5. Бақылау сұрақтары

1	Шаймалау үрдісін анықтау
2	Шаймалау үрдісінің кинетикасы
3	Уран кендерін қысым астында қышқылды шаймалау
4	Уранды кенді карбонаттық шаймалау
5	Қышқылдық шаймалау
6	Жерастыны шаймалау
7	Бактериялық шаймалау
8	Уран кендерін шаймалау техникасындағы қазіргі заманғы беталысы (бетбағыты)

6 Урандық ерітінділерді қайта өндеудің собциялық әдістері

6.1 Ион алмасу сорбциясының физика-химиялық негіздері

Уранды бөліп алудың сорбциялық әдістері, ион алмасу шайырларының - иониттердің қолданылуымен жүргізілетін ион алмасу үрдістеріне негізделген. Иониттер - суда, қышқылдық сілтілік, тұзды, сонымен қатар органикалық орталарда мүлдем дерлік ерімейтін, ион алмасуға кабілетті, қатты, табиғи немесе жасанды материалдар. Олардың көмегімен ерітінділерден әртүрлі катиондар мен аниондарды бөліп алуға болады. Соңғы 20-25 жылдарда, ион алмасу үрдістері, олардың уран технологиясында кең қолданылуына байланысты гидрометаллургияда маңызды роль атқара бастады.

Иондық алмасу тұнбалық үрдістерден мынадай сипаттамалары: мысалы, үрдісте қосалқы өнімдердің болмауы, қымбат реагенттердің шығынының жоқтығы және олардың өздеріне тән жоғары бөліп алғыштығы, бөлудің таза орындалуы, осы үрдістерді рН өзгертулерімен, тотығу-тотықсыздану шарттарымен жүйелеп отырудың мүмкіндігі, комплекс түзілуі, аппаратуралық қондырғылардың қарапайымдылығы және жинақылығы, автоматтауды колдана отырып үрдісті үздіксіз шарттарда жүргізудің мүмкіндігі арқылы ерекшелінеді.

Уран технологиясында, төртіншілік аммонийлік негізді аниониттер функционалдық топ ретінде кең қолданылады:

мұндағы R₁, R₂, R₃, және R₄ - органикалық немесе күрделі радикалдар.

Амберлит IRA-400 және Дауэкс - 1 типті шет елдік аниониттердің, сонымен қатар Одақтық АВ-17, AM, АМП және т.б. аниониттерді стиролды дивинилбензолмен қосалқы полимерлеу арқылы алады.

Бұл жерде, «неліктен уран технологиясы үшін аниониттердін маңызы бар?» деген сұрақ туады. Егер, уранға тән уранилдің комплекстік аниондарын, яғни күкірт қышқылдық ортадағы -[UО₂(S0₄)₂]^4- және карбонаттық ортадағы - [UC₂(CО₃)₃]^4- еске алатын болсақ, бұл өздігінен түсінікті болады.

Аниониттердің көмегімен, мысалы уранды, құрамында көп мөлшерде темір, магний, кальций, марганец қоспалары бар ерітінділерден сұрыптап бөліп алуға болады.

Әдетге иониттерді, 0,3-тен 2 мм-ге дейінгі өлшемді түйіршіктер түрінде немесе уатып қолданады. Олар, жоғарыда айтылып кеткендей, ерігіш емес және химиялык тұрақты, алайда оларды суға немесе сулы ерітінділерге салғанда «ісінеді» және көлемдері екі еседен де көп ұлғаяды. Бұл «ісінудің» себебі гидратациямен және соған байланысты иониттердің кеңістіктік торларының кеңеюімен түсіндіріледі.

6.2 Уран технологиясындағы ион алмасы шайырларына қойылатын талаптар

Ион алмасу шайырларыне қойылатын негізгі талаптарды былай тұжырымдауға болады:

1) суда және сулы ерітінділерде толық ерімеушілік, яғни шайыр ұзақ уақыт жарамды болуы керек;

2) қышқыл және сілті ерітінділерінде, сонымен катар әртүрлі тұздардың ерітінділерінде химиялық өте тұрақты болу;

3) шайырдың ион алмасулық сыйымдылығы жоғары болу керек, яғни бұл оның іс жүзіндегі құндылығын сипаттайтын шама;

4) кендік коймалжынның абразивтік әсер шарттарында жоғары физикалық-механикалық төзімділігі.

Алғашқы екі талап, полимерлеу және конденсациялау кезінде шайырдың молекулалық құрылысымен біртұтас торға біріктіру арқылы қамтамасыз етіледі. Бұл үшін, неғұрлым кең тараған стирол мен дивинилбензолдын инертті сополимері қолданылады. Ион алмасулық сыйымдылық шайырлардың табиғатына, оның функционалдық тобының мөлшері мен қасиетіне, сонымен қатар оны қолдану шарттарына да байланысты. Ион алмасу сыйымдылығы толық динамикалық және жұмыстық сыйымдылық болып бөлінеді. Толық сыйымдылык шайырдың барлық мүмкін функционалдық топтарының толығуына сәйкес болады. Ол ерітіндінің табиғатына, ортаның рН-на, сорбция шарттарына байланысты емес, бірақ тепе-теңдік жағдайының орнауын талап етеді. Динамикалық сыйымдылық, сорбцияланатын иондардың «өтіп кетуге» дейінгі мөлшерімен сипатталады және ол сорбция шарттарына тәуелді болады. Мысалы ерітіндіні өткізу жылдамдығына және т.б. Жұмыстық сыйымдылық динамикалық сыйымдылыққа ұксас, бірақ одан айырмашылығы - «өтіп кетуге» дейін ионитте сінірілген сорбцияланған иондар мөлшеріне емес, сорбциялайтын иондардан шығатын және кіретін ерітінділердің концентрациясының теңесуіне дейінгі мөлшеріне сәйкес. Ион алмасулық сыйымдылыктарды 1 кг құрғақ шайырда сорбцияланған иондардың грамм - эквивалентімен өрнектейді немесе 1 л «ісінген» шайырда сорбцияланған иондардың грамм эквивалентімен, кейде 1 г кұрғақ шайырда сорбцияланған иондардың миллиграмымен сипаттайды. Мысалы, Амберлит IRA-400 анионитінін, Cl^- бойынша алмасулық сыйымдылығы 3 мг-экв/г құрғақ шайырды немесе 2 г-экв/л «ісінген» шайырды құрайды.

Иониттердің динамикалық және жұмыстық сыйымдылықтары көп шарттарға байланысты: ион алмасу константаларына, алмасатын иондардың концентрациясына және сипаттамасына, сүзу жылдамдығына, шайырлар түйіршіктерінің өлшемдеріне, ерітіндінің рН-на және т.б.

Нашар шайырларды қолданған кезде бұндай құбылыс байқалмайды. Бірінші жағдайда шайыр сыйымдылығы жақсы пайдаланылады, өйткені «өтіп кету» кезінде шайыр толығымен қанығады.

6.1- сурет. Ион алмасу шайырларындағы уран сорбциясының қисықтары

Әртүрлі иондар бір-бірінен иониттерге ұқсастығымен ерекшелінеді, және де ол ион алмасу шайырларының әсерінен сұрыптылығын анықтайды. Ұқсастық иондар зарядына, олардың гидрадталған жағдайдағы өлшемдеріне байланысты болады. Мысалы, катиондардың катиониттерге ұқсастығы тотығу дәрежесінің өсуіне байланысты ұлғаяды. Катиондардың (8-10% дивинилбензолға дейін) әлсіз құрылған көп функционалды сульфокатиониттерге ұқсастығы гидратталған иондардың мынадай катарының радиустарының өсуіне байланысты ұлғайып отырады:

Li+ < Н⁺ < Na₄⁺ < NH; < Sr⁺ < Ва^:+ < Sc³⁺ < I³⁺ < Lu³⁺ -CI³⁺ < La⁺ <Fe³⁺ <UO₂²⁺ <U⁴⁺ <ТҺ⁴⁺.

Алайда, сульфокатиониттердегі «түзгіш агенттін» мөлшерінің көбеюі және ионогендік топтық (SO₃H -тан СООН-қа) табиғатының өзгеруінен біркатар ұқсастықтар туындайды. Жалпы алғанда, сульфокатиониттерге және карбоксилдік катиониттерге ион алмасулық ұқсастық - Гиббс энергиясының өзгеруі арқылы теріс зарядты иондардың белгіленген топтармен тығыз жақындасуы кезінде жартылай гидратациялануын реттеп отырады.

Ион алмасу үрдісі массалар әрекеттесу заңына бағынады және ион алмасу реакциясының тепе-теңдік константасымен сипатталады.

Шайырда төмендегідей реакциялар бойынша UO₂²⁺ және Са²⁺ сорбциясы кезінде:

2RNa + UО²₂⁺ R₂UО₂+2Na⁺

2RNa+Ca²⁺R₂Ca+2Na⁺

тепе-теңдік константалары мынаған тең болады:

К₁ =(_Na)_E² (_UО2)_шайыр/((_UО2)_E (_Na)_шайыр)

К₂ =(_Na)_E² (_Са)_шайыр/ ((_Са)_E (_Na)_шайыр)

мұнда  - Na⁺ және UO₂²⁺ иондарынын ерітінді және ионит фазаларындағы активтілігі. Константа мәні ион алмасулық ұксастықты анықтайды. Олардың салыстырмалылығы иондық алмасудың сұрыптылығын сипаттайды.

Көп жағдайларда сорбцияланған иондар иониттердің құрылыстық элементтерімен комплексті қосылыстар түзеді. Бұл комплекстер неғұрлым мықты болса, соғұрлым иониттін тиісті ионға байланысты сұрыптылығы жоғары болады. Мысалы, шайыр фазасында комплекс түзілуі - карбоксилдік және фосфор кышкылдык катиониттердін кейбір катиондарға катысты жоғары сұрыптылығын көрсетеді. Көптеген иондар хелатты типті аса берік комплекстер түзеді. Хелат түзгіш шайырлар негізінен әртүрлі металдар катиондарына жоғары талғампазды болып келеді.