Nghiên cứu quá trình xử lý quặng urani vùng thành mỹ bằng phương pháp hòa tách khuấy trộn axit

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

Phạm Thị Thủy Ngân

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XỬ LÝ QUẶNG URANI VÙNG THÀNH MỸ BẰNG
PHƯƠNG PHÁP HÒA TÁCH KHUẤY TRỘN AXIT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Chuyên ngành : Kỹ thuật Hóa học

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : 1. PGS.TS Thân Văn Liên
2. GS.TS Nguyễn Hữu Tùng

Hà Nội – Năm 2018

1


LỜI CẢM ƠN
Lời cảm ơn đầu tiên xin được gửi tới gia đình tơi, những người đã ln ủng
hộ và tiếp thêm động lực giúp tơi hồn thành khóa học.
Xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo Viện Kỹ thuật Hóa học và các
thầy cơ bộ mơn Quá trình – Thiết bị trong CNHH và TP trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội. Các thầy cô đã tận tâm giảng dạy truyền đạt kiến thức và cung cấp đầy đủ
giáo trình, nhờ vậy em mới có thể hồn thành các học phần với kết quả tốt và làm
nền tảng kiến thức cho luận văn tốt nghiệp.
Xin được gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo, các cán bộ Viện Đào tạo sau

Đại học đã hỗ trợ, giúp đỡ tơi hồn thành các hồ sơ thủ tục trong q trình học tập
cũng như các thủ tục để tơi có thể bảo vệ luận văn này.
Luận văn của tơi sẽ khơng thể hồn thành nếu khơng có tài liệu và các số liệu
cần thiết. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể ban Lãnh đạo Viện
Công nghệ Xạ hiếm, các cán bộ nghiên cứu Trung tâm Cơng nghệ Chế biến quặng
phóng xạ đã nhiệt tình giúp đỡ và trang bị cho tôi về tài liệu, phịng thí nghiệm,
dụng cụ, hóa chất, mẫu quặng… và thời gian để tơi có điều kiện làm thí nghiệm
nghiên cứu thu thập số liệu cần thiết phục vụ cho luận văn của mình.
Lời cảm ơn sâu sắc nhất xin được gửi tới các thầy giáo đã trực tiếp hướng
dẫn em hoàn thành luận văn này: PGS.TS Thân Văn Liên Viện Công nghệ Xạ hiếm
và thầy giáo GS.TS Nguyễn Hữu Tùng trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong
quá trình làm luận văn có nhiều trục trặc xuất phát từ lý do cá nhân mà tơi khơng
thể hồn thành luận văn đúng thời hạn, các thầy vẫn ln tận tình hỏi han giúp đỡ
và động viên tơi hồn thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 07 năm 2018
Học viên

Phạm Thị Thủy Ngân
2


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

1

CPH

Quặng urrani chưa phong hóa

2

BPH

Quặng urani bán phong hóa

3

CBNL

Cân bằng năng lượng

4

CBVC

Cân bằng vật chất

5

y

6

Zi

Các biến thực trong hàm hồi quy

7

xi

Các biến mã hóa tương ứng của Zi

8

9

a0, ai, aii, aij

Ý nghĩa

Hiệu suất thu hồi urani, cũng là hàm đáp ứng của phương
trình hồi quy

Hệ số của các yếu tố tương ứng trong phương trình hàm

(i, j = 1÷3, i≠j) hồi quy đối với biến thực
b0, bi, bii, bij

Hệ số của các yếu tố tương ứng trong phương trình hàm
(i, j = 1÷3, i≠j) hồi quy với biến mã hóa

10

k

Số các yếu tố ảnh hưởng lên hàm mục tiêu được xem xét

11

yi

12

y̅ 𝑙𝑙

Giá trị hàm mục tiêu có được từ thực nghiệm
Giá trị hàm mục tiêu tính theo phương trình hồi quy thực
nghiệm sau khi thay các biến xi tương ứng ở mỗi thí
nghiệm
Số thí nghiệp lặp tại tâm kế hoạch

13
14
15
16
17
18
19
20

𝑛𝑛0
𝑁𝑁

𝑦𝑦0

𝑡𝑡𝑏𝑏𝑏𝑏
F

2
𝑠𝑠𝑡𝑡ℎ

2
sdư

sll2

Số thí nghiệp ứng với mỗi phương án
Giá trị trung bình của các thí nghiệm lặp tại tâm
Chuẩn số Student
Chuẩn só Fisher
Phương sai tái hiện
Phương sai dư
Phương sai lặp

3


DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Tên bảng

Trang

1

Bảng 1.1: Tọa độ các điểm góc của mỏ Pà Lừa

9

2

Bảng 1.2: Tọa độ các điểm góc của mỏ Pà Rồng

11

3

Bảng 1.3: Các mỏ quặng urani có năng suất lớn nhất trên thế giới

4

trong năm 2017

5
6

Bảng 2.1: Thành phần các nguyên tố kim loại có trong các loại
quặng urani vùng Thành Mỹ
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của kích thước hạt lên hiệu suất hịa tách
quặng urani chưa phong hóa
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất hịa tách quặng

7

urani chưa phong hóa

8

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của tiêu hao axit lên hiệu suất hòa tách

9

Bảng 3.4: Ảnh hưởng của thế oxi hóa lên hiệu suất hịa tách quặng

10

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của kích thước hạt lên hiệu suất hịa tách

quặng urani chưa phong hóa
urani chưa phong hóa

quặng urani bán phong hóa
11

Bảng 3.6: Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất hịa tách quặng
urani bán phong hóa
Bảng 3.7: Ảnh hưởng của tiêu tốn axit lên hiệu suất hịa tách quặng

12

urani bán phong hóa
Bảng 3.8: Ảnh hưởng của chi phí chất oxi hóa lên hiệu suất hịa

13

tách quặng urani bán phong hóa

12

37

43

46

48

50

51

52

54

55

14

Bảng 3.9: Giá trị thực nghiệm và giá trị mã hóa của các yếu tố

57

15

Bảng 3.10: Giá trị thực nghiệm và giá trị mã hóa của các biến số

58

Bảng 3.11: Số liệu thực nghiệm tìm phương trình hồi quy quặng
16

urani chưa phong hóa

4

64


17
18

Bảng 3.12: Mức độ ảnh hưởng của các yếu đến hàm hồi quy

66

Bảng 3.13: Hệ số của các yếu tố trong phương trình hồi quy

67

Bảng 3.14: Số liệu thực nghiệm tìm phương trình hồi quy quặng
19

urani bán phong hóa

71

20

Bảng 3.15: Mức độ ảnh hưởng của các yếu đến hàm hồi quy

73

21

Bảng 3.16: Hệ số của các yếu tố trong phương trình hồi quy

74

22

Bảng 3.17: Kết quả kiểm nghiệm phương trình hồi quy đối với
quặng chưa phong hóa
Bảng 3.18: Kết quả kiểm nghiệm phương trình hồi quy đối với

23

quặng bán phong hóa

5

79

79

DANH MỤC CÁC HÌNH
STT

Tên hình

Trang

1

Hình 2.1: Một số hình ảnh q trình làm thí nghiệm thu thập số liệu

39

2

Hình2.2: Mẫu phân tích dung dịch urani sau hịa tách

40

3
4
5

6

7

Hình 2.3: Sơ đồ cơng nghệ hệ thống thí nghiệm hịa tách quặng

urani bằng phương pháp khuấy trộn
Hình 3.1: Mơ hình lõi thu nhỏ

42
47

Hình 3.2: Mức độ tương quan của mơ hình và mức ảnh hưởng của
các hệ số tới mơ hình hịa tách quặng uran chưa phong hóa
Hình 3.3: Mức độ tương quan của mơ hình và mức ảnh hưởng của
các hệ số tới mơ hình hịa tách quặng uran bán phong hóa
Hình 3.4: Hình ảnh thực nghiệm kiểm nghiệm mơ hình trên quy
mô 20kg/mẻ

6

65

72

78


DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ
Tên đồ thị

STT
1

2

3

4

5

6

7

8
9
10

11

12

Đồ thị 3.1: Ảnh hưởng của kích thước hạt lên hiệu suất hịa tách
quặng urani chưa phong hóa
Đồ thị 3.2: Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất hịa tách quặng
urani chưa phong hóa
Đồ thị 3.3: Ảnh hưởng của tiêu hao axit lên hiệu suất hịa tách
quặng urani chưa phong hóa
Đồ thị 3.4: Ảnh hưởng của thế oxi hóa lên hiệu suất hịa tách
quặng urani chưa phong
Đồ thị 3.5: Ảnh hưởng của cỡ hạt lên hiệu suất hịa tách quặng
urani bán phong hóa
Đồ thị 3.6: Ảnh hưởng của thời gian lên hiệu suất hòa tách quặng
urani bán phong hóa

Đồ thị 3.7: Ảnh hưởng của tiêu hao axit lên hiệu suất hòa tách
quặng urani bán phong hóa
Đồ thị 3.8: Ảnh hưởng của tiêu hao chất oxi hóa lên hiệu suất hịa
tách quặng urani bán phong hóa
Đồ thị 3.9: Mặt đáp ứng tối ưu của hàm hồi quy quặng urani CPH
Đồ thị 3.10: Ảnh hưởng của các yếu tố tới hiệu suất thu hồi urani
tính tốn theo phương trình hồi quy quặng CPH
Đồ thị 3.11: Mặt đáp ứng tối ưu của hàm hồi quy quặng urani
BPH
Đồ thị 3.12: Ảnh hưởng của các yếu tố tới hiệu suất thu hồi urani
tính tốn theo phương trình hồi quy quặng BPH

7

Trang
44

46

48

50

52

53

54

55

68
70

75

76


MỞ ĐẦU
Kết quả tìm kiếm thăm dị quặng urani đã cho thấy ở Việt Nam có trên 20
mỏ và điểm mỏ urani, trong đó urani đi kèm với đất hiếm tập trung ở các tỉnh miền
núi phía Bắc như Lào Cai, Lai Châu, Yên Bái (các mỏ đất hiếm Đông Pao, Bắc và
Nam Nậm xe, mỏ đất hiếm Yên Phú, ...), mỏ phốt phát Bình Đường; urani đi kèm
trong monazite sa khống ven biển ở các tỉnh từ Thanh Hóa đến Bình Thuận; và
urani ở vùng trũng Nơng Sơn. Ở vùng trũng Nông Sơn đã phát hiện được các điểm
mỏ có triển vọng cơng nghiệp như mỏ Pà Lừa - Pà Rồng, Khe Hoa - Khe Cao, An
Điềm, Đông Nam Bến Giằng và từ năm 2010 đến nay nhà nước đang tập trung đánh
giá trữ lượng urani cấp 122 ở mỏ Pà Lừa – Pà Rồng, thuộc vùng Thành Mỹ tỉnh
Quảng Nam. Song song với cơng tác tìm kiếm thăm dị, đánh giá trữ lượng urani ở
vùng Thành Mỹ, cơng tác nghiên cứu xử lý quặng thu hồi urani kỹ thuật đã và đang
được tiến hành tại Viện Công nghệ xạ hiếm.
Quặng Thành Mỹ thuộc khu vực mỏ urani ở Quảng Nam. Theo số liệu đánh
giá thống kê của Cục Địa chất và kết quả nghiên cứu tại Viện Công nghệ xạ hiếm,
quặng Thành Mỹ là loại quặng nghèo, hàm lượng urani trung bình chỉ khoảng
0,05%. Đối với loại quặng này Viện Công nghệ xạ hiếm đã nghiên cứu và đề xuất
quy trình cơng nghệ xử lý bằng hịa tách đống để thu nhận urani kỹ thuật và kết quả
thử nghiệm ở quy mô pilot tại mỏ là khả quan. Tuy nhiên qua kết quả thăm dò địa
chất những năm gần đây cho thấy một số vỉa ở khu vực này có hàm lượng urani cao
( > 0,2%). Vì vậy, bên cạnh cơng nghệ hịa tách cho quặng nghèo (trộn ủ, hòa tách
đống,…), rất cần phải nghiên cứu xây dựng thêm dây chuyền cơng nghệ hịa tách

urani bằng phương pháp khuấy trộn, để có thể sử dụng xử lý quặng urani có hàm
lượng cao nhằm tăng hiệu quả kinh tế.
Hơn nữa, việc xây dựng mơ hình và sử dụng phần mềm mơ phỏng để tính
tốn các q trình hịa tách quặng urani giúp cho quá trình nghiên cứu trở nên dễ
dàng hơn rất nhiều, giảm thiểu tối đa việc tiến hành thực nghiệm. Nhờ vậy, không
những thời gian và chi phí tiêu tốn cho q trình nghiên cứu có thể rút ngắn đi đáng

8


kể mà kết quả tính tốn thu được cịn có độ chính xác cao. Tuy nhiên, nước ta hiện
nay hầu như chưa ứng dụng được phần mềm hỗ trợ trên máy tính vào mơ phỏng q
trình hịa tách quặng urani. Đây là mảng nội dung mà các nghiên cứu trước đây
chưa nhiều và cần có sự quan tâm đầu tư đúng mức.
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn và tính cấp bách về tình hình năng lượng
trong nước hiện nay, để tạo tiền đề cho sự phát triển năng lượng hạt nhân sắp tới, tôi
xin đề xuất đề tài luận văn của mình với nội dung ‘Nghiên cứu xử lý quặng Urani
vùng Thành Mỹ bằng phương pháp hòa tách khuấy trộn axit’.

