PHẦN I : TỔNG QUAN

1.1.

Tæng quan vÒ urani
Năm 1789 Klaproot đã phát hiện ra uran bằng việc khử oxit tự nhiên màu

vàng bởi cacbon klaprot đã nhận được bột màu đen mà ông cho đó là một nguyên
tố, mãi đến năm 1841 thì Peligo mới xác định được nguyên tố của Klaprot là một
oxit kim loại. Peligo điều chế được Uran nguyên tố khi khử clorua của nó bằng kali
uran được coi là nguyên tố có số oxi hóa +3 và nguyên tử lượng là 120. Năm 1872
thì Mendeleep đã ghi nhận Uran có nguyên tử lượng là 240 và ông xếp nó vào
nhóm 6 của bảng hệ thống tuần hoàn. Năm 1896 Becoren đã phát hiện ra tính
phóng xạ của Uran tự nhiên. Sau khi Gan và Strassman tìm ra sự phân chia hạt
nhân của nó(235U) dưới tác dụng của các notron thì U có tầm quan trọng đặc biệt
trong số các nguyên tố hóa học. Uran là nguyên tố chủ yếu của ngành năng lượng
hạt nhân.
Uran tự nhiên có 3 đồng vị:
0,0057% và actinouran

238

U- 99,2739%, sản phẩm phân rã của nó

235

U 0,7204%. Đồng vị

234

U

238

U và 235U là những chất đầu của

họ nguyên tố phóng xạ tự nhiên của U(loại hạt nhân có khối lượng là 4n+2) và cảu
actinouran (loại hạt nhân có khối lượng 4n+3). Chu kỳ bán rã của chúng tương ứng
là 4,51 109 năm và 7,13 108 năm.
Nhờ xiclotron và lò phản ứng hạt nhân mà hiện nay người ta đã điều chế được
12 đồng vị nhân tạo của U. Một trong những đồng vị quan trọng nhất là
(T1/2=1,62 105 năm). Giống như đồng vị

233

U

235

U, nó có khả năng phản ứng phân hạch,

do đó cũng là nhiên liệu hạt nhân.
1.1.1. Tính chất lý học của urani
Uran có ánh kim giống bề ngoài của thép. Nó đa hình, pha nhiệt độ thấp α tồn
tại dưới 668oC, dẻo có mạng lưới hình thoi gồm những pha nguyên tử dạng sợi.
Trong một lớp các nguyên tử liên kết bền vững còn lực liên kết giữa những của
những lớp khác nhau thì yếu hơn, trong khi các nguyên tử trong cùng một lớp đứng
cách nhau là 2,8 Ao thì khoảng cách giữa các lớp là 3,3 A o. Điều này gây nên tính


bất đẳng hướng của U theo các trục tinh thể khác nhau. Độ rắn của U bằng 100

kg/mm2, nhưng nó thay đổi mạnh thậm chí ngay có một lượng nhỏ tạp chất. Tỷ
trọng của Uα bằng 19,05 g/cm3, có nhiệt độ nóng chảy tương đối cao 1132oC,
nhưng không bằng Cr, Mo và W. Nhiệt độ sôi của U là 3818 oC pha trục thoi dạng
ròn bền trong khoảng nhiệt độ 668- 774oC và nó có cấu trúc phức tạp chuyển thành
pha mềm có mạng lưới lập phương tâm thể.
Bán kính nguyên tử U lớn bằng 1,54Ao, U3+ là 1,03Ao; U4+ là 0,93Ao; U5+ là
0,87Ao và U6+ là 0,33Ao. Độ dẫn điện của U gần giống độ dẫn điện của sắt, dưới
1oK U thành siêu dẫn.
Urani tồn tại 3 dạng đồng hình: α - urani, β - urani, γ - urani sự chuyển đổi
các dạng đồng hình:
>6620C

>7720C

α - urani
õ - urani
γ - urani
Khối lượng nguyên tử: 238,03
Khối lượng riêng
: 19,05 g/cm3
Nhiệt độ nóng chảy : 1133 ± 20C
Nhiệt độ sôi
: 39000C
Độ dẫn điện
: 2.104 ÷ 4.104 (Ωcm)-1
Độ dẫn nhiệt
: 70.10-3 cal.cm-1.s-1.grad-1
Trong tự nhiên urani có 3 đồng vị: 92U238 (99,2739%), 92U235 (0,7204%) và
234
(0,0057%).

92U
Quá trình phân rã phóng xạ xảy ra với các bức xạ α, β và γ. Urani tạo ra
những dãy phân rã phóng xạ, khi urani phân rã phóng xạ tạo ra năng lượng lớn.
Chẳng hạn, phản ứng dây chuyền phân chia hạt nhân 92U235 giải phóng ra năng
lượng khoảng 195-200 Mev, điều này có ý nghĩa lớn trong ngành năng lượng hạt
nhân.
Cấu hình electron của urani là:
KLMN 5s25p65d105f36s26p66d17s2
Trong các hợp chất, urani có thể có các mức oxi hoá +2, +3, +4, +5 và +6. Trong
tự nhiên chỉ gặp các hợp chất, trong đó urani ở mức oxi hoá +4 và +6.

1.1.2. Tính chất hóa học của urani


Urani là nguyên tố hoạt động hóa học khá mạnh, trong dãy điện hóa nó đứng
cạnh nhôm và berili. Urani phản ứng với hầu hết các nguyên tố hóa học, trừ khí
nitơ.
Trong dung dịch nước urani đặc trưng bởi hai hóa trị, urani hóa trị (IV) và
urani hóa trị (VI), tương ứng với các ion U 4+ và UO22+. Chỉ trong một số điều kiện
đặc biệt mới thu nhận được dung dịch chứa ion U3+. Urani ở trạng thái hóa trị (V)
không bền và nó chỉ là trạng thái hóa trị chuyển tiếp của urani trong nhiều phản
ứng oxi hóa khử với sự tham gia của urani hóa trị (IV) và urani hóa trị (VI). Ion
urani hóa trị (V) UO2+ chỉ bền vững tương đối trong một khoảng pH gần tiến đến 2,
tại đó ion này phân ly với tốc độ chậm thành U 4+ và UO22+. Trong những dung dịch
axit, vận tốc phân ly của ion hóa trị (V) xảy ra rất nhanh chóng. Trạng thái bền
nhất của urani trong dung dịch là urani ở hóa trị (VI) uranyl ( UO22+).
- Phản ứng với oxi và nước
Urani bị oxi hóa trong không khí nó tạo thành các oxit UO 2 và U3O8. Urani
phản ứng mãnh liệt với nước sôi hoặc hơi nước nóng để tạo thành UO 2 và giải
phóng hydro. Khí hydro lại phản ứng với urani để tạo thành urani hydrua:

7U + 6H2O(hơi) → 3UO2 + 4UH3
Phản ứng trên buộc người ta phải có biện pháp bảo vệ, tránh các phản ứng
của urani với nước trong các lò phản ứng hạt nhân.
- Phản ứng với các phi kim, kim loại
Urani phản ứng hầu hết các phi kim, kim loại (đối với phi kim phản ứng xảy
ra ở nhiệt độ cao).
- Phản ứng với các axit
Kim loại urani phản ứng với axit tạo thành các muối ở đó urani thể hiện các
số oxi hóa +3, +4 hoặc +6.
- Phản ứng với kiềm
Các kiềm mạnh cũng không ảnh hưởng gì đến urani. Nhưng dung dịch kiềm
có chứa H2O2 hòa tan urani tạo thành các peruranat.
- Phản ứng các hợp kim của urani
Hợp kim urani cũng tham gia các phản ứng giống với urani. Tuy nhiên, các
hợp kim của urani với niobi hoặc molipden bền hơn với nước nóng.
1.1.3. Các hợp chất của urani


- Các urani oxit và uranat
Hợp chất của urani với oxi thường tồn tại ở các dạng UO, UO 2, U3O8 và
UO3. Trong số này thì UO2, U3O8 và UO3 có ý nghĩa trong công nghệ sản xuất
urani.
Triurani octaoxit chỉ hòa tan trong dung dịch đặc của các axit mạnh. Với axit
clohydric hoặc sunfuric sản phẩm thu được là hỗn hợp các muối urani hóa trị (IV)
và hóa trị (VI), trong axit nitric chỉ hình thành muối hóa trị (VI).
Urani trioxit là một oxit lưỡng tính, nó hòa tan trong axit tạo thành ion
uranyl, tác dụng với kiềm tạo thành muối uranat.
- Các urani halogenua
Urani tetraflorua UF4 là hợp chất đầu để điều chế urani kim loại. Nó có thể
được điều chế bằng nhiều cách khác nhau.

