Выщелачивание с перемешиванием при атмосферном давлении нашло более широкое применение, чем другие методы. Оно осуществляется в непрерывном режиме в каскаде последовательно соединенных аппаратов, в качестве которых на большинстве американских заводов служат чаны с металлическими мешалками. Диаметры чанов колеблются в пределах 4-6 м, а диаметр мешалки – 1,1-2,4 м. Обычно аппараты устанавливаются по самотечной схеме, но в ряде случаев предусматриваются эрлифты. Чаны соединяются обводными линиями и трубопроводами, что позволяет отключать некоторые из них, не нарушая нормального процесса выщелачивания.

В последнее время используют деревянные чаны, футерованные стеклопластиком или стальные гуммированные чаны, а на ряде заводов – бетонные, футерованные базальтовой плиткой или кислотоупорным кирпичом.

Перемешивание смеси в чанах осуществляется механическим способом (турбины и пропеллеры) или пневматическим (воздушное перемешивание). Выбор метода перемешивания определяется рядом факторов, таких как плотность, размер частиц, абразивные свойства подаваемой смеси. Пневматическое перемешивание предпочтительно для мелкодисперсных пульп или для пульп, обладающих абразивными свойствами. Расход воздуха для перемешивания пульпы составляет 0,014-0,02 м³/мин на 1 м³ пульпы. Расход электроэнергии для компрессоров – 0,05-0,1 кВт/м³ пульпы. Расход электроэнергии на выщелачивание в чанах с мешалками составляет 0,1-0,18 кВт/м³ пульпы, а при интенсивном выщелачивании – до 0,4 кВт/м³ пульпы.

Выщелачивание производится при температуре до 70 °С и рН 0,9-1,9 в течение достаточно длительного промежутка времени (12-24 часа).

Для окисления урана, находящегося в руде в четырехвалентном состоянии, используют природный пиролюзит (с 40-50% MnO₂; его расход 4,5 кг/т в ЮАР и 1,35-3,15 кг/т в США) и хлорат натрия (его расход не более 1,35 кг/т руды). Окислителем может служить воздух и кислород. Вместо пиролюзита в северной Австралии успешно использовали Caro-кислоту (H₂SO₅), которая на месте получается по реакции H₂SO₄ и Н₂О₂.

Контроль и регулирование кислотности осуществляется рН-метрами со стеклянным электродом (при концентрации кислоты 10-15 г/л), а контроль и регулирование окислительно-восстановительного потенциала раствора при концентрации свободной кислоты 40-50 г/л производится с помощью платиновых и каломельных электродов, высокоомных преобразователей и регулирующих приборов.

Производительность заводов, работающих по методу кислотного выщелачивания, колеблется в пределах 500-7000 т руды в сутки, а наиболее распространенная – 1000-2000 т руды в сутки.

В ЮАР и Великобритании проведены работы по созданию процессов выщелачивания в присутствии трехвалентного железа как способа увеличения извлечения урана до 95%. Результаты экспериментов показали, что может быть достигнут коэффициент извлечения урана 93% при проведении процесса при 64 °С в течение 24 часов с добавлением 6 г Fe(III) и 14 г H₂SO₄ на тонну руды.

Кислотное выщелачивание в присутствии Fe(3+) было применено на заводе Rossing. Увеличение концентрации железа с 0,8-1,5 г/л до 3 г/л увеличивает экстракцию урана на 4-5%.

Автоклавное выщелачивание

Кислотное выщелачивание под давлением применяется к трудноперерабатываемым сложного состава рудам, например сульфидсодержащим рудам. Если руда содержит достаточное количество сульфидных минералов, она может быть выщелочена при высокой температуре и давлении без добавления реагентов, кроме кислорода, так как при повышенном давлении кислорода сульфиды превращаются в серную кислоту и сульфат двухвалентного железа, который далее окисляется, а сульфат трехвалентного железа является идеальным окислителем при растворении четырехвалентного урана:

2FeS₂ + 7O₂ + H₂O ® 2FeSO₄ + 2H₂SO₄,

2FeSO₄ + H₂SO₄ + 0,5O₂ ® Fe₂(SO₄)₃ + H₂O.

Применение автоклавного выщелачивания ограничивается следующими причинами:

· конструкционные материалы более дорогие, чем при выщелачивании при атмосферном давлении,

· условия выщелачивания способствуют образованию элементной серы, которая покрывает поверхности труб и теплообменников и затрудняет циркуляцию материалов и теплообмен,

· кислые растворы сульфата железа обладают повышенными коррозионными свойствами.

Процесс автоклавного выщелачивания при повышенной температуре был успешно продемонстрирован в северной Африке в 1950-е годы на руде с высоким содержанием пирита. Однако из-за высоких капитальных затрат и проблем с абразивными и коррозионными свойствами пульпы он не нашел практического применения.

В последующие годы автоклавное выщелачивание было применено в Канаде на заводе в Саскатчеване (Saskatchewan). На первой стадии выщелачивания, которое осуществляется при атмосферном давлении экстракция урана идет без добавления окислителя, а на второй стадии при более высокой температуре и повышенном давлении идет экстракция остального урана, часть которого удерживалась арсенидом никеля. Первая стадия процесса идет 2 часа при 50-70 °С, а вторая – 6 часов при 70 ° и давлении 650 кПа при концентрации H₂SO₄ 60-100 г/л. Общее извлечение урана достигает 99,5%, из них на первой стадии извлекается только 50% урана.

Кислотный замес

Кислотный замес или выщелачивание концентрированной серной кислотой предназначен для переработки трудновскрываемых руд. Один из методов кислотного замеса внедрен в 1971 г. на заводе Арли (Нигер). Здесь руда перед выщелачиванием измельчается в мельнице сухого измельчения до крупности 800 мкм и после подогрева направляется во вращающийся барабан, где она орошается водой и серной кислотой. Расход 100%-ной H₂SO₄ составляет 65-75 кг/т руды. После выдержки в течение 2,5-3 часов во вращающемся барабане извлечение урана составляет 95%. При этом не требуется внешних источников тепла, так как выделяющегося в ходе реакции тепла достаточно для поддержания температуры на оптимальном уровне (60-70 °С), исключается необходимость добавки окислителей (пропитанные кислородом гранулы руды могут вступать в реакцию с кислородом воздуха). Стоимость переработки руды таким способом на 4 долл./т руды, а стоимость производства урана на 2,5 долл./т U ниже стоимости при традиционном методе выщелачивания разбавленной кислотой.

Самым большим недостатком этого метода является требование, предъявляемое к руде, направляемой на выщелачивание: она должна быть почти сухой, что достигается только сухим измельчением или высушиванием после измельчения.

Кучное выщелачивание

Кучное выщелачивание обычно служит для дополнительного получения урана из руд с содержанием урана 0,01-0,05% U₃O₈, которые нерентабельно подавать на переработку на гидрометаллургический завод. Обычно процесс осуществляется на специально подготовленных площадках, иногда в перколяторах. Извлечение урана составляет 75-80%. Кучным выщелачиванием можно извлекать уран из хвостов радиометрической сортировки и из старых хвостовых отвалов.

Площадка для кучного выщелачивания, размеры которой колеблятся в широких пределах – от 45×45 до 180×120 м, может быть покрыта полихлорвиниловыми или полиэтиленовыми листами толщиной 6-8 мм. Высота штабеля руды может быть 4,5-10 м, ширина – до 20 м, длина до 90 м. Для орошения руды над штабелем устанавливаются перфорированные трубы, по которым передается 7-10%-ный расвор H₂SO₄ (22-27 кг/т руды) или может использоваться рафинат с гидрометаллургического завода.

Иногда кучное выщелачивание осуществляется под землей, причем руда в штабелях орошается рудничной водой (Португалия). В качестве реагентов используют пирит и сульфат железа, которые смешивают с рудой в количестве 0,4 и 0,2%, соответственно. Среднее извлечение урана составляет 57-70% (до 85%) при продолжительности выщелачивания 13-20 месяцев. Метод применим к руде с содержанием урана 0,076-0,15%.

Кучное выщелачивание можно осуществлять в перколяторах. Этот метод практикуется в Индии в опытно-промышленном масштабе.

Карбонатное выщелачивание

Карбонатное выщелачивание имеет ряд фундаментальных преимуществ:

· раствор довольно селективно выщелачивает урансодержащие минералы, так что многие другие компоненты руды не растворяются,

· карбонатный раствор легко регенерируется.

Однако этот метод имеет и ряд недостатков, таких как:

· требуется тонкое измельчение руды,

· некоторые минералы руды (такие как сульфат кальция и пирит) взаимодействуют со щелочным реагентом, тем самым, увеличивая его расход,

· в щелочных условиях многие урановые минералы труднорастворимы.

Карбонатное выщелачивание проводят как при атмосферном, так и при повышенном давлении.

Выщелачивание при атмосферном давлении обычно проводят в пачуках. Выщелачивающий раствор содержит 40-50 г/л Na₂CO₃ и 10-20 г/л NaHCO₃, рН поддерживают между 9 и 10,5 при температуре 75-80 °С. Приемлемая скорость выщелачивания достигается при 70-80%-ном содержании частиц размером 75 мкм. Продолжительность выщелачивания в пачуках доходит до 96 часов. Извлечение урана 90%, что на 3-5% ниже, чем при кислотном выщелачивании.

Щелочное выщелачивание использовалось на ряде заводов, Первый из них (Beaverlodge) был построен в 1953 г. в Канаде и эксплуатировался до 1982 г. По данным 1993 г. этот способ используется на заводе бывшей ГДР.

Автоклавное карбонатное выщелачивание использовали на заводах США, Дании (пилотная установка), Германии.

Выщелачивание при повышенном давлении позволяет поднимать температуру, что значительно увеличивает скорость процесса и позволяет провести процесс за 6-8 часов.

В 1980 г. была начата эксплуатация установки на заводе Lodéve (Лодев, Франция). Здесь автоклавы с механическим перемешиванием сделаны из высококачественной стали. Местная урановая руда богата карбонатами (доломит, анкерит) с содержанием СО₂ 7%. Выщелачивание осуществляется в две стадии при давлении 600 кПа, температуре 140-145 °С и концентрации карбоната 90 г/л (I стадия) и 90 г/л (II стадия). Время выщелачивания – 3 часа на I и 6 часов на II стадии.

Подготовка растворов и пульп к последующему извлечению