Ugrás a tartalomhoz

A környezeti sugárzás anomáliái

Dr. Várhegyi András (2011)

2.2 Ércfeldolgozási módszerek

2.2 Ércfeldolgozási módszerek

Az urán érceiből való kinyerésével számos közlemény, könyvrészlet foglalkozik. Jelen összeállításban a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség kiadványait vesszük elsősorban alapul, amelyek nemzetközileg elismert szakértők közreműködésével készültek. Így nagymértékben támaszkodunk a "Uranium Extraction Technology", (IAEA 1993), és más NAÜ publikációkra (IAEA 1992, IAEA 1993).

A kitermelt érc urántartalmának kinyerése hidrometallurgiai módszerekkel történik, azaz az érc savas vagy alkalikus oldatokkal való kezelésével. A konkrét eljárás nagymértékben függ az uránt tartalmazó ásványok jellegétől, az érc minőségétől, az érc általános ásványi összetételétől, azonban az ipari méretben alkalmazott módszerek lényegében két csoportba sorolhatók:

  • az érc őrlésével egybekötött, klasszikus ércfeldolgozási módokra (ezt feldolgozási módot az angol nyelvű irodalom mill process-nek[1] nevezi). Ezt a módszert a továbbiakbanklasszikus ércfeldolgozás címszó alatt tárgyaljuk),

  • halmos vagy perkolációs kilúgzásokra (heap leaching ), amelynél az ércet tőrés után, az őrlés mellőzésével dolgozzák fel, tehát a folyamat lényegesen kisebb energiafelhasználással valósul meg.

2.2.1 Klasszikus ércfeldolgozás

A fenti módszerek közül a hagyományosnak tekinthető eljárások közös vonása, hogy azok az érc őrlésén alapulnak . A klasszikus eljárások általában az alábbi főbb lépésekből állnak:

  • ércelőkészítés (törés, megfelelő finomságra való őrlés, gyakran radiometrikus dúsítás),

  • feltárás (kénsavas vagy alkalikus feltárás),

  • urán kinyerése savas vagy alkalikus feltárási oldatokból (anioncserélő gyanták vagy extraháló szerek segítségével),

  • uránkoncentrátum lecsapása kémiai anyagokkal magas urántartalmú oldatokból, (ammónia, magnézium-oxid, nátrium-hidroxid, hidrogén-peroxid),

  • az uránkoncentrátum szűrése,

  • a koncentrátum szárítása és csomagolása,

  • hulladékok kezelése (zagykezelés, zagytározás, víztisztítás).

2.3. ábra - Azt érc radiometrikus dúsítása és fizikai előkészítése

2.3 ábra Azt érc radiometrikus dúsítása és fizikai előkészítése

2.2.1.1 Ércelőkészítés, radiometrikus dúsítás

Mivel az uránásványok a legtöbb esetben finom eloszlásban találhatók a kőzetben, ezeket a szemcséket a feltárás előtt szabaddá kell tenni töréssel és őrléssel. Az őrlési finomság függ az alkalmazott technológia típusától, a savas eljárások esetén általában 0,5-0,314 mm alá őrlik az érctöretet. Alkalikus feltárásnál általában az őrlést -0.2 mm szemcseméretűre végzik, míg savas feltárásnál a mérethatár -0.6 -0.4 mm. A porképződés kizárására nedves őrlést használnak tehát az őrlőkből az őrlemény zagy formájában távozik.

Egyes esetekben lehetőség van az érc fizikai dúsításra is, ha az érc eléggé kontrasztos, azaz az urán nem egyenletesen oszlik el a kőzetben. Leggyakrabban a radiometrikus dúsítást (osztályozást) alkalmazzák. Ilyen esetben e műveletre az érc törése után kerül sor, tehát a dúsítás a törés-őrlés közé ékelődik, amikor is az érctöretet méret szerint vibrátorokkal frakciókra bontják (pl. 200-150, 150-120, 120-75, 75-50, -50 mm-es frakció-tartományok), majd az 50 mm feletti mérettartományú frakciók kőzetdarabjait megfelelő sorba-állító berendezés segítségével darabonként sorba állítják, és szállítószalagon radiométerek felett vezetik át, amelyek érzékelik az adott ércdarab radioaktivitását. A mért értéktől függően a kiértékelő egység vagy koncentrátumnak (U-tartalom nagyobb, mint 0,1%), vagy meddőnek (U-tartalom kisebb, mint 120 g/t) tekinti a kőzetdarabot és a szállító szalag végén található végrehajtó mechanizmus vagy a koncentrátumgyűjtő bunker vagy a meddő bunker felé irányítja azt.

Ez a dúsítási mód lehetővé teszi a kémiai feldolgozásra kerülő kőzettömeg jelentős csökkenését csak igen kismértékű uránveszteség mellett (pl. Magyarországon a kőzet 33 %-t választották ki meddőként radiometrikus osztályozással), ezzel együtt az ércfeltárásra felhasznált reagensek mennyiségének jelentős csökkentését érték el. A kiválasztott meddő uránban dúsabb része (amennyiben van ilyen) perkolációs feldolgozásra kerülhet a gyengeminőségű érccel együtt. A radiometrikus dúsítással egybekötött ércelőkészítés elvi sémáját a 2.3 ábrán mutatjuk be.

Az ércelőkészítés tehát törésből, (radiometrikus osztályozásból) őrlésből az őrlő egységből távozó zagy sűrítéséből áll. A sűrítést rendszerint Dorr-rendszerű sűrítőkben végzik. A sűrítőkről távozó sűrített zagyban a szilárd-folyadék aránya 1:1, sűrűsége kb. 1,45 kg/dm3 vagy ezt meghaladó érték.

2.2.1.2 Ércfeltárás

Az ércek fizikai ércelőkészítése során kapott sűrített zagyhoz feltáró reagenst, kénsavat vagy nátrium-karbonátot adnak az urán kioldása céljából. A reagens típusát és mennyiségét az érc összetételétől függően választják meg.

A kémiai feltárás technológiai paramétereit (hőmérséklet, tartózkodási idő, őrlési finomság, reagens-koncentráció, stb.) az érc ásványtani összetételének figyelembe vételével kell megállapítani. Amíg, pl. az oxidált ércek esetében elegendő gyengén savas körülmények biztosítása a feltáráson (pH~1.5-2), addig a nehezen feltárható ércek esetében (pl. brannerit uránásványt tartalmazó ércek esetében) a feltárás jó hatásfokkal csak 50-100 g/l szabad kénsav koncentráció mellett végezhető el. Mint minden kémiai folyamatban, a hőmérsékletnek fontos szerepe van a feltárásnál is, atmoszférikus nyomáson végzett feltárásnál a hőmérséklet 60-70 °C, nagyobb hőmérséklet csak magasabb nyomáson tehát autoklávokban végzett feltárásnál biztosítható.

Uránásványok oldódásának mechanizmusa (IAEA 1993b).  Az urán a természetben hat és négy vegyértékű formában található, leggyakrabban különböző oxidáltsági fokú oxidjai formájában (a két véglet: UO3 és UO2). A hat vegyértékű urán közvetlenül oldatba vihető szabad hidrogén-ionok jelenlétében:

(2.1)

2.1. egyenlet -


Az oldódáshoz szükséges hidrogén-ionokat általában kénsavval vagy alkalikus feltárásnál hidrogén-karbonáttal biztosítják.

Ha az urán négy vegyértékű formában, azaz UO2 formában van jelen az ércben, mint pl. az uraninit ásványban, az urán oldódása gyakorlatilag elfogadható sebességgel csak oxidáló szer jelenlétében megy végbe. Savas körülmények között vas(III)-ionok segítségével, (a vas(II)-ionok a feldolgozott ércből és a technológiai berendezésekből, őrlő golyókból stb. kerülnek az oldatba), alkalikus lúgzásnál pedig oxigén segítségével megy végbe az oxidáció: Az oxidációhoz szükséges vas(III)-ionok megfelelő koncentrációja (1-2 g/l) oxidáló anyaggal, pl. piroluzittal, nátrium-perkloráttal, perkénsavval, stb. biztosítható úgy, hogy a redox-potenciál értékét kb. 510 mV-on tartják (telített kalomel elektródhoz képest):

(2.2)

2.2. egyenlet -


(2.3)

2.3. egyenlet -


Mangán-dioxid (piroluzit) helyett nátrium-klorátot, Caró-féle savat is (H2SO5) használnak (Ring et al. 1985).

Alkalikus feltárás esetén az oxidációt nyomás alatt levegővel vagy oxigén betáplálásával végzik:

(2.4)

2.4. egyenlet -


Az oldatba került uranil-ion az ugyancsak oldatban lévő szulfát-ionokkal (ezek a kénsavtól származnak) vagy karbonát-ionokkal (ezek alkalikus feltárás esetén kerülnek az oldatba) szulfátó komplexeket képez (a szulfát és karbonát anionok száma általában 2 vagy 3 lehet):

(2.5)

2.5. egyenlet -


(2.6)

2.6. egyenlet -


A feltárási oldatokban az urán tehát nem uranil-ionok, hanem döntően negatív töltésű komplex anionok formájában van jelen: savas oldatokban szulfátó-komplexek, míg karbonátos oldatokban karbonátó-komplexek formájában. Ezzel magyarázható, hogy az urán oldatokból való kinyerésére szinte kizárólag anioncserélő anyagokat (ioncserélő gyantákat, extraháló szereket) használnak.

Az uránércek döntő részét savas eljárással dolgozzák fel, és néhány kivételtől eltekintve kénsavat használnak a feltárásra. Alkalikus feltárásnál pedig nátrium-karbonátot (amelynek jelentős része azonban a feltárás során az ércben jelenlévő pirit hatására nátrium-hidrogénkarbonáttá alakul, így a feltárást lényegében a hidrogén-karbonát disszociációja során képződő hidrogén ionok végzik). A nehezen feltáródó ásványokat tartalmazó ércek csak savas feltárással dolgozhatók fel, és általában magas szabadsav tartalom mellett. Ugyanakkor az érc magas karbonát-tartalma (CO2>5%) esetén célszerű lehet az alkalikus feltárás alkalmazása, mivel a reagens fogyás lényegesen alacsonyabb (~ 5 kg szóda/t), mint savas eljárás esetén (100-150 kg kénsav/t). A meddő ásványok oldódását részletesen a tárgyalja az IAEA kiadvány (IAEA 1980).

Feltárás gyakorlata.  Az ércfeltárás megvalósulhat egyenáramú és ellenáramú műveletben. A nehezen feltáródó ércek esetében az egyenáramú eljárás nem alkalmazható. Bonyolultsága ellenére a megfelelő feltárási hatásfok (>95%) elérése céljából (elsősorban branneritet tartalmazó ércekre), ellenáramú feltárási eljárást alkalmazzák. Ezzel biztosítható, hogy a feltárás végén (Feltárás II fokozat) az oldat szabadsav tartalma 50-60 g/l legyen. Dél-afrikai kutatók megállapították, hogy a brannerite 60 °C mellett és magasabb szabadsav oldódik (Smits 1984), ezt a tényt a feltárási paraméterek tervezésénél figyelembe kell venni.

Az egyenáramú és ellenáramú eljárás elve a 2.4 ábrán látható. Esetenként (pl. Kanada, magas urántartalmú ércek) ezt az elvet alkalmazva, a feltárási hatásfok növelése céljából még autoklávot is beiktatnak a feltáró rendszerbe.

Az alkalikus feltárást általában nagyobb hőmérsékleten, nyomás alatt végzik, álló vagy fekvő hengeres autoklávokban, az elérhető uránkihozatal 80-85% között van. Ezért az urán kinyerési hatásfok kisebb: pl. Romániában autoklávos feltárást alkalmaznak és az átlagos feltárási hatásfok 81% volt (Bragadireanu et al 2004). Savas technológiák esetében az uránkihozatal általában a gyengébb minőségű ércek (U~0,1-0,2%) esetében is meghaladja a 90%-ot, magasabb urántartalmú ércek esetében a 98%-ot is. Megjegyezzük, hogy savas feltárás esetén is használhatnak autoklávokat a feltárásnál, ebben az esetben a feltárási idő néhány órára csökken.

2.4. ábra - Ércfeltárási sémák

2.4 ábra Ércfeltárási sémák

Alkalikus feltárásnál a feltáró ágensek koncentrációja: 40-50 g/l Na2CO3 and 10 - 20 g/l NaHCO3, pH 9-10.5, hőmérséklet: 70-80 °C. A feltárási idő hosszú, gyakran eléri a 100 órát is (Bell 1979).

A feltárási idő csökkentése és a magasabb uránkihozatal elérése érdekében a már említett autoklávos feltárást alkalmazzák gyakran, amelynél a hőmérséklet 120-140 °C.

2.2.1.3 Szilárd oldat elválasztás

A feltárás után a feltárt uránt a feltárási oldatokból ki kell vonni. Ezt a műveletet általában megelőzi a feltárási oldat elválasztása a szilárd feltárási maradéktól vagy annak nagyobb szemcseméretű részétől (>0,1 mm) szűréssel vagy ülepítéssel és az elválasztott feltárási maradék mosásával. Ez a művelet ellenáramú mosást biztosító szilárd-folyadék elválasztó berendezésekben pl. spirális mosókkal történik. Ilyen előkészítéssel tiszta oldatot nyernek és a további uránkinyerés tiszta oldatból történhet szorpcióval vagy extrakcióval (lásd később). Ellenáramú mosást biztosító csigás osztályozó sorok alkalmazása esetén a feltárási maradéknak csak a durvább részét (>0,1 mm, homok) választják ki a feltárási zagyból, a finom iszap az oldattal együtt híg zagy formájában marad vissza. Ebben az esetben "gyanta-a-zagyban" (RIP) folyamat szerint vonják ki az oldott uránt. ennek a módszernek nagy előnye, hogy nem kell sorba kötött oldat-szilárd elválasztó egységeket (Dorr-sűrítők) alkalmazni, így egyszerűbb a technológiai rendszer. Ugyancsak előnye a RIP-folyamatnak, hogy könnyen feldolgozhatók magas agyag tartalmú ércek is, mivel nem kell az oldatot a magas agyagtartalmú feltárási maradéktól elválasztani.

2.2.1.4 Oldott urán kinyerése a feltárási oldatokból

Az uránipar kialakulásának első időszakában az urán kinyerését a feltárási maradéktól elválasztott oldatból egyszerűen kémiai lecsapással végezték, jelenleg a sokkal hatékonyabb és gazdaságosabb ioncserélő módszerrel végzik.

Anioncserélő gyantával való uránkivonás.  1949. elején Rom&Haas Co. felfedezte, hogy az urán kénsavas oldatokban anionként van jelen, és könnyen kötődik meg kvaterner ammónium bázisúanioncserélő gyantán. Az anioncserélő gyanták első ipari alkalmazásra Dél-Afrikában került sor 1952-ben. Azóta az anioncserélő gyantákat széles körben alkalmazzák az urán vizes oldatokból való kinyerésére. A szelektívebb módszerek kifejlesztését többek között az uránnak a már említett azon tulajdonsága tette lehetővé, hogy ez az elem igen hajlamos komplex anionok képzésére. Ugyanakkor egy sor fémion ilyen tulajdonságokkal nem rendelkezik, ezért az anioncserés elválasztás nagyfokú szelektivitást biztosít az urán tekintetében.

Extrakciós kivonás.  Az urán kinyerésére 1955-től kezdve alkalmazzák az extrakciót, amikor is di-2-etil-hexil-foszforsavval (DEHPA) végezték ezt a műveletet. Ez az extraháló szer azonban nem elég szelektív. 1957 óta a tercier aminok a leggyakoribb extraháló szerek az urán kivonásánál, amelyek igen szelektívek az uránra.

Az extrakció egyik kellemetlen mellékfolyamata az u.n. harmadik fázis képződése, ami lényegében egy stabil emulzió formájában oldószert, extraháló szert és az extraháló szerbe került fémet tartalmaz. Ez a folyamat szerves anyag veszteséghez vezet. A harmadik fázisban lévő anyag nagy része a zagyterekre kerül, szerves anyaggal szennyezve a zagytéri vizeket (Ritsey 1979). A harmadik fázis elkerülése bizonyos adalékanyagok felhasználásával csökkenthető.

2.5. ábra - Az oldott urán híg zagyból való kinyerésének elvi folyamata

2.5 ábra Az oldott urán híg zagyból való kinyerésének elvi folyamata


Anioncserélővel való uránkinyerés, majd az anioncserélő gyantáról való deszorpció (elúció) mechanizmusa:

Szulfátos közegben:  Szorpció

(2.7)

2.7. egyenlet -


Elúció

(2.8)

2.8. egyenlet -


Karbonátos közegben:  Szorpció

(2.9)

2.9. egyenlet -


Elúció

(2.10)

2.10. egyenlet -


ahol: R-Cl klorid formájú anioncserélő.

Az anioncserélő gyanták kapacitása általában 1,5 g-ekvivalens/l, amelynek természetesen csak egy részét kötik le az urán-komplexek. Ezért a szorpcióról távozó telített ioncserélő gyanta kapacitása uránra csak 50-80 gU/l (egyébként ennek többszörösét érné el). Műveletileg a folyamatot rendszerint sorba kötött oszlopokkal végzik, amelyekben ellenáramban mozog a szorpcióra kerülő oldat (vagy híg zagy) és a gyanta.

A savas technológiai folyamatból az anioncserélő gyantán megkötött uránt általában savas kémhatású klorid vagy nitrát (30-40 g/l), esetleg kénsav tartalmú oldatokkal eluálják, azaz viszik ismét vizes oldatba. Alkalikus feldolgozásból származó gyantát nátrium-karbonátot (5 g/l) tartalmazó nátrium-kloriddal (70-80 g/l) vagy nátrium-nitráttal eluálják.

Műszakilag az ioncserélő folyamatot álló ágyas vagy u.n. mozgó ágyas rendszerekben valósíthatják meg, ellenáramban mozgatva az oldatot és az ioncserélőt. De megvalósítható kevert tartályokban is, amelyeket sorba kapcsolva biztosítják a megfelelő anyagátviteli lépcsőszámot. Igen gyakran az u.n. "Gyanta a zagyban" módszert alkalmazzák, amikor is levegővel vagy mechanikus keverővel kevertetett reaktorba adagolják az oldott uránt tartalmazó híg zagyot és az ioncserélő gyantát. A zagy:gyanta arány általában 3:1-4:1. Az ioncserélő gyanta felhasználása nagy mértékben függ a oldat vagy zagy koptató homokszemcsék mennyiségétől. A fajlagos ioncserélő gyanta-felhasználás 50-100 g/t.

A zagyból való ioncserés uránkinyerés legfontosabb műveleti egységeit a 2.5. ábrán mutatjuk be. A feltárási zagyból a szilárd anyag durvább részét (+0,1 mm-es frakció, homok) csigás osztályozókon elválasztják az iszapot tartalmazó folyékony fázistól (híg zagytól) a kiválasztott homok ellenáramú mosásával egybekötve. A csigás osztályozókról távozó fejzagyot, amelynek szilárdanyag tartalma kb. 250-300 g/l, a szorpcióra irányítják, ez tartalmazza a kioldódott urán több mint 99%-át. A szorpciót levegővel kevertetett tartályokban (60-100 m3), pachukákban végzik anioncserélő gyantával, a zagy és a gyanta ellenáramban mozog a szorpciós tartályok között. A szorpciós rendszerből távozó, uránnal telített gyantát az elúciós oszlopokba juttatják és kloridot vagy nitrátot tartalmazó savas oldattal az uránt deszorbeálják, azaz ismét oldatba viszik. Az eluált gyanta visszajut a szorpcióra.

Ha a feltárási oldat szilárdanyag tartalma elhanyagolható (pl. ha az oldatot szűréssel választották el a feltárási maradéktól), akkor anion cserélő gyanta helyett előnyösebb lehet anion-típusú extraháló szerek felhasználása az urán oldatból való kivonására. Az extrakciót az ioncseréhez hasonlóan ellenáramú rendszerekben, mixer-settler (keverő-ülepítő) egységekben végzik.

2.2.1.5 Meddőzagy kezelés

Savas feltárás.  A szorpcióról távozó meddőzagy vagy az extrakcióról távozó meddő oldat általában 2-10 g/l szabad kénsavat tartalmaz.

A spirális osztályozókról távozó mosott meddő homokot ismét egyesítik a szorpciós uránkinyerésről távozó szorpciós meddőzaggyal vagy az extrakció után visszamaradt meddő oldattal és egyéb folyékony hulladékokkal, majd semlegesítik. (Megjegyezzük, hogy korábbi években a meddőzagyot néhány üzemben –amelyek lakott területtől távoli területeken létesültek, semlegesítés nélkül helyezték el, a megjelent publikációk szerint elsősorban az USA-ban és Ausztráliában). A semlegesítés célja elsősorban a felszínalatti vizek védelme azoktól az anyagoktól, amelyek az ércfeldolgozás során a folyékony fázisba kerülnek. A semlegesítés során leválik a szorpció vagy extrakció után még visszamarad urán, csökken az oldott anyag tartalom egy sor fémhidroxid leválása miatt, ugyancsak leválik a nehézfémek nagy része is. A meddő oldatok rádium koncentrációját a semlegesítés csak kisebb mértékben csökkenti, a meddő radioaktivitására lényegében nincs hatással. A semlegesítés egy lépésben és két lépésben végezhető: a két lépésben való semlegesítés célja a költségcsökkentés, mivel ebben az esetben a szabad kénsavat, a Fe(III) ionokat mészkő-őrleménnyel semlegesítik, illetve választják le (pH~3-3.5). A második fokozatban mésztejet kell alkalmazni, mivel a szennyező ionok egy része, csak pH>9 válik le, tehát a mészkőzagyos semlegesítés ezekre az ionokra hatástalan. Az egy lépésben való semlegesítés esetén a szabad savat is és a vas(III)-at is mésztejjel semlegesítik, illetve választják le. Fontos megjegyezni, hogy a mésztejes kezelést, semlegesítést pH>10 értékig kell elvégezni ahhoz, hogy a feltárási oldatokba került magnézium is leváljon. Ez a felszínalatti víz minőségvédelme érdekében különösen akkor nagyon fontos, amikor a meddőzagyot nem megfelelő mértékben szigetelt zagytereken helyezik el (pl. MECSEK-ÖKO Zrt).

A semlegesítés során lejátszódó kémiai rekciók (2.11-2.14):

  • (2.11)

    2.11. egyenlet -


  • (2.12)

    2.12. egyenlet -


  • (2.13)

    2.13. egyenlet -


    ahol: Me- Mn, Mg, Fe(II), (Cu, Ni, Zn)

  • (2.14)

    2.14. egyenlet -


Az urán (és néhány nehézfém) azonban coprecipitáció révén részben a Fe(III)-mal is leválik a meddő oldatokból, ezért a meddőzagy pH~7-8 értéknél is lecsökken az oldott urán koncentrációja 0,1 mg/l alá. A két lépésben való meddőzagy semlegesítés folyamatábráját a 2.6 ábrán láthatjuk. A savas feltárási sémákból származó meddőzagyok (meddőoldatok) semlegesítésével csökken a zagytereken elhelyezett oldatok oldott anyag tartalma és urántartalma.

2.6. ábra - A meddőzagy kétfokozatú semlegesítése

2.6 ábra A meddőzagy kétfokozatú semlegesítése


Alkalikus feltárás.  Az alkalikus feltárásból származó oldatfázis fő komponensei: Na2CO3, NaHCO3 és a pirit oxidációjából képződő kénsav semlegesítéséből eredő Na2SO4. Az oldatok összetétele miatt egyszerű semlegesítéssel lényegében nem érhető el az oldatok tisztítása, ezért arra törekednek, hogy a meddő oldatokban minél kisebb koncentrációban maradjon vissza urán. Mivel a szódás feltárás során a feltárási oldatok gyakran tartalmaznak molibdént, ezért a meddő oldatok kezelése a molibdén kinyerésére irányult (Lodeve, Franciaország). Amennyiben a zagytározóról a többletvizet ki kell bocsátani, akkor a kibocsátásra kerülő oldatokat nátrium-szulfáttól tisztítják, közben megtörténik az oldatok urántól és rádiumtól való tisztítása is (Dolny Rozsinka, Csehország).

2.2.1.6 Uránkoncentrátum leválasztása

Akár ioncserélő gyantával, akár extrakciós eljárással történik az urán kivonása a feltárási oldatokból, a folyamatok végén az elútumban vagy a reextraktumban az urán koncentrációja 10-20 g/l között van. Az elútumokból az uránt két semlegesítő lépésben választják le: első lépésben 3-3,5 pH-értéknél leválasztják a vas(III) és egyéb a szennyezők nagy részét CaO-dal, majd a második lépésben az uránt megfelelő lúgos kémhatású reagensekkel (ammónia, magnézium-oxid, mésztej, nátrium-hidroxid) vagy hidrogén-peroxiddal:

  • (2.15)

    2.15. egyenlet -


  • (2.16)

    2.16. egyenlet -


  • (2.17)

    2.17. egyenlet -


Alkalikus (szódás) elútumokból vagy feltárási oldatokból az urán nátrium-hidroxiddal választható le:

  • (2.18)

    2.18. egyenlet -


A koncentrátum víztelenítése történhet centrifugákkal vagy szűrőkkel.

2.2.1.7 Az uránkoncentrátum szárítása, izzítása

A víztelenített uránkoncentrátum szárításra vagy izzításra kerül. A szárítást urán-peroxid esetében 150-200 °C-nál végzik, ammónium-diuranát esetében 120-400 °C-nál. Magyarországon a kalcium-diuranátot 500-550 °C-on szárították.

Az izzítást sokszor az illékony szennyezők eltávolítása végett is végzik (pl. nátrium-klorid tartalom csökkentése). További cél lehet a koncentrátum stabil és nagy sűrűségű U3O8-dá történő átalakítása (különösen hosszabb szállítás esetén, kisebb térfogatban szállítható nagyobb tömegű urán).

Ezek a műveletek környezetvédelmi szempontból nagy körültekintést igényelnek, mivel a szárító-izzító egységekből urán távozhat a légtérbe. A környezetszennyezés megakadályozására nagyon hatékony légtisztító rendszert kell üzemeltetni az uránkoncentrátum-szárító üzemrészekben.

2.2.1.8 Zagytározás

A meddőzagy tárolására az első években nem fordítottak különösebb figyelmet: a zagyot kinyomatták a legközelebbi topográfilag legmegfelelőbb helyre, völgybe. Külszíni bányagödörbe való elhelyezés igen gyakori volt, különösen akkor, ha az adott bányagödör éppen uránérc bányászat eredményeként jött létre.

Ez az elhelyezés biztonságos, ha a bányagödör szigeteléssel is rendelkezik (kanadai, francia, német) gyakorlat. Néhány földalatti bánya tömedékelésénél is felhasználták(ják) a homokot tartalmazó frakciót.

A felszínalatti vízszennyezéssel összefüggő problémák miatt napjainkban kiemelt figyelmet fordítanak a hidrometallurgiai üzemekből távozó meddőzagyok elhelyezésére.

Zagyterek kialakítása, üzemeltetése.  A zagyterek kialakítása rendkívül alapos műszaki és biztonság-elemzési munka elvégzését igényli. Egy sor gátszakadási tragikus eset, amely az utóbbi évtizedekben a világban bekövetkezett, bizonyítja a meddőtározók szerepét az ércfeldolgozási folyamat egészének biztonsága tekintetében. A nagy vízhangot kapott balesetek ugyan nem uránipari zagytározókkal következtek be, szerencsére. Uránérc feldolgozási maradékainak elhelyezésére, végleges tárolására szolgáló zagytározók baleset esetén lényegesen nagyobb környezeti katasztrófát jelentenének, mint akár a színes fémipari flotációs meddőzagyok akár a vörös iszap zagytározói. Ez a meddők radioaktivitásából adódik: a zagytározókra kikerült meddő az eredetileg feldolgozott érc radioaktivitásának 80-85%-t tartalmazza, így eseteges szétterülése mezőgazdasági területen lényegében elképzelhetetlen hosszú időre lehetetlenné tenné e terület mezőgazdasági művelését.

A zagyterek üzemeltetésének különböző módjait részletesen taglalják az irodalomban (Robertson et al. 1987,TAILSAFE 2002). Ezek alapján a gyakorlatban négy módszer terjedt el az uránbányászatban:

  • Víz alatti meddő elhelyezés;

  • Felszíni elhelyezés zagy formájában;

  • Fél-száraz meddő elhelyezési módszernek;

  • Száraz meddő elhelyezés (Pasztaszerű meddő elhelyezés).

Víz alatti elhelyezés.  Kanadában gyakran alkalmazzák a víz alatti elhelyezést. A meddőt 40% körüli szilárdanyag tartalommal nyomatják ki a közeli tó víztükrébe. A víz alatti meddő elhelyezés különösen a piritet is tartalmazó meddők esetében előnyös, ilyen zagytárolási móddal megakadályozható a pirit oxidációja minden következményével együtt. A meddőzagyot ilyen elhelyezés esetén a zagyot a vízfelszínén úszó bárkán keresztül juttatják a tározóba. Ez lehetőséget ad a meddő egyenletesen elterítésére bárka helyzetének változtatásával. A bárkát a partról kötélen vontatják egyik helyről a másikra. Mivel a meddő szegregálódása minimális az így kialakított meddőréteg vízáteresztő képessége is alacsonyabb a más zagyelhelyezési módokkal kapott struktúrák vízáteresztő képességénél. Kanadában gyakori, hogy létező tavakba helyeznek el meddőzagyot, de a módszer alkalmazható mesterségesen épült gátak között kialakított tározók esetében is.

Meddőelhelyezés híg zagy formájában.  Ebben az esetben a zagytér felületének nagy része ugyan vízzel fedett, azonban jelentős része, a gáttest közeli részen félig-meddig száraz állapotban van. A zagyot ilyen módszernél a zagytér körül kialakított körvezetékből juttatják a zagytérre, időről-időre a körvezeték más-más helyéről történik. A zagytér ilyen esetben a kitáplálási ponttól befelé alakul ki a felszín, a durvább rész a gáttesthez közeli részen, a finomabb pedig távolabb ülepedik ki a zagyból. Ilyen zagytér-felület széleróziója jelentős lehet. A szivárgás mértéke jelentős lehet, ha a zagytér szigetelése hiányos. Gátstabilitás szempontjából a magas víztartalom előnytelen, mivel hozzájárulhat a gát sérüléséhez, ami katasztrófához is vezethet. A zagytérre nyomatott zagy szilárdanyag tartalma 40% alatt van.

2.7. ábra - A meddő zagy formájában való elhelyezése a zagytéren (Magyarország, MECSEK-ÖKO Zrt I. zagytározó. 1993,.szabad víz a központi részen, homokos parti rész a gát-közeli részen, az iszap döntő része a víz alatti iszapmagban)

2.7 ábra A meddő zagy formájában való elhelyezése a zagytéren (Magyarország, MECSEK-ÖKO Zrt I. zagytározó. 1993, szabad víz a központi részen, homokos parti rész a gát-közeli részen, az iszap döntő része a víz alatti iszapmagban)


Fél-száraz meddő-elhelyezési módszer.  Fél-száraz módszernek tekintik azt a módszert, amikor a meddőt rétegesen helyezik el, (50-150 mm) nem folyamatosan, hanem szakaszosan helyezik ki sűrített zagy formában. A következő réteg építése csak akkor kezdődik, amikor az előző meddőréted már megszikkadt. Ezt a módszert nagyon gyakran alkalmazzák jelenleg is. A meddő kisebb mértékben ugyancsak szegregálódik.

Száraz meddő-elhelyezési módszer (Pasztaszerű meddő-elhelyezés).  E módszer esetében a kihelyezett meddő nem tekinthető zagynak, mivel víztartalma túl alacsony. A víztelenítés függ az eredeti zagy tulajdonságaitól és a használt víztelenítő berendezéstől.

A száraz meddőt vagy légszárítással készítik elő, vagy külön berendezésben magában a hidrómetallurgiai üzemben végzik a mechanikai víztelenítést. A “száraznak” tekintett meddő víztartalma maximum 20%. Az ilyen meddő szállítása természetesen nehezebb, mint a zagyformájúé. Néhány uránüzemben szalagszűrőket alkalmaznak, a szállítás megkönnyítése végett ezt az anyagot kisé felzagyolják és így végeredményben fél-száraz állapotban juttatják szivattyúk segítségével a zagytározókba. Az egykori szlovén üzemben (Zirovski vrh) szalagszűrőn történt a meddő víztelenítése és a zagytérre a szállítást gépkocsikkal végezték. Franciaországban a Bessine-i üzemben a szalagszűrőn víztelenített meddőt szállítószalagokon juttatták az ideiglenes tározó tére, ahonnan vasúton szállították a végleges meddőtározóba az 5 km-re lévő külszíni bányagödörbe. Indiában a meddőzagy durva részét (a semlegesített meddőzagy hidrociklonozásának aljzagyát) bányatömedékelésre használták (OECD-IAEA 1999), míg a hidrociklon fejzagyát a külszíni zagytározóban helyezték el. Svédországban a meddőzagy durvább szemcseméretű részét (80%>0.8 mm) 17% víztartalommal a tározó helyre szállították gépkocsikkal, majd rétegekben tömörítették.

2.2.2 Halmos (perkolációs) uránérc kilúgzás

Halmos kilúgzás alatt azt az uránkinyerési folyamatot értik, amelynél a bányából kikerülő ércet közvetlenül, vagy megfelelő méretre való törés után, oldatgyűjtő rendszerrel ellátott medencékben prizmák vagy halmok formájában helyezik el és azokon az uránásvánnyal reagáló oldatot cirkuláltatnak. A lúgzó oldatot a halmok tetejére juttatják, ahonnan az oldat az kőzeten átszivárogva az oldatgyűjtő térben gyűlik össze, miközben az érc urán tartalmának egy részét kioldja. Ezután az uránt az urántartalmú oldatból rendszerint anioncserélő gyantával vonják ki, majd az uránmentesített oldat - esetleg reagens hozzáadása után - visszakerül ismét a prizma tetejére.

A halmos kilúgzás szinonimájaként gyakran használják a perkoláció kifejezést is, bár az irodalomban a perkoláció alatt általában nagyméretű tartályokban elhelyezett érctöreten való oldat-átszivárogtatást értik. Az angol nyelvű irodalomban heap leacing-nek nevezik ezt az ércfeldolgozási módot.

A perkolációs kilúgzás a hidrometallurgia egyik legrégebbi eljárása, eredetileg rézércek feldolgozására fejlesztették ki. Az urániparban elsőként Portugáliában alkalmazták ezt a módszert az 50-es évek elején, azonban magyar kutatók is beszámoltak perkolációs uránkinyerési kísérletekről már 1958-ban. A legkorábbi perkolációs uránérc feldolgozásra Portugáliában került sor az 1950-es évek elején (Cameron 1980). Ugyancsak az 50-es években végzett kutatások alapján dolgozták ki a Mecseki Ércbányászati Vállalatnál is a perkolációs kilúgzási eljárást az alacsony minőségű ércek feldolgozására. Egyes országok (pl. Argentína) kizárólag ezt a módszert alkalmazták uránkinyerésre.

Kilúgzó ágensként leggyakrabban kénsavat használnak, de esetenként, pl. a magyar urániparban - gazdaságossági megfontolásokból - szódát használtak.

E kilúgzási folyamatokban jelentős szerepe lehet a mikrobiológiai folyamatoknak is (különösen szulfidos ércek esetében), amelyek hatásmechanizmusával számos tudományos munka foglalkozik.

A perkolációs módszert ugyan alacsony minőségű ércek hasznosítására fejlesztették ki, azonban alkalmazásának környezetvédelmi szerepe is van, mivel segítségével feldolgoztak olyan radiometrikus dúsítási meddőket is, amelyek urántartalma egyébként közvetlenül a környezetbe jutott volna.

2.8. ábra - A perkolációs ércfeldolgozás általános sémája (Hutchison, Ellison után, 1992)

2.8 ábra A perkolációs ércfeldolgozás általános sémája (Hutchison, Ellison után, 1992)


A perkolációs eljárás elvi sémája a 2.8 ábrán látható. Argentinai perkolációs üzem látható a 2.9 ábrán.

2.9. ábra - Perkolációs dombok Argentínában (San Rafael). Az érc töreten kénsavas oldatot perkoláltatnak kb. egy éven keresztül, majd vízzel mossák a kimosott meddőt, végleges tároló helyre szállítják, a medencébe új érctöret kerül. A felvételen a koncentrátum üzemrész is látható

2.9 ábra Perkolációs dombok Argentínában (San Rafael). Az érc töreten kénsavas oldatot perkoláltatnak kb. egy éven keresztül, majd vízzel mossák a kimosott meddőt, végleges tároló helyre szállítják, a medencébe új érctöret kerül. A felvételen a koncentrátum üzemrész is látható


A módszer abban áll, hogy előre elkészített szigetelt és a szivárgó oldatok összegyűjtésére alkalmas drenázzsal ellátott területre elhelyezik az urántartalmú töretet, 5-10 m magas halmokat alakítva ki. A halmok tetejére ezután kénsavat (15-50 g/l) vagy szódát (20-25 g/l) tartalmazó oldatot nyomatnak, amely átszivárog a töreten és fokozatosan kioldja az uránt. Az urántartalmú oldat a drenázsba kerül és onnan a szorpciós uránkinyerő oszlopokra jut. Az uránmentesített oldatot ezután visszanyomatják a perkolációs dombokra, szükség esetén a reagens koncentrációt korrigálják.

Az uránnal telített gyantát az előző fejezetben már leírtak szerint eluálják és az elútumot uránkoncentrátummá dolgozzák fel.

Technikailag a perkolációt alapvetően kétféle módon lehet megvalósítani:

  • A kilúgzó medencék ismételt felhasználásával; ebben az esetben a töretet elhelyezik a szigetelt műveleti medencébe, ahol megtörténik a töret kilúgzása, majd vízzel való átmosása, ezt követően pedig (kb. 18 hónap múlva) a végleges tároló térre való átszállítása (pl. Argentína, 2.9 ábra).

  • Folyamatosan bővülő perkolációs terület kialakításával, amelynél a kilúgzott töret helyben marad a rekultivációig. Ilyen esetben időről-időre szükség szerint újabb tereket hoznak létre, amelyek egymáshoz kapcsolódnak (pl. Magyarország). A medencék kialakításának folyamata a 2.10. ábrán, a perkolációs dombok elhelyezkedése a 2.11 ábrán látható. Folyamatosan bővülő perkolációs tér módszernél tehát minden medence csak az eredetileg elhelyezett érc feldolgozására szolgál és minden újabb ércporció számára új medencét képeznek ki. Magyarországon ezt a perkolációs feldolgozási módszert alkalmazták.

