кислоты увеличивается на 26% и извлечение урана в раствор повышается на 1% по сравнению с регенерацией окислителя в отдельном аппарате иммобилизованной биомассой. Большое количество кислоты расходуется на культивирование бактерий для инокулирования руды.

На основе результатов исследований предложена технологическая схема кучного биохимического выщелачивания урана из упорных урановых руд с применением регенерации окислителя иммобилизованной биомассой желе-зоокисляющих микроорганизмов

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком