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

¹Восточно-Казахстанский государственный технический университет

им. Д. Серикбаева, Казахстан

²Уральский федеральный университет им. Первого Президента России

Б.Н. Ельцина, Россия

Исследование процесса сорбционного извлечения урана из подземной воды

В работе [1] отмечается, что среди гидроминеральных источников урана наибольшее внимание привлекают воды океанов, учитывая огромные объёмы океанической воды и концентрацию урана в ней (порядка 3 мкг/дм³). В ряде стран пытаются извлекать уран из озёрных вод. В настоящее время во многих странах известны десятки озёр с концентрацией урана от первых десятков мкг/дм³ до десятков тысяч мкг/дм³ [2]. 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 приведены результаты исследований процесса сорбции урана из подземной воды, в которой концентрация урана оценивается в ~250 мкг/дм³.

Данные о химическом составе использованной подземной воды приведёны в таблице 1.

Таблица 1

Содержание урана и примесей в использованной в работе подземной воде, мг/дм³

U	F^–	Cl^–	NO3^–	SO4^2^–	HCO3^–
0,2463	329,0	88,0	31,1	193,0	140,3

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 [3].

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 [4]. Запасы цеолита Тайжузгенского месторождения оценивают в 54 млн т. [5].

Химический состав цеолитовых руд Тайжузгенского месторождения приведён в таблице 2.

Таблица 2

Химический состав Тайжузгенских цеолитов и Коксуских шунгитов,

% масс. [5]

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 -0,1 мм.

Шунгит является углеродсодержащим природным минералом [6], 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 [5]. Химический состав использованного в работе Коксуского шунгита приведён в таблице 2, его крупность составляла -0,1 мм.

а. Применение сорбента КУ-2-8 для сорбции урана из использованной в работе подземной воды

Сорбционные свойства синтетического сорбента КУ-2-8 были проверены в динамических условиях сорбции в опыте с использованием подземной воды (таблица 1).

В опыте навеску сорбента крупностью 1 мм, массой 1 г помещали в стеклянную колонку, в нижнюю часть которой предварительно укладывали тонкий слой стекловолокна. Затем через слой сорбента в колонке пропускали 52 см³ урансодержащей воды (таблица 1) со скоростью ~4,5 см³/мин (прохождение урансодержащего раствора через слой сорбента длилось 12 мин). Полученный после сорбции раствор анализировали на содержание урана спектральным методом. Далее сорбент, насыщенный ураном, дважды промывали дистиллированной водой, пропуская её через колонку с сорбентом. Полученные промывные воды анализировали на содержание урана спектральным методом и определяли изменение концентрации урана в указанной промывной воде. Результаты эксперимента, приведены в таблице 3.

Из данных представленных в таблице 3 видно, что извлечение урана из использованной в работе подземной воды в сорбент составило на уровне 79,06 %.

Таблица 3

Результаты сорбции урана из подземной воды с использованием сорбента КУ-2-8

Исходная подземная вода		Фильтрат после сорбции		Раствор после первой промывки сорбента		Раствор после второй промывки сорбента		Суммарные потери U с фильтратом и промывными растворами, мкг	Извлечение U в сорбент
СU, мкг/дм^3	загрузка U с исходной водой, мкг	СU, мкг/дм^3	потери U с фильтратом, мкг	СU, мкг/дм^3	потери U с раствором, мкг	СU, мкг/дм^3	потери U с раствором, 10^-6 мкг		мкг	%
246,3	12,792	53,18	2,6590	0,3900	0, 0195	<0,0001	<5	<2,6785	>10,1135	>79,06

Примечание – Объём исходной подземной воды, объём фильтрата, объём раствора после первой и второй промывок сорбента составлял соответственно 52, 50, 50, 50 см³.

Таблица 4

Результаты сорбции урана из подземной воды с использованием цеолита

Исходная подземная вода		Фильтрат после сорбции		Раствор после первой промывки сорбента		Раствор после второй промывки сорбента		Суммарные потери U с фильтратом и промывными растворами, мкг	Извлечение U в сорбент
СU, мкг/дм^3	загрузка U с исходной водой, мкг	СU, мкг/дм^3	потери U с фильтратом, мкг	СU, мкг/дм^3	потери U с раствором, мкг	СU, мкг/дм^3	потери U с раствором, мкг		мкг	%
246,3	12,792	217,56	10,878	11,85	0,5925	1,5918	0,0796	11,5501	1,2419	9,71

Примечание – Объём исходной подземной воды, объём фильтрата, объём раствора после первой и второй промывок сорбента составлял соответственно 52, 50, 50, 50 см³.

Таблица 5

Результаты сорбции урана из подземной воды с использованием шунгита

Исходная подземная вода		Фильтрат после сорбции		Раствор после первой промывки		Раствор после второй промывки		Суммарные потери U с фильтратом и промывными растворами, мкг	Извлечение U в сорбент
СU, мкг/дм^3	загрузка U с исходной водой, мкг	СU, мкг/дм^3	потери U с фильтратом, мкг	СU, мкг/дм^3	потери U с раствором, мкг	СU, мкг/дм^3	потери U с раствором, мкг		мкг	%
246,3	12,792	207,6	10,38	10,2	0,51	1,1	0,055	10,486	1,847	14,44

Примечание – Объём исходной подземной воды, объём фильтрата, объём раствора после первой и второй промывок сорбента составлял соответственно 52, 50, 50, 50 см³.

б. Применение цеолита для сорбции урана из использованной в работе подземной воды

Проверка сорбционных свойств природного цеолита проводилась в процессе сорбции урана из использованной в работе подземной воды (таблица 1), в статических условиях сорбции при комнатной температуре (в динамических условиях процесс не мог быть реализован в связи с тем, что исходная подземная вода не фильтровалась через слой пылевидного цеолита, имевшего крупность -0,1 мм).

Навеску цеолита крупностью -0,1 мм и массой 1 г, помещали в стеклянную колбу объёмом 100 см³. Затем в колбу приливали урансодержащую подземную воду (таблица 1). Содержимое колбы встряхивали в течение 1 мин через каждые 15 мин. Суммарное время контакта оборотной воды с сорбентом в эксперименте составило 4 часа. Далее содержимое колбы фильтровали через фильтр «синяя лента». Полученный фильтрат анализировали на содержание урана спектральным методом. Сорбент, насыщенный ураном, дважды промывали на фильтре дистиллированной водой. Фильтраты со стадий первой и второй промывок сорбента анализировали на содержание урана спектральным методом.

Результаты проведённого эксперимента (таблица 4), свидетельствуют о том, что извлечение урана в сорбент составило лишь около 10-ти %, а потери урана – порядка 90%, из которых ~85 % потеряно с фильтратом со стадии сорбции, ~4,5 % с первым промывным раствором и ~0,5 % со вторым промывным раствором со стадии промывки насыщенного сорбента.

в. Применение шунгита для сорбции урана из использованной в работе подземной воды

Сорбцию урана из использованной в работе подземной воды (таблица 1) проводили в статических условиях с использованием навески пылевидного шунгита крупностью -0,1 мм и массой 1 г аналогично сорбции урана с использованием цеолита (в динамических условиях процесс не мог быть реализован вследствие мелкодиспертсности пылевидного шунгита).

Результаты проведённого эксперимента представлены в таблице 5.

Из данных таблицы 5 видно, что извлечение урана в сорбент находится на уровне 14,4 %. При этом потери урана составили ~85,5 %, из них около ~81 % с фильтратом со стадии сорбции, около 4 % с первой промывной водой и ~0,4 % со второй промывной водой со стадии промывки насыщенного сорбента.

Выводы

1. Исследована возможность применения сорбента КУ-2-8 для извлечения урана из опробованной в работе подземной воды, обеспечивший извлечение около 80 % урана в динамических условиях сорбции. Процесс сорбции урана из опробованной воды может быть реализован с применением сорбционных колон.

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

Литература

1. Исупов В.П., Шацкая С.С., Бородулина И.А. Уран в минерализованных озёрах Западной Монголии и сопредельной территории России: ресурсы, источники накопления, пути инновационного освоения // Химия в интересах устойчивого развития. – 2014. – № 22. – С. 429–436.

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

3. ГОСТ 20298-74. Смолы ионообменные.

4. Брек Д. Цеолитные молекулярные сита / Пер. с англ. под ред. Клячко А.Л., Мишина И.В., Якерсона В.И. М.: Мир, 1976. 781 с. (Breck D. Zeolite molecular sieves. New York: A Wiley-interscience publication, 1974).

5. 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. Материалы XII Международной научной конференции. Усть-Каменогорск: ВКГТУ, 2015. Т. 3. С. 224-230.

6. Мусина У.Ш., Самонин В.В. // Известия СПбГТИ (ТУ). 2013. №19 (45). С. 39-41.