Садуакасова А

Садуакасова А.Т.¹, д.т.н. Самойлов В.И.¹, д.т.н. Зеленин В.И.²,

к.т.н. Н.А. Куленова¹, Полежаев С.Н.¹

¹Восточно-Казахстанский государственный технический университет

им. Д. Серикбаева

²Уральский федеральный университет им. Первого Президента России

Б.Н. Ельцина

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СОРБЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ УРАНА ИЗ ВОДЫ ОЗЕРА АЛАКОЛЬ

Исследована сорбционная способность некоторых сорбентов и продуктов их модификаций при извлечении урана из озёрной воды. Установлены условия модификации сорбентов и режимы сорбции урана. Оценены перспективы использования исследованных материалов или их аналогов для получения урановых концентратов. Установленные зависимости могут быть использованы при разработке технологии извлечения урана из гидроминеральных источников и сбросных вод промышленных предприятий.

В настоящее время в ряде стран известны несколько десятков озёр с концентрацией урана от первых десятков мкг/дм³ до нескольких десятков тысяч мкг/дм³ [1]. Для сравнения, при извлечении урана методом подземного выщелачивания руд продуктивные растворы со стадии выщелачивания, поступающие на операцию сорбции урана, оцениваются концентрацией урана в десятки тысяч мкг/дм³. Поэтому озёра с такой концентрацией урана сегодня могут рассматриваться как дешёвое сырьё для сорбционного извлечения из него урана.

В данной работе оценивалась сорбционная способность некоторых ионитов и продуктов их модификации при извлечении урана из озёрной воды, содержащей первые десятки мкг/дм³урана.

Гидроминеральным урансодержащим сырьём, использованным в данной работе являлась вода озера Алаколь, расположенного на территории Восточно-Казахстанской области [2-4].

Три пробы воды из данного озера были отобраны в 2013÷2014 г.г. на северном его побережье в трёх различных точках. Содержание урана в этих пробах составило, в мкг/дм³: 20,59, 15,19 и 10,40. Содержание примесей в воде озера Алаколь характеризуется следующими значениями, мг/дм³: F^– – 1,7; Br^– – 1,8; Cl^– – 1395,4; NO₃^– – 1,1; SO₄^2– – 2910,8; HCO₃^– – 195,0; Na – 3143,7; Mg – 564,0; K – 31,3; Ca – 7,4.

Подземные воды Алакольской впадины являются преимущественно пресными гидрокарбонатными, реже слабосолоноватыми сульфатно-гидрокарбонатными натриевыми [5]. По данным [6] объём озера Алаколь составляет 58,56 км³. Исходя из указанных объёма данного озера и концентрации урана в его водах, запасы урана в этом озере оцениваются в 901 т. Таким образом, при извлечении урана из вод озера Алаколь в количестве 50 т/год, запасов данного компонента в указанном озере хватило бы более чем на 18 лет.

В качестве модельного урансодержащего раствора в данной работе использован водный раствор, приготовленный с использованием водорастворимого аммонийуранилтрикарбоната (АУТК) – (NH₄)₄[UO₂(CO₃)₃], с содержанием основного вещества 96,6 % масс. Концентрация урана в приготовленном модельном растворе составляла 1643 г/дм³.

В качестве ионитов для извлечения урана из использованной в работе подземной воды применяли синтетический сорбент марки КУ-2-8 (ГОСТ 20298-74), природные сорбенты – цеолит Тайжузгенского месторождения Восточно-Казахстанской области и шунгит Коксуского месторождения Алматинской области, а также продукты модификации указанных сорбентов.

а. Синтетический сорбент

Синтетический сорбент КУ-2-8 – катионит гелевой структуры с высокой химической стойкостью и механической прочностью, представляющий собой сферические зёрна светло-коричневого цвета крупностью 1 мм. КУ-2-8 применяют для умягчения и обессоливания воды на тепловых и атомных электростанциях, очистки технологических растворов и сточных вод, разделения и выделения металлов [7].

б. Природные цеолит и шунгит

Цеолиты – минералы из группы водных алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных элементов с тетраэдрическим структурным каркасом, включающим полости (пустоты), занятые катионами и молекулами воды. Химический состав цеолитов в обобщённом виде может быть представлен формулой MeO∙Al₂O₃·mSiO₂·H₂O, где Ме – Na, K, Сa, Mg, Ba [8]. Запасы цеолита Тайжузгенского месторождения оценивают в 54 млн т. [9].

Химический состав цеолитов Тайжузгенских руд приведён в таблице 1.

Таблица 1

Химический состав Тайжузгенских цеолитов и Коксуских шунгитов, % масс. [9]

Минерал	C	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	MgO	CaO	Na₂O	K₂O
Цеолит	–	65,51	14,24	0,67	0,80	3,20	2,04	2,83
Шунгит	10	60	10	6÷8	1,5÷2,5	5÷15	0,50÷0,6	2,5÷3,0

При проведении исследований нами использовался цеолит Тайжузгенского месторождения крупностью крупностью +0,5–1,0 мм.

Шунгит является углеродсодержащим природным минералом [10], загрязнённым примесями кремния, алюминия, железа и других элементов. Данный минерал занимает промежуточное место между аморфными и кристаллическими формами углерода, обнаруживая признаки тех и других веществ. Основным структурным элементом шунгита являются глобулы, представляющие собой сферические или эллипсоидальные углеродные образования размером в среднем 10 нм, внутри которых было установлено наличие пустот. Кроме внутренних пустот шунгит имеет межглобулярные пустоты (или поры).