Phản ứng tương tác giữa UF4 với hơi nước:
UF4 + 2H2O
UO2 + 4HF
Ở nhiệt độ tương đối thấp khoảng 2500C UF4 bị flo hoá bởi flo đến UF6 theo
phản ứng sau:
UF4 + F2 → UF6
UF4 không tan trong các axit nguội, khi đun nóng nó tương tác với các axit
như H2SO4, H3PO4 và HNO3 đặc. UF4 tan dễ dàng trong hỗn hợp axit H 2SO4 và
H3BO3, H2SO4 chứa SiO2:
UF4 + 2H2SO4 + H3BO3 → U(SO4)2 + HBF4 + 3H2O
3UF4 + 6H2SO4 + 2SiO2 → 3U(SO4)2 + 2H2SiF6 + 4H2O
UF4 dễ tan trong các dung dịch chất oxi hoá và trong các dung dịch chất tạo
phức.
Urani hexaflorua UF6 là một hợp chất dễ bay hơi, sử dụng để tách các đồng vị
của urani ở pha khí. Điểm ba của UF 6 nằm ở nhiệt độ 64,020C và áp suất 1134
mmHg. UF6 là một trong những hợp chất hoạt động hoá học. UF 6 bị khử bởi kim
loại kiềm và kim loại kiềm thổ về urani kim loại. Với các hợp chất hữu cơ thì UF 6
là tác nhân flo hoá mạnh.
- Các muối tan của urani
Trong dung dịch urani tồn tại dưới dạng các ion đơn giản U 3+, U4+, UO2+ và
UO22+. Các ion này dễ bị thuỷ phân trong dung dịch. Tương đối bền và có ý nghĩa
công nghệ đó là các muối của ion U4+ và UO22+.
Muối của U4+ nhận được khi hoà tan các muối halogenua vào nước, tác dụng


của oxit tương ứng với axit hay khử các muối mức oxi hoá cao bằng các chất khử
và một số phương pháp khác. U4+ bền hơn U3+, nhưng cũng bị thuỷ phân mạnh:
U4+ + H2O → U(OH)3+ + H+
Trong môi trường axit sự thuỷ phân giảm đi. Các muối của U 4+ chủ yếu dùng
để sản xuất UF4 bằng phương pháp ướt hay để khử plutoni.

Có ý nghĩa công nghệ lớn nhất đó là các hợp chất của ion uranyl UO 22+ trong
hoà tách, làm giàu và tinh chế. Các hợp chất của uranyl bền trong dung dịch, có thể
bị khử chỉ với các chất khử mạnh. Hợp chất của uranyl có những tính chất đặc
trưng như dung dịch của chúng có màu xanh lục và phát huỳnh quang, bị thuỷ
phân trong dung dịch kèm theo sự hydrat hoá tạo thành những ion U 2O52+, U3O82+,
thậm chí U3O8(OH)42-..., trong dung dịch chúng phân ly hoàn toàn thành các ion, có
khả năng tạo các hợp chất phức tốt với các chất vô cơ cũng như các chất hữu cơ và
tính chất quan trọng của nó là tan tốt trong các dung môi hữu cơ. Sử dụng nhiều
các muối uranyl nitrat, sunfat và cacbonat, ít dùng hơn là các muối uranyl florua,
clorua, axetat và ocxalat.
- Các phức chất của urani
Mức độ tạo thành phức chất, hiđrat hóa, thủy phân là rất đặc trưng đối với
những ion có kích thước không lớn và những ion mang điện tích cao, chẳng hạn
như ion U4+. Theo mức độ tạo phức và mức độ thủy phân, các ion urani có thể phân
bố như dãy sau: UO2+ < U3+ < UO22+ < U4+. Trong tất cả các ion urani của dãy trên
thì ion UO22+ có khuynh hướng mạnh đối với sự tạo phức và thủy phân, mặc dù
điện tích nó chỉ bằng 2.
U(IV) tạo thành nhiều ