2. Đã đưa ra quy trình hòa tách quặng theo phương pháp hòa tách đống và xác định được các thông số thích hợp để xử lý quặng urani nghèo theo phương
1.3. Phương pháp xử lý quặng urani bằng hòa tách đống (hòa tách thấm) [4,5]
Hòa tách quặng ở trạng thái tĩnh bằng cách cho dung dịch chảy qua lớp quặng từ trên xuống dưới tác dụng của trọng lực hay bằng cách làm ngập toàn bộ
khối quặng thường được gọi chung bằng một thuật ngữ chung là hòa tách đống (heap leaching).
Hòa tách đống là phương pháp rất thích hợp và thuận tiện để xử lý những đống quặng có hàm lượng urani thấp, hay cho những khu mỏ quặng urani chỉ có trữ lượng quặng thấp và cách xa những cơ sở chế biến quặng lớn, không thuận tiện cho việc khai thác và chuyển chở quặng về cơ sở xử lý tập trung, vì vậy, cần có phương pháp xử lý sơ bộ tại chỗ để thu hồi urani từ quặng và chở sản phẩm urani thơ về cơ sở chế biến.
Hịa tách đống thường khơng địi hỏi đầu tư lớn cho những thiết bị đắt tiền. Các loại quặng cát kết thường cũng không yêu cầu phải được nghiền nhỏ khi hòa tách bằng axit. Các thiết bị khuấy trộn và lọc bùn (tách lỏng-rắn) cũng thường khơng cần đến trong q trình hịa tách đống do dung dịch đi ra từ đống hòa tách thường đã tương đối sạch, do vậy chi phí đầu tư cho một hệ thống xử lý quặng bằng hòa tách đống thường rẻ hơn nhiều lần so với dây chuyền xử lý quặng theo cơng nghệ hịa tách thơng thường. Các cơng trình nghiên cứu được cơng bố trên thế giới trong lĩnh vực này khơng nhiều lắm, trong đó chủ yếu là nói về lý thuyết và nguyên lý chung, còn những tài liệu về các kết quả nghiên cứu cho những đối tượng quặng cụ thể (ở đây là quặng urani) là rất ít.
Do vậy, theo những “quy tắc thông thường”, để xác định được các thông số công nghệ cho các thiết bị ở quy mô sản xuất thực cần nghiên cứu q trình cơng nghệ và thiết bị thấm tách urani ở các quy mô nhỏ hơn và nâng dần quy mô thực nghiệm lên. Từ những kết quả về tốc độ thấm, thời gian thấm đối với hạt quặng kích thước nhỏ khi nghiên cứu ở phịng thí nghiệm cần tìm cách tính được thời gian thấm và tốc độ thấm, hiệu suất q trình đối với cục quặng kích thước lớn và q trình thấm trong thiết bị có quy mơ lớn hơn. Trong thực tế, đây là việc rất khó khăn do quy trình xử lý quặng theo phương pháp hịa tách tĩnh là một quy trình phức tạp gồm nhiều thao tác lặp đi lặp lại xen kẽ nhau chứ không phải là một quá trình ổn định và chưa có tài liệu nào trên thế giới đề cập được đến mơ hình hóa q trình này, đặc biệt khi tiến hành hịa tách theo phương pháp “mao dẫn ngược”.
Trong công nghệ urani, thực tiễn đã cho thấy để có thể đạt được hiệu suất hòa tách cao trong một khoảng thời gian ngắn bắt buộc phải dùng kỹ thuật hòa tách theo kiểu “mao dẫn ngược”. Trong trường hợp này, không thể nào xây dựng được những mơ hình theo kiểu phân tích như ở trên vì nhiều lý do:
1. Q trình hịa tách là tập hợp của vơ số các q trình nhỏ như thấm dung dịch qua các lỗ xốp vào trong pha rắn, phản ứng hóa học trên bề mặt và bên trong pha rắn, rút dung dịch ra khỏi khối quặng và để khô, bay hơi ẩm và khuếch tán ẩm cùng chất hịa tan từ trong các mao quản ra ngồi bề mặt hạt quặng v.v..
2. Thực tế cho thấy, ngay cả khi chỉ xét cho một quá trình đơn giản nhất là quá trình dội dung dịch axit liên tục qua lớp quặng urani, dung dịch sẽ chảy theo kiểu “dịng dẫn chất lỏng qua pha rắn” chứ khơng tồn tại dòng chất lỏng chảy lấp kín tiết diện ngang của cột. Vì vậy, khơng thể sử dụng những khái niệm về mơ hình thủy động học và chuyển khối thơng thường để mơ hình hóa q trình hịa tách urani từ quặng.
3. Tất cả các quá trình nhỏ trên trong thực tiễn đều là các quá trình khơng ổn định, được lặp đi lặp lại nhiều lần với các tham số thay đổi liên tục theo thời gian. Cố gắng áp đặt dạng mơ hình lý thuyết kiểu tương tự như mơ hình của hai tác giả ở trên vào cũng không thể được vì sẽ làm nảy sinh quá nhiều thơng số của mơ hình mà khơng thể đo, xác định được (thí dụ như các hằng số tốc độ phản ứng theo nồng độ axit, theo nồng độ urani trong pha rắn, các hệ số khuếch tán trong pha lỏng và pha rắn, hệ số khuếch tán ẩm trong mao quản v.v..).
Do vậy, cách đặt vấn đề hợp lý là tìm một hướng đi khác, khơng cố gắng lặp lại cách làm cũ vì thực tế là khơng có hy vọng thành cơng với cách tư duy phân tích kiểu này. Tư tưởng chủ đạo là phục vụ cho mục tiêu cao nhất là tìm ra một phương pháp tính tốn mới có khả năng áp dụng để tính tốn cho các hệ thống hòa tách đống cỡ lớn có khả năng thời gian hịa tách, hiệu suất hịa tách có thể đạt được theo các mức sử dụng tác nhân hòa tác (axit sunfuric) khác nhau dựa trên các kết quả thí
nghiệm trong phịng thí nghiệm, được khái qt hóa và kiểm định trên các thiết bị quy mô lớn.
Các kỹ thuật hay quy trình hịa tách đống đang được áp dụng phổ biến trên thế giới chủ yếu như sau:
- Cho dung dịch chảy qua đống quặng bằng cách phun liên tục hoặc bơm dung dịch hòa tách gián đoạn vào các hố quặng nhỏ trên đỉnh đống quặng hòa tách.
- Cho dung dịch chảy qua đống quặng theo từng chu kỳ gián đoạn. Phương pháp này nhằm tạo ra hiệu ứng được gọi là “mao dẫn ngược”.
- Cho ngập hoàn tồn lượng quặng được hịa tách trong một thiết bị chứa. Phương pháp này có thể được tiến hành gián đoạn hay liên tục, và dịng dung dịch có thể chảy từ trên xuống hay từ dưới lên.
- Trộn quặng với axit mạnh, để cho “ngấu” trong một thời gian, sau đó rửa bằng nước. Phương pháp này còn thường được gọi với tên riêng là phương pháp xử lý bằng axit mạnh.
Thường thì trong thực tiễn hay dùng một số cách tổ hợp khác nhau của những nguyên lý cơ bản kể trên, và các dung dịch thu được thường được tuần hoàn lại nhằm nâng cao nồng độ urani trong dung dịch sản phẩm cuối cùng đồng thời không để lại nhiều axit dư, gây lãng phí và làm phức tạp cho khâu thu hồi sau đó. Tuần hồn dung dịch thường được tiến hành theo nguyên lý ngược chiều; dung dịch trước khi trở thành dung dịch sản phẩm được cho chạy qua cột quặng mới để giảm lượng axit còn dư và tăng thêm nồng độ urani lên một ít.
Hồ tách mao dẫn ngược là một kỹ thuật đặc biệt dùng để xử lý những loại quặng có kích thước tương đối nhỏ. Do vậy, các loại đá cát kết thường có rất nhiều lỗ mao quản nên theo cách hoà tan này, khi quặng được thấm ướt ban đầu dung dịch sẽ đi xuyên vào trong lịng pha rắn thơng qua các lỗ mao quản. Trong giai đoạn để khô tiếp theo, các chất ẩm từ bên trong sẽ đi ra ngoài do chênh lệch gradient ẩm và bay hơi, để lại các chất rắn đã được hoà tan đọng lại ở dạng muối trên bề mặt hạt quặng. Trong lần tiếp xúc dung dịch /rửa tiếp theo, lượng muối này sẽ được hoà tan và đi vào dung dịch. Do vậy, hoà tách bằng cách ngâm hay phun axit liên tục đối
với các loại quặng thô sẽ không hiệu quả bằng việc ngâm axit và để khô xen kẽ nhau do tốc độ hoà tách bên trong hạt quặng phụ thuộc hoàn toàn vào tốc độ khuếch tán trong pha rắn là rất chậm.
Giống như các hòa tách quặng khác, quá trình thấm tách urani từ quặng là quá trình dị thể phức tạp nên cần nghiên cứu kỹ các quy luật động học của phản ứng hòa tách rắn - lỏng dị thể. Quá trình thấm phụ thuộc nhiều vào tính chất khống của quặng, do đó phải xem xét sự phân bố của khống urani, kích thước hạt quặng cũng như lưu lượng chảy qua của pha lỏng. Về cơ bản, bên cạnh nồng độ chất phản ứng (ở đây là nồng độ axit) hiệu suất hòa tách urani còn phụ thuộc nhiều vào các đặc trưng vật lý- hóa học của quặng, kích thước quặng được xử lý, tốc độ thấm và thời gian thấm cần thiết.
Hình 3. Sơ đồ cấu trúc hồ tách đống
Tính thấm của khối quặng chứa nhiều sét thường là rất kém. Phương pháp hoà tách đống khơng thích hợp với quặng urani phân bố và khố kín trong hạt quặng, khơng thấm ướt, quặng chứa khống cácbonát và khống sét.
Trong hồ tách đống, quặng đã tạo hạt bằng kiềm thì các hạt mịn liên kết với bộ khung bởi các lực vật lý như lực hút tĩnh điện và lực Van der Waals. Tuy nhiên, trong hoà tách bằng axit, trừ các lực này, sự kết hợp của các hạt quặng được thực hiện bởi các phản ứng hoá học. Xi măng phản ứng với quặng tạo ra các hợp chất có nước và tạo liên kết hệ ở dạng cầu, khơng bị phá vỡ trong q trình hồ tách.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi: Tốc độ thấm, nồng độ tác nhân hoà tách, tốc độ tưới dung dịch hoà tách, thời gian thấm, kích thước quặng,...