9


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu đặc điểm chung của quặng urani vùng Thành Mỹ tỉnh Quảng
Nam.
Khu Pà Lừa – Pà Rồng nằm trong vùng mỏ urani Thành Mỹ thuộc xã
Tabhing, huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam là diện tích chứa quặng có khả năng
khai thác. Đây là vùng đồi tương đối thấp từ 200 đến 400m, rừng chủ yếu là tái sinh
với 2 sông lớn là song Bung ở phía Bắc và sơng Thanh ở phía Nam [5]. Nơi có dân
cư gần nhất cách khu vực chứa quặng gần 1 km. Về mùa mưa các sơng có nước cao,

chảy xiết, nhưng về mùa khơ lịng sơng hẹp và nhiều thác ghềnh. Hệ thống suối nhỏ
trong vùng phát triển mạnh với lịng suối sâu, lắm thác cao, khó đi lại. Khí hậu có 2
mùa mưa và khơ, mùa khơ từ tháng 2 đến tháng 7, mùa mưa từ tháng 8 đến tháng 1
năm sau với lượng mưa chiến 60-80% lượng mưa của cả năm. Dân cư thưa thớt với
mật độ 6 – 7 người/ km2 gồm dân tộc người Cà Tu, Tà Riềng, Ve,… bản gần nhất
cách khu vực thăm dị là 1,5 km, trình độ dân trí và đời sống thấp [3, 4, 5].
Giao thông: đường ô tô và đường thủy nối Pà Lừa với thành phố Đà Nẵng dễ
dàng, đường ô tô từ Đà Nẵng đến bến Giằng dài 100 km, đường thủy từ Đà Nẵng đi
bằng ca nô hoặc thuyền đến Hội An ngược sông Thu Bồn đến Giao Thủy, theo sông
Vu Gia đến Thạch Mỹ, đến bến Giằng, sau đó qua đường bộ đến Pà Lừa.
Mỏ Pà Lừa nằm trên địa phận các thôn Pà Lừa và Pà Tô, xã Tabhing, huyện
Nam Giang, tỉnh Quảng Nam với tọa độ các điểm góc (hệ tọa độ VN.2000, múi
chiếu 6o. Kinh tuyến trục 105o) như sau [4]:
Bảng 1.1: Tọa độ các điểm góc của mỏ Pà Lừa
Tên điểm

Tọa độ
X (m)

Y (m)

1

1.735.416

784.436

2

1.735.737

3

Tên điểm

Tọa độ
X (m)

Y (m)

6

1.734.412

785.579

784.434

7

1.734.414

784.847

1.735.771

785.214

8

1.735.321

785.005

4

1.735.573

785.567

9

1.735.416

784.436

5

1.734.759

785.624

10


Tài nguyên và chất lượng quặng [4]:
Mỏ Pà Lừa có 5 thân quặng (TQ1, TQ1-1, TQ2, TQ3 và TQ3-1) và tổng tài
nguyên các cấp 333+334a (EAR-I/C2 + EAR-II/P1) là 5420 tấn U3O8:
- Tài nguyên cấp 333 (EAR-I/C2) là 1160 tấn U3O8, trong đó hàm lượng U3O8
≥ 0,6% (loại I) là 886 tấn và quặng có hàm lượng U3O8 ≥ 0,04% (loại II) là

274 tân.
- Tài nguyên cấp 334a (EAR-II/P1) là 4260 tấn U3O8, gồm 3727 tấn quặng loại
I, 224 tấn quặng loại II và 309 tấn quặng ngoài bảng cân đối (có hàm lượng
U3O8 < 0,04%).
- Quặng loại I chủ yếu tập trung trong các đá bán phong hóa là quặng giàu
nhất (hàm lượng U3O8 đạt 0,197%), tiếp đến là trong các đá chưa phong hóa
(0,104%) và nghèo nhất là quặng trong các đá phong hóa (<0,06%). Hàm
lượng trung bình (trong các khối tính trữ lượng và tài nguyên) dao động từ
0,0194 đến 0,1702 (khối 4-C2).
Điều kiện khai thác:
Địa hình khu mỏ chủ yếu là các dải đồi tương đối thấp, độ cao trung bình
200-400m, cao nhất là 700m, và bị chia sẻ cắt mạnh – có nơi sườn núi dốc trên 50o.
Các thân quặng nằm trong đá cát kết có chiều dày đới phong hóa và bán
phong hóa trung bình là 30m với thể nằm thoải và ổn định. Chỉ các thân khoáng
trong đá cứng là nằm dưới mực nước ngầm nhưng có thể áp dụng tháo khơ mỏ bằng
tự chảy (dạng mỏ trên núi).
Mỏ quặng urani Pà Rồng
Mỏ Pà Rồng là diện tích kề cận với mỏ quặng urani Pà Lừa và là phần kéo
dài của các lớp đá chứa quặng urani từ mỏ Pà Lừa. Mỏ Pà Rồng nằm trên địa phận
2 thôn Pà Vả và Pà Rồng ở trung tâm xã Tabhing, huyện Nam Giang, tỉnh Quảng
Nam. Tọa độ các điểm góc (hệ tọa độ VN.2000, múi chiếu 6o, KTT 105o) của mỏ Pà
Rồng như sau [3]:

11


Bảng 1.2: Tọa độ các điểm góc của mỏ Pà Rồng
Tên điểm

Tọa độ

X (m)

Y (m)

1

1.733.508

786.522

2

1.735.503

787.047

3

1.735.554

790.590

Tên điểm

Tọa độ
X (m)

Y (m)

4

1.734.522

790.613

5

1.733.536

789.437

Tài nguyên và chất lượng quặng [3]:
Mỏ Pà Rồng có 7 lớp đá chứa quặng chính (lớp/thân quặng từ 1 đến 7) với
tổng tài nguyên các cấp 333+334a (EAR-I/C2 + EAR-II/P1) là 4.560 tấn U3O8:
- Tài nguyên cấp 333 (EAR-I/C2) là 1415 tấn U3O8, trong đó quặng có hàm
lượng loại I là 1399 tấn U3O8 và quặng có hàm lượng loại II là 16 tấn U3O8.
- Tài nguyên cấp 334a (EAR-II/P1) là 3145 tấn U3O8, gồ 2892 tấn quặng loại I
và 253 tấn quặng loại II.
- Các lớp đá chứa quặng 1, 3, 5 là có triển vọng nhất, tiếp theo là đến lớp 2, 6
và cuối cùng là lớp 4, 7.
Chiều dày các thấu kính quặng và hàm lượng U3O8 của mỏ Pà Rồng có xu
hướng giảm dần theo hướng dốc của các lớp đá chứa quặng. Hàm lượng U3O8 trung
bình của các khối tính tài nguyên của mỏ Pà Rồng dao động trong khoảng từ 0,04%
đến 0,26% (khối 3-C2 và 8-C2).
Điều kiện khai thác
Địa hình khu mỏ là vùng địa hình núi cao, đỉnh cao nhất có độ cao 647m, độ
cao trung bình 450m. Địa hình bị phân cắt mạnh bởi các hệ thống suối theo hướng
Tây Bắc – Đông Nam. Các đỉnh núi thường có dạng sống trâu kéo dài theo hướng á
kinh tuyến và á vĩ tuyến, sườn núi dốc từ 20o đến 30o, có nơi tới 50o.
Mỏ Pà Rồng nói riêng, vùng Tabhing nói chung, chịu ảnh hưởng của khí hậu

Trung Trung bộ, hàng năm có hai mùa rõ rệt: mùa khô và mùa mưa. Mùa mưa từ
tháng 9 đến tháng 2 năm sau và thường có mưa kéo dài.

12


Các thân quặng nằm trong đá cát kết, sạn kết tương đối cứng chắc, thế nằm
thoải, khơng có lớp đá mềm yếu xen kẹp, khá ổn định. Nói chung, mỏ quặng urani
Pà Rồng có điều kiện khai thác thuận lợi.
1.2. Tình hình nghiên cứu xử lý quặng urani trên thế giới và trong nước
1.2.1. Tình hình nghiên cứu xử lý quặng urani trên thế giới
Trong vòng 60 năm trở lại đây, quặng urani là một trong những loại quặng
năng lượng quan trọng nhất trên toàn thế giới được khai thác và chiết tách. Hầu hết
urani được sử dụng để sản xuất điện, một phần nhỏ được sử dụng trong sản xuất
đồng vị y tế và trong động cơ đẩy biển, đặc biệt là hải quân.
Urani là một nguyên tố tự nhiên với nồng độ trung bình 2,8 phần triệu (ppm)
trên vỏ Trái đất. Dấu vết của urani có hầu như ở khắp mọi nơi, phong phú hơn vàng,
bạc, thủy ngân, thiếc và ít hơn coban, chì hoặc molypđen. Một lượng lớn urani tồn
tại trong nước biển nhưng ở nồng độ rất thấp [26].
Theo kết quả thống kê năm 2017, 10 mỏ quặng urani đang hoạt động khai thác và
sản xuất lớn nhất trên thế giới hiện nay nằm trong 4 quốc gia có trữ lượng quặng
urani chiếm tới 77% trên tồn thế giới [26]:
Bảng 1.3: Các mỏ quặng urani có năng suất lớn nhất trên thế giới trong năm 2017

Mỏ urani

Cigar Lake
McArthur
River
Tortkuduk &

Myunkum
Olympic Dam

Quốc gia

Chủ sở hữu
chính

Năng
Phân loại

suất
(tấn U)

Tỷ lệ
% trên
thế
giới

Canada

Cameco (50%)

Dưới lòng đất

6924

12

Canada

Cameco (69.8%)

Dưới lòng đất

6193

10

3519

6

2381

4

Hòa tách tại
Kazakhstan

Katco JV/Areva

chỗ
(ISL)

Australia

BHP Billiton

13

Sản phẩm


phụ/dưới lòng
đất
Budenovskoy
e2

Karatau
Kazakhstan

Kazakhstan

SOMAIR

Niger

Sout Inkai

Kazakhstan

Ranger

Australia

e 1, 3&4

ISL

2352

4

ISL

2116

4

Mỏ lộ thiên

2116

4

ISL

1982

3

Mỏ lộ thiên

1945

3

ISL

1931

3

31,458

53

m-Uranium One

Inkai

Budenovskoy

JV/Kazatompro

Inkai
JV/Cameco
Areva (63.6%)
Betpak Dala
JV/Uranium One
Rio Tinto (68%)
Akbastau

Kazakhstan

JV/Kazatompro
m-Uranium One

Tổng cộng

Hầu hết các mỏ quặng urani hiện nay có hàm lượng urani trung bình lớn hơn
0,1% - tức là lớn hơn 1000 [26]. Trong giai đoạn đầu của việc khai thác urani đến
những năm 1960 đây là hàm lượng urani khá cao, cá biệt hiện nay một số mỏ quặng
ở Canada có hàm lượng urani trung bình lên tới 20% [26]. Tuy nhiên, các mỏ khác
có thể sản xuất urani với loại quặng nghèo, hàm lượng urani trung bình chỉ 0,02%
[26].
1.2.2. Tình hình nghiên cứu xử lý quặng urani tại Việt Nam
Từ năm 1983-1984, tại phịng thí nghiệm của Phịng Hóa vật liệu (Viện
nghiên cứu hạt nhân nay là Viện Công nghệ xạ hiếm thuộc Viện Năng lượng
nguyên tử Việt Nam) đã bắt đầu làm những nghiên cứu thử nghiệm ban đầu về
nghiên cứu q trình hồ tách urani từ quặng graphit Tiên An và đã thu được những
kết quả rất khả quan. Tuy nhiên, do nguồn graphit Tiên An không lớn nên đề tài
khơng tiếp tục được. Sau đó muộn hơn, đến năm 1992, dưới sự hướng dẫn của TS.
Stergasek, chuyên gia IAEA về xử lý quặng, đã tiến hành một số thí nghiệm hòa
14


tách đối với quặng cát kết Nông Sơn. Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm này
chỉ mang tính thăm dị để đánh giá khả năng thu hồi urani chứ không đề cập đến
việc tính tốn và thiết kế cho cả quá trình. Một số nghiên cứu gần đây tại Viện Công
nghệ xạ hiếm cho thấy với quặng cát kết chứa urani hàm lượng trung bình 0,050,2% U3O8 thích hợp với phương pháp hồ tách tĩnh trên cột có kích thước
D=140mm và chiều cao cột H=2000mm, mỗi cột nạp 40kg quặng đã qua máy đập
hàm tới cỡ hạt -30mm, quặng chứa 29,9% cấp hạt mịn -2,36mm [5].
Nghiên cứu khả năng thấm của dung dịch qua lớp quặng chứa sét trên cột có
chiều cao H=4000mm cho thấy, với kích thước quặng khoảng 30mm, dung dịch axit
H2SO4 3%, tốc độ tưới liên tục 50-100l/m2h, duy trì pH hồ tách 1, thời gian hồ
tách khoảng 60 ngày, chi phí axit có thể giảm xuống 25kg/tấn, hiệu suất hồ tách
đạt >90% [5].
Quặng chưa phong hố là đối tượng quặng khó hồ tách, cần được xử lý

bằng q trình trộn ủ. Q trình hồ tách bằng phương pháp trộn ủ quặng với axit
H2SO4 được thực hiện theo hai giai đoạn: trộn ủ quặng với axit; rửa quặng bằng
nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy thời gian ủ, nồng độ axit, lượng axit và nước
dùng để trộn ủ trên một đơn vị khối kượng quặng (tỷ lệ lỏng/rắn) có ý nghĩa quyết
định hiệu quả tồn bộ q trình xử lý. Phương pháp ủ quặng khó hồ tách với axit
H2SO4 đạt hiệu quả hồ tách urani cao thích hợp để xử lý quặng urani chưa phong
hoá. Khi dùng axit 40%, tỷ lệ lỏng /rắn 12-13%, chất oxy hoá 3kg KClO3/tấn quặng,
thời gian ủ quặng 2 ngày đã đạt hiệu suất hoà tách urani 96%, tiêu tốn axit 50kg/tấn
quặng, lượng urani trong bã thải <0,01% [2, 5].
Năm 2005 đề tài ‘Nghiên cứu chuyển quy mơ từ thiết bị phịng thí nghiệm
lên thiết bị 800 lít cho q trình hồ tách urani từ quặng cát kết Nông Sơn bằng
phương pháp thấm” đã tiến hành thí nghiệm hồ tách thấm 15 kg quặng trong cột có
dung tích 9 lít chiều cao lớp quặng H=1m bằng dung dịch axit sunfuric có nồng độ
C=50g/l. Các số liệu về tiêu hao axit cho những ngày đầu cho thấy sau khoảng 5 giờ
phản ứng có thể coi rằng trong giai đoạn này khuếch tán trong pha rắn là yếu tố
15


quyết định tốc độ của tồn q trình. Từ đó xây dựng chương trình nghiên cứu thích
hợp là khơng dội axit liên tục qua cột trong tồn bộ q trình hoà tách mà chỉ dội
axit qua cột theo từng chu kỳ ngắn, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng axit, giảm
lượng tiêu hao axit, nâng cao nồng độ uran trong dung dịch sản phẩm và quan trọng
là đạt được tốc độ hoà tách cao hơn so với việc dội axit liên tục. Trên cơ sở phân
tích các kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình hồ tách thấm theo ngun lý mao
quản ngược, thực nghiệm hoà tách quặng urani được tiến hành với sự thay đổi nồng
độ axit 50, 40 và 30 g/l, tổng thời gian hoà tách là 47 giờ, tổng axit tiêu thụ
411g/15kg quặng tương đương 27,5kg/tấn. Tổng urani đã hoà tan là 16,646g ứng
với hiệu suất hoà tách 78,4%, nồng độ axit của dung dịch cuối cùng là 21,6g/l, nồng
độ urani cuối cùng là 1,09g/l. Đề tài đã đưa ra mơ hình hồ tách theo ngun lý mao
quản ngược, dung đơn vị đo thời gian xử lý quặng là lần xử lý. Một lần xử lý được

coi là bao gồm một chu kỳ dội axit qua lớp quặng và để cho phản ứng đến khi tốc
độ phản ứng giảm tiệm cận đến mức giới hạn và sau đó để khơ cho chảy hết dung
dịch ra khỏi lớp quặng và dung dịch trong mao quản có đủ thời gian để chảy ngược
hết ra bề mặt hạt quặng. Đề tài đã xác định được phương trình thực nghiệm của mơ
hình xử lý quặng bằng phương pháp hồ tách đống, trong đó thể hiện sự phụ thuộc
của hiệu suất thu hồi urani vào nồng độ axit dung để xử lý và số lần xử lý. Đã kiểm
tra mơ hình trên thiết bị thí nghiệm 800 lít, kết quả thực nghiệm trên thiết bị lớn cho
thấy sự phù hợp giữa tính toán và kết quả thu được từ thực tế. Tuy nhiên các đề tài
chưa đề cập đến trạng thái cơ lý của quặng và khả năng lưu chuyển của dung dịch
qua lớp quặng trong các điều kiện hoà tách như thời gian, độ pH của dung dịch,
chiều cao lớp quặng.
1.3. Cơ sở lý thuyết của q trình hịa tách quặng urani
Hịa tách là một trong những cơng đoạn quan trọng nhất trong qui trình cơng
nghệ xử lý quặng urani, mục tiêu là tách chọn lọc và triệt để urani ra khỏi quặng.
Trong tự nhiên có rất nhiều loại khống và quặng chứa urani, phần lớn các
khống chứa urani đều hịa tan trong các axit vô cơ, kiềm và các dung dịch nóng

16


chảy của cacbonat kim loại kiềm. Urani tồn tại trong quặng dưới nhiều loại khoáng
khác nhau, nhưng đều ở 2 dạng là U hóa trị (IV) và U hịa trị (VI). U (VI) có khả
năng hịa tan tốt trong tác nhân tách, ngược lại, U (IV) lại hầu như không tan. Các
quặng trên thực tế luôn tồn tại cả hai dạng U với tỉ lệ nhất định, vì vậy để hịa tách
uran triệt để và đạt hiệu suất cao, ngồi dung dịch hịa tách cần phải sử dụng chất
oxi hóa nhằm chuyển hóa U (IV) thành U (VI).
Việc lựa chọn tác nhân hòa tách tùy thuộc vào đặc điểm, thành phần hóa học,
khống vật của quặng và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật khác.
Có hai phương pháp cơ bản hòa tách quặng urani phân loại theo tác nhân hòa
tách:

- Phương pháp hòa tách bằng axit: H2SO4, HNO3, HCl,...
- Phương pháp hòa tách bằng cacbonat: Na2CO3, NaHCO3
Để lựa chọn tác nhân hịa tách cũng như cơng nghệ hịa tách phù hợp cần phải căn
cứ vào tính chất của từng loại quặng như: hàm lượng urani trong quặng, hàm lượng
cacbonat,… Nếu trong quặng hàm lượng các cấu tử tiêu tốn axit như magie, canxi
và cacbonat thấp người ta dùng phương pháp axit để hòa tách là chủ yếu.
Trong các phương pháp hòa tách bằng axit phổ biến nhất là hòa tách bằng
axit sunfuric H2SO4 do có những ưu điểm như: rẻ tiền, dễ hịa tan quặng, độ ăn mịn
thiết bị khơng lớn [8, 18]. Phương pháp hòa tách bằng H2SO4 vừa đạt hiệu suất thu
hồi cao, vừa đạt hiệu quả kinh tế đối với hầu hết các loại quặng urani.
Axit nitric HNO3 có khả năng oxy hóa mạnh dễ hịa tan quặng nhưng có
nhược điểm lớn là giá thành cao.
Axit clo hydric HCl chỉ được sử dụng trong phịng thí nghiệm, tuy nhiên giá
thành cũng cao và đặc biệt khả năng gây ăn mòn thiết bị cao.
Ngược lại khi hàm lượng các cấu tử tiêu tốn axit trong quặng cao thì phương
pháp hòa tách cacbonat sẽ kinh tế hơn bởi trong trường hợp này nếu dùng axit thì
lượng tiêu thụ axit sẽ rất lớn làm giá thành hòa tách tăng. Tuy nhiên cũng phải xem
xét một số yếu tố khác như hiệu suất tách urani, mức tiêu thụ năng lượng, yêu cầu
về chất lượng sản phẩm…vì hịa tách cacbonat chọn lọc hơn axit nhưng khả năng
17


hòa tách lại yếu hơn. Tác nhân hòa tách cacbonat chủ yếu được dùng là Na2CO3 và
(NH4)2CO3.
Những kỹ thuật hòa tách chính hiện nay trong cơng nghệ urani [8]:
- Hịa tách khuấy trộn trong điều kiện áp suất thường.
- Hòa tách khuấy trộn ở áp suất cao.
- Hòa tách trộn ủ trong axit mạnh.
- Hòa tách đống
- Hòa tách ngầm dưới mặt đất, hòa tách tại chỗ

Người ta cũng thường sắp xếp các cơng nghệ trên vào hai loại chính: hòa tách
khuấy trộn và hòa tách tĩnh.
- Hòa tách khuấy trộn
Trong hòa tách khuấy trộn, pha rắn (quặng và chất oxi hóa rắn) và pha lỏng
(chứa tác nhân hịa tách) đều ở trạng thái chuyển động. Đây là phương pháp lâu đời
nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Hầu hết các nhà máy urani công
nghiệp đều sử dụng phương pháp hòa tách khuấy trộn với tác nhân hịa tách là axit
H2SO4.
Q trình hịa tách được tiến hành trong các thùng được trang bị máy khuấy.
Có hai loại thiết bị khuấy trộn: bằng cơ học và bằng khơng khí (Pachuca) [8]. Việc
lựa chọn phương pháp khuấy trộn phụ thuộc vào các thông số như tỉ trọng quặng,
cỡ hạt, phân bố cỡ hạt,... Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả hòa tách cao
hơn so với phương pháp thấm lọc, khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao, thời
gian hịa tách ngắn, tuy nhiên chi phí năng lượng lớn.
Hịa tách theo phương pháp khuấy trộn có thể tiến hành gián đoạn, liên tục
hoặc liên tục cùng dòng hay ngược dòng. Việc bổ sung tác nhân hịa tách và chất
oxi hóa có thể được cho vào thiết bị đầu tiên hoặc được phân bố vào hầu hết các
thùng hịa tách. Người ta có thể thực hiện hịa tách khuấy trộn theo hai bậc, bậc sau
có nồng độ tác nhân cao hơn để có thể tách triệt để urani [18].
- Hòa tách đống

18


Đối với quặng nghèo (hàm lượng urani < 0,1% ) thường được xử lý bằng
phương pháp hòa tách đống. Trong phương pháp này quặng được gia cơng giảm
kích thước, sau đó xếp đống cao khoảng 5 đến 30 m trên một miếng đệm không
thấm nước và được tưới bằng dung dịch axit (hoặc kiềm) trong nhiều tuần [26].
Dung dịch hòa tách có chứa urani đi ra khỏi đống được thu lại và xử lý để thu hồi
urani, thường sử dụng phương pháp trao đổi ion. Nồng độ urani trong dung dịch ra

khỏi đống sẽ giảm dần theo thời gian, đến khi nồng độ urani trong dung dịch quá
thấp đống quặng được loại bỏ và thay thế bằng quặng mới. Hiệu suất hồi thường là
50-80%. Bã thải quặng có khả năng gây ô nhiễm nên cần phải được chôn lấp một
cách an tồn để khơng ảnh hưởng đến nước mặt và nước ngầm [26].
Phương pháp này có ưu điểm chủ yếu là có thể sử dụng được ngay tại nơi
khai thác, đỡ chi phí vận chuyển do đó chi phí vốn đầu tư thấp, việc giải quyết bã
thải đơn giản hơn, quặng được nghiền thơ hơn giảm chi phí năng lượng cho việc
đập nghiền quặng, hạn chế bụi. Tuy nhiên bên cạnh ưu điểm cũng tồn tại một số
nhược điểm như thời gian hòa tách kéo dài, hiệu suất thu hồi khơng cao, và phương
pháp này chỉ thích hợp với loại quặng nghèo urani [18, 21]. Chi phí tác nhân tách
trong hòa tách đống thấp hơn so với hòa tách khuấy trộn đối với cùng một loại
quặng. Loại quặng dễ thấm ướt sử dụng phương pháp này có thể thu hồi urani đạt
hiệu suất cao với mức chi phí axit thấp.
- Hòa tách khuấy trộn ở áp suất cao
Kỹ thuật hòa tách khuấy trộn áp suất cao có thể được sử dụng cho cả hòa
tách axit và hòa tách cacbonat [18].
Hòa tách axit áp suất cao được ứng dụng đối với loại quặng khó phân hủy mà
ở các điều kiện bình thường khơng thể xử lý một cách có hiệu quả kinh tế. Loại
quặng uran chứa một lượng đáng kể khoáng sunfua có thể sử dụng kỹ thuật hịa tách
ở nhiệt độ và áp suất cao mà không cần hoặc chỉ cần một lượng nhỏ axit sunfuric
ban đầu do khoáng sunfua có thể chuyển thành axit sunfuric và sunfat sắt (II), sau
đó chuyển thành sunfat sắt (III) để oxy hóa và hịa tan uran (IV) khi áp suất khí oxi
tăng lên [18].

19


Ưu điểm của phương pháp này là hiệu suất hòa tách urani cao ngay cả đối
với khống khó phân hủy như branerit và khống oxit hỗn hợp, chi phí tác nhân hịa
tách và chất oxi hóa thấp. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là khả năng

ăn mòn thiết bị cao do đó chỉ thích hợp với loại quặng có hàm lượng uran cao, khó
hịa tách bằng phương pháp thơng thường.
Khi hịa tách áp suất cao với tác nhân là cacbonat, do khả năng hòa tan uran
của cacbonat yếu hơn axit nên đòi hỏi phải tăng áp suất và nhiệt độ. Tuy nhiên tác
nhân hịa tách cacbonat có ưu điểm nổi bật là ăn mịn thiết bị khơng đáng kể. Các
thiết bị dùng để hòa tách áp lực được gọi là autoclave với hai loại autoclave nằm
ngang và autoclave kiểu đứng [18].
- Hòa tách trộn ủ axit mạnh
Kỹ thuật hòa tách trộn ủ axit mạnh đã được áp dụng ở quy mô công nghiệp đầu tiên
ở Nigeria để xử lý các loại quặng uran khó hịa tan. Quy trình công nghệ được tiến
hành như sau [5]:
Quặng được nghiền đến độ hạt thích hợp, trộn với axit sunfuric H2SO4 nồng độ cao
(từ 3M – 8M) với tỉ lệ lỏng rắn 10% - 20% thể tích, đủ để tác nhân hịa tách và chất
oxi hóa thấm vào quặng. Hỗn hợp sau khi trộn có thể được ủ ở nhiệt độ cao hơn
nhiệt độ môi trường và giữ ở một thời gian nhất định tùy theo từng loại quặng để
các phản ứng hịa tan uran xảy ra, sau đó tiến hành rửa quặng bằng phương pháp
khuấy trộn hoặc thấm rửa thông thường.
Phương pháp này có ưu điểm là có thể xử lý được các quặng khó hịa tan với chi phí
axit thấp hơn hịa tách khuấy trộn thơng thường, dung dịch urani thu được có nồng
độ cao hơn.
- Phương pháp hịa tách tại chỗ và hòa tách ngầm
Phương pháp hòa tách ngầm (in situ leaching – ISL): mỏ quặng sau khi xác định
được diện tích, đánh giá trữ lượng, thành phần hóa học và khống hóa, xác định đặc
điểm địa chất của vùng quặng, tiến hành khoan các lỗ xuống vùng quặng, bơm tác

20


nhân hòa tách vào trong lòng đất chứa quặng, sau đó bơm dung dịch lên đưa đi xử
lý [16, 18, 19].

Đây là phương pháp thuận lợi để thu hồi uran từ các thân quặng không thể thu hồi
theo phương pháp thông thường một cách kinh tế, tuy nhiên để thực hiện được đòi
hỏi thăm dò địa chất tỉ mỉ. Tác nhân hòa tách thường sử dụng là dung dịch cacbonat
và bicacbonat.
Phương pháp hòa tách tại chỗ (in place leaching): khác với phương pháp hòa tách
ngầm, quặng được khai thác bằng nổ mìn và để ngun dưới đất, tác nhân hịa tách
thấm qua lớp quặng để hòa tan uran, hệ thống thu hồi dung dịch ở phía dưới lớp
quặng. Đối với loại quặng có chứa sunfua sắt, kỹ thuật này có thể lợi dụng được khả
năng oxi hóa của các loại vi khuẩn họ Thiobacillus Ferooxidant để chuyển sunfua
sắt (II) thành sunfua sắt (III), một tác nhân quan trọng trong quá trình hịa tan quặng
uran [18]. Tuy nhiên hịa tách theo phương pháp vi sinh này cần tiến hành trong
khoảng thời gian dài.
1.4. Q trình hịa tách quặng urani bằng tác nhân axit
Với quặng có hàm lượng cacbonat khơng q cao (< 4 - 5%), axit H2SO4 là tác nhân
hòa tách thường được ưu tiên sử dụng do khả năng hòa tách quặng tốt, thời gian hòa
tách ngắn, giá thành rẻ và dễ kiếm [8, 17, 18].
Các phản ứng chính xảy ra khi sử dụng H2SO4:
UO3 (r) + 2H+(l) → UO22+(l) + H2O(l)

(I.1)

UO2 (r) + 2Fe3+(l) → UO22+(l) + 2Fe2+(l)

(I.2)

Fe3+ chính là tác nhân oxi hóa U (IV) thành U (VI). Để duy trì phản ứng (I.2) cần
phải thường xuyên tái tạo Fe2+ thành Fe3+ q trình này cần có mặt của H+ và chất
oxi hóa:
2Fe2+ + [O] + 2H+ → 2Fe3+ + H2O

21

(I.3)


Các chất oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ thường được dùng là: MnO2, KMnO4, H2O2, O2,…
Trong luận văn, tôi dùng chất oxi hóa MnO2:
2Fe2+(l) + MnO2 (r) + 4H+(l) → 2Fe3+(l) + Mn2+(l) + 2H2O (l)

(I.4)

Như vậy sắt chuyển hóa theo sơ đồ:
Fe2+

+ MnO
2

Fe3+ U4+ Fe2+

+ MnO
2

Fe3+

+ U4+

...

Trong thực tế nồng độ ion Fe3+ trong dung dịch thường phụ thuộc vào nồng độ Fe2+
và được xác định theo tỷ lệ Fe3+/ Fe2+.

Đối với điều kiện hịa tách điển hình, quan hệ giữa thế oxi hóa và nồng độ sắt được
thể hiện qua phương trình Nernst [8, 17, 18]:
Ec = 397 + 0,1984 T log ([ Fe3+ ]/ [ Fe2+])
Trong đó Ec là thế oxi hóa của dung dịch hịa tách và được so với điện cực calomen
bão hòa tại 350C (mV), [ ] là nồng độ mol và T là nhiệt độ (K).
Đối với hầu hết các loại quặng urani, quá trình hịa tách đảm bảo khi duy trì ở thế
oxi hóa trong khoảng 450 ÷ 500 mV.
Tùy thuộc độ axit, nồng độ urani, nồng độ ion SO42- trong dung dịch mà uranyl có
thể kết hợp với ion sunfat để tạo thành các phức bền sau [8]:
UO2+ + SO42-

= UO2SO4

(I.5)

UO2SO4 + SO42-

= [UO2(SO4)2]2-

(I.6)

[UO2(SO4)2]2- + SO42-

= [UO2(SO4)3]4-

(I.7)

Trên thực tế có thể tồn tại các dạng ion phức khác nhau: [UO2(H2O)6]2+,
[UO2(H2O)4SO4]0,

[UO2(H2O)3SO4]0,

[UO2(H2O)2SO4]0,[UO2(H2O)SO4]0,

[UO2SO4], [UO2(SO4)2]2− và [UO2(SO4)3]4−.
Chi phí axit phụ thuộc chủ yếu vào thành phần các loại khoáng tiêu tốn axit như:
canxit, siderite, dolomit, magnesit. Ngồi ra axit cũng tiêu tốn vào một vài loại
khống kim loại như sắt, khoáng sunfua, photphat, oxi của các kim loại như Cu, Ni,
Cr, Mn, Ti… Để duy trì q trình oxi hóa khử cũng như để hịa tan các hợp chất

22


urani axit của dung dịch hòa tách cần phải đạt đến một nồng độ nhất định, vì vậy
khi hịa tách việc kiểm tra giá trị pH của hỗn hợp là rất quan trọng. Nồng độ axit
cao đồng nghĩa với lượng axit tiêu tốn lớn, lượng dư axit lớn, do đó u cầu lượng
vơi trung hịa lớn và ảnh hưởng đến lượng chất oxi hóa cần dùng. Tuy nhiên vẫn
cần phải quan tâm tới giá trị pH ở cuối quá trình hòa tách, pH quá cao dẫn tới kết
tủa urani trong dung dịch hòa tan, và đây cũng là vấn đề quan trọng trong hòa tách
urani [8].
1.5. Hòa tách quặng urani bằng phương pháp khuấy trộn
Trong q trình hịa tách khuấy trộn, pha rắn (gồm quặng và các hạt oxi hóa
được nghiền dưới dạng các hạt nhỏ) và pha lỏng (tác nhân hòa tách và sản phẩm
hòa tách) đều ở trạng thái chuyển động. Trong phương pháp này quặng được nghiền
tới cỡ hạt thích hợp và được đưa vào thiết bị khuấy trộn cơ học hoặc khuấy trộn
bằng cách sục khí (Pachuca) [8, 18, 19].
Trong q trình hịa tách quặng urani, tốc độ phản ứng giữa tác nhân tách với
khoáng vật chứa urani xảy ra nhanh hơn nhiều so với tốc độ khuếch tán [8, 23], do
đó giai đoạn khuếch tán khống chế tốc độ quá trình. Tốc độ quá trình hịa tách được
mơ tả bằng phương trình khuếch tán sau [8]:

dc
ds
(1.1)
= DF
dx
dt
Trong đó: ds/dt là tốc độ khuếch tán, biểu thị bằng lượng tác nhân khuếch tán qua
một đơn vị bề mặt tiếp xúc pha trong một đơn vị thời gian, D là hệ số khuếch tán, F
là bề mặt tiếp xúc pha, dc/dx là gradient nồng độ.
Gradient nồng độ dc/dx là chênh lệch nồng độ tác nhân trên các mặt giới hạn lớp
khuếch tán chia cho chiều dày lớp:

dc c1 − c 2
=
δ
dx

23

(1.2)


Trong đó: c1 là nồng độ tác nhân trong thể tích, cũng là nồng độ trên bề mặt ngồi
lớp khuếch tán, c2 là nồng độ tác nhân trên bề mặt trong của lớp khuếch tán, δ là
chiều dày lớp khuếch tán. Trong đa số trường hợp vật liệu quặng có cấu trúc xốp, vì
thế trong cơng thức (1.3) chiều dày lớp khuếch tán được thay bằng trở lực khuếch
tán tổng ρ
c − c2
ds

(1.3)
= DF 1
ρ
dt
Như vậy tốc độ hòa tách tỷ lệ thuận với bề mặt tiếp xúc pha, chênh lệch nồng

độ tác nhân giữa các mặt giới hạn lớp khuếch tán và tỷ lệ nghịch với trở lực khuếch
tán.
Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới q trình hịa tách là nhiệt độ, ảnh
hưởng này được thể hiện qua biểu thức của hệ số khuếch tán:
D=

Trong đó:

RT 1
N 3πµd

(1.4)

R: hằng số khí
N: số Avogadro
T: nhiệt độ tuyệt đối
µ: độ nhớt mơi trường
d: kích thước hạt

Khi giữ ngun µ và d, nếu tăng nhiệt độ lên 10oC thì tốc độ q trình hịa
tách tăng lên 1,5 – 2 lần. Căn cứ vào kết luận này thì q trình hịa tách đạt tốc độ
cao nhất ở nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ sôi của nước. Tuy nhiên bắt đầu từ 80 – 90oC tổn
thất nhiệt lớn địi hỏi thiết bị có cách nhiệt đặc biệt, vì thế trong nhiều trường hợp
người ta thực hiện hòa tách trong khoảng từ nhiệt độ thường cho tới 60 – 80oC.

Độ mịn khi nghiền quặng càng cao thì tốc độ hịa tách tăng, song tiêu tốn tác
nhân hòa tách càng lớn, lượng tạp chất bị tách vào dung dịch càng nhiều. Khi tăng
độ nghiền mịn quặng cũng dẫn tới tăng hiệu suất tách bùn, chủ yếu từ các khoáng
24


vật dễ bị bào mòn như Fe2O3.nH2O, Al2O3.2SiO2.H2O. Điều này làm tăng độ nhớt
khối phản ứng theo phương trình sau:

µ = µ 0 (1 + 4,5ϕ )
Trong đó:

(1.5)

µ: độ nhớt của khối phản ứng
µo: độ nhớt dung dịch
ϕ: thể tích do khối bùn mịn kể trên chiếm chỗ

Độ nhớt hỗn hợp hòa tách tăng làm giảm hệ số khuếch tán và do đó làm giảm
tốc độ hịa tách. Từ những xem xét về ảnh hưởng của kích thước hạt quặng ta thấy
cần xác định mức độ nghiền quặng thích hợp.
Một yếu tố quan trọng nữa ảnh hưởng đến tốc độ và hiệu suất hòa tách quặng
urani là nồng độ tác nhân hịa tách c1 (do trị số nhỏ và khơng đổi của c2 người ta coi
c1 – c2 ≈ c1). Quan hệ phụ thuộc này phức tạp và quyết định đến tính tốn kinh tế về
chi phí tác nhân.
Nồng độ c1 càng cao thì tốc độ hịa tách càng cao. Khi giảm tiêu tốn tác
nhân, nồng độ tác nhân giảm tới một giới hạn nhất định thì các sản phẩm đã hòa tan
của urani sẽ bị thủy phân và chuyển trở lại pha rắn. Vì thế q trình hịa tách cần
được thực hiện sao cho khi kết thúc không xảy ra sự thủy phân hợp chất urani đã
hòa tan vào dung dịch.

Một yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu quả hòa tách là tỷ lệ rắn/lỏng trong khối
bùn hòa tách. Tăng lượng lỏng dẫn tới cải thiện các tính chất vận chuyển, khuấy
trộn. Tác dụng ngược lại sẽ xảy ra khi tăng lượng rắn. Tuy nhiên việc tăng tỷ lệ của
chất lỏng dẫn tới làm tăng đáng kể thể tích thiết bị, tiêu tốn tác nhân hòa tách lớn
hơn với một lượng dư lớn hơn tác nhân này, làm cho dung dịch thu được có hàm
lượng urani thấp, dẫn tới khó khăn cho q trình tinh chế và tách urani trong các
công đoạn tiếp theo.

25