A perkolációs ércfeldolgozás várhatóan a jövőben egyre nagyobb szerephez jut, mivel egyrészt nagy tapasztalatok gyűltek össze a rézércek és az aranyércek perkolációs feldolgozása során, továbbá mert gyakran találhatók olyan készletek, amelyre klasszikus üzemet építeni nem lenne gazdaságos. Ugyanakkor azonban a viszonylag kis költséggel létesíthető perkolációs ércfeldolgozás már kifizetődő lehet.

2.2.3 Földalatti, in-situ uránkioldás

A fentiekben tárgyalt urántermelési módszerek jellemzője, hogy a felszínre hozott, kibányászott aprított vagy őrölt kőzetből történik az urán kivonása. Ez a termelési mód természetesen óriási tömegű bányameddő és kémiai ércfeldolgozási meddő képződésével jár, amelynek hosszú távú környezetvédelmi következményei nem elhanyagolhatóak. Az 1960-as évek végén merült fel, hogy a hagyományos uránbányászat helyett nem alkalmazható-e un. fúrólyukas perkoláció (angol nevén in-situ leaching, ISL, solution mining, leach mining). Ennek során az uránt közvetlenül a lelőhelyen lévő kőzetből oldják ki megfelelő reagenst tartalmazó oldat fúrólyukon keresztül a hordozó kőzetbe való juttatásával. Ugyancsak fúrólyukon keresztül a felszínre hozzák az urántartalmú oldatot, amelyből az uránt a szokásos módon kinyerik. Ilyen megoldás megvalósítása egy sor előnnyel jár, mind közvetlen gazdasági, mind környezetvédelmi szempontból.

2.10. ábra - Perkolációs medencék kialakítása

2.10 ábra Perkolációs medencék kialakítása


2.11. ábra - Perkolációs prizmák összefüggő elhelyezkedése (Perkoláció-II)

2.11 ábra Perkolációs prizmák összefüggő elhelyezkedése (Perkoláció-II)


A kilúgzó reagensek természetesen azonosak a klasszikus ércfeltárásnál alkalmazott reagensekkel (kénsavas oldat, nátrium-karbonát, oxidálószerként oxigén, hidrogén-peroxid). A módszert igen gyorsan kezdték alkalmazni, gyakran az adott terület vízföldtani tulajdonságainak kellő ismerete nélkül is. Ennek következményeként több esetben (pl. Csehország) rendkívüli mértékben elszennyeződött rétegvizek alakultak ki. Napjainkban természetesen a fúrólyukas perkoláció alkalmazását igen alapos geológiai-vízföldtani vizsgálatok előzik meg.

Az fúrólyukas perkoláció alkalmazásának több kritériuma is van: egyrészt nyilvánvalóan csak megfelelő porozitású kőzetekből való uránkinyerésre használható, másrészt a kőzet jól szigetelt képződmények között kell, hogy helyezkedjen el. Ellenkező esetben vagy nagyfokú szennyeződés alakulhat ki a talajvízben vagy igen nagy mennyiségű plusz vizet kell kiszivattyúzni megfelelő depressziós tölcsér fenntartása végett.

Mindazonáltal jelenleg az urántermelés 35-40%-a származik ISL területekről, Ausztrália, Kazahsztán, Üzbegisztán, USA, Kanada, Oroszország termel ilyen módszerrel uránt. Reagensként kénsavat vagy nátrium-karbonátot és oxidálószert alkalmaznak, de esetenként egyszerű szódavizes (CO2-vel telített víz) kioldásról is van információ (nagyon oxidált száraz területeken). Európában a legnagyobb kiterjedésű ISL terület Csehországban (Hamr) található, ahol 4,9 millió t kénsavat juttattak a földalatti uránérc tartalmú kőzetbe. A területen jelenleg is jelentős mennyiségű kénsavat tartalmaz az érces kőzet, a terület rekultivációja folyamatban van (OECD-IAEA 2002a).

Természetesen el kell oszlatni egy gyakori tévhitet: ez a módszer is reagenseket igényel és ugyancsak kell számolni hulladék képződésével is. E hulladékok pl. az Ausztrál Honeymoon projekt esetén nem jelentenek különösebb gondot, mivel az érctestben található pórus víz oldott anyag tartalma eleve 18-20 g/l, tehát ilyen közegbe a szennyezett hulladékoldat különösebb környezeti probléma nélkül visszasajtolható. Ha azonban az adott víztartó rétegből ivóvizet vagy mezőgazdasági célra is felhasználásra kerülő vizet termelnek ki, a termelés befejező fázisában nagyon körültekintő vízminőség-helyreállító munkát kell végezni (Smith-Range Project, Wayoming) a talajréteg vizes átmosásával. A módszer előnye többek között az, hogy művelésbe vonhatók a bányászati módszerekkel való feldolgozásra gazdaságtalan érckészletek is.

Magyarországon nem volt földalatti perkoláció: egy kísérleti területet ugyan létesítettek Dinnyeberki környékén. Azonban a hordozó kőzet agyagos volta miatt az uránkioldás rendkívül lassú volt. Ezért a területet alkalmatlannak találták ipari művelésre.

2.12. ábra - Fúrólyukas perkoláció elvi sémája

2.12 ábra Fúrólyukas perkoláció elvi sémája




[1] Innen ered az angol mill elnevezés is. Az uránüzemeket az angol szakirodalom gyakran csak mill-nek nevezik).