Запасы шунгита месторождения Коксу оценивают в 620 млн т [9]. Химический состав использованного в работе Коксуского шунгита приведён в таблице 2, его крупность составляла +0,5–1,0 мм.

Переработка воды озера Алаколь с использованием в качестве сорбентов шунгита, цеолита и КУ-2-8. Природный шунгит был использован для сорбции урана из воды озера Алаколь, химический состав которой приведён выше. Для сорбции урана в статических условиях из воды озера Алаколь, использовали крупнозернистый шунгит (+0,5–1,0 мм). Озёрную воду предварительно упарили с целью повышения в ней концентрации урана. Навеску шунгита массой 0,5 г помещали в указанный раствор объёмом 0,5 дм³. Время контакта сорбента с раствором составляло 1 ч, температура раствора ~25 °С. В процессе сорбции раствор с сорбентом постоянно перемешивался механической мешалкой. По истечении 1 ч раствор отстаивали и отбирали из него 1 см³ раствора-декантата для определения в нём содержания урана спектральным методом.

Аналогичные опыты по сорбции урана из воды озера Алаколь поставлены с использованием цеолита и КУ-2-8.

Результаты данных экспериментов приведены в таблице 2.

Таблица 2

Результаты сорбции урана из воды озера Алаколь с использованием

шунгита, цеолита и КУ-2-8

№ опыта	Использованный сорбент	Навеска шунгита, г	Содержание урана в растворе, мкг/дм³	Потери урана с раствором после сорбции, мкг	Извлечение урана в сорбент
№ опыта	Использованный сорбент	Навеска шунгита, г	Содержание урана в растворе, мкг/дм³	Потери урана с раствором после сорбции, мкг	мкг	%
1	Шунгит	0,5	6,42	3,21	17,93	84,82
2	Цеолит	0,5	3,82	1,91	19,23	90,96
3	КУ-2-8	0,5	31,70	15,85	5,29	25,02

Примечание – В опытах 1-9 концентрация урана в исходной воде и загрузка урана с ней составили соответственно 42,29 мкг/дм³ и 21,14 мкг.

Как видно из данных, представленных в таблицы 2:

– в опыте 1 извлечение урана в шунгит составило ~85 %;

– в опыте 2 извлечение урана в цеолит составило ~91 %;

– в опыте 3 извлечение урана в КУ-2-8 составило всего ~25 %.

Представленные в таблице 2 данные показывают, что при сорбции урана из воды озера Алаколь практически значимое извлечение урана в сорбент достигается только при использовании навесок шунгита или цеолита массой 0,5 г и продолжительности сорбции 1 ч. При таких условиях указанные сорбенты извлекают на уровне 85÷91 % урана из воды озера Алаколь. Дальнейшее увеличение расхода данных сорбентов и продолжительности сорбции экономически не целесообразно, т. к. практически не повышает извлечение урана в сорбент. Что касается сорбента КУ-2-8, то, как видно из данных, представленных в таблице 2, то его использование не обеспечивают практически значимых извлечений урана из воды озера Алаколь в данный сорбент.

Установлено, что природные шунгит и цеолит обладают не достаточной сорбционной способностью по отношению к урану, что требует проведения дополнительных исследований по их модификации.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Самойлов В.И., Садуакасова А.Т. Гидроминеральное урансодержащее сырьё // Горный информационноаналитический бюллетень. 2015 г. № 15. С. 96–104.

2. Садуакасова А.Т., Зеленин В.И., Самойлов В.И., Титов Д.Н. Современное состояние минерально-сырьевой базы урана и её расширение путём вовлечения в переработку гидроминерального сырья // Зелёная экономика – будущее человечества: Международная научно-практическая конференция. Сб. докладов.Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2014. Т. 5. С. 377-386.

3. Гидрогеология СССР. В 45 кн. / Под ред. А.В.Сидоренко. Кн. 37. Восточный Казахстан. M.: Недра, 1970. 473 с.

4. Филонец П.П., Омаров Т.Р. Озёра Центрального и Южного Казахстана. Алма-Ата: Наука. 1981. 232 с.

5. Ахмедсафин У.М и др. Территориальное распределение ресурсов подземных вод Казахстана. Алма-Ата: Наука. 1979. 152 с.

6. Казахстан. Национальная энциклопедия. В 5 кн. / Под ред. Б. Аяган. Кн. 1. Алматы: Қазақ энциклопедиясы, 2004. 560 с.

7. ГОСТ 20298-74. Смолы ионообменные.

8. Брек Д. Цеолитные молекулярные сита / Пер. с англ. под ред. Клячко А.Л., Мишина И.В., Якерсона В.И. М.: Мир, 1976. 781с.

9. Садуакасова А.Т., Самойлов В.И., Зеленин В.И. Сорбенты, применяемые в химико-металлургических технологиях извлечения урана // Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов: XII Международная научная конференция. Сб. докладов. Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2015. Т. 3. С. 224-230.

10. Мусина У.Ш., Самонин В.В. Углерод-минеральный состав шунгитовых пород Коксуского месторождения Казахстана // Известия СПбГТИ (ТУ). 2013. №19(45). С. 39-41.

11. Зеленин В.И., Рычков В.Н. Извлечение урана из растворов гидроксидами металлов / Актуальные проблемы урановой промышленности: III международная научно-практическая конференция. Сб. докладов. Алматы: Бастау, 2005. – С. 208-216.

12. Пат. РФ 1349288 (опубл. 1987). Способ извлечения урана из разбавленных растворов.

13. Жерин И.И., Амелина Г.Н., Егорова Н.Б., Леонова Л.А. Оптические методы определения урана и тория. Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 2012. 45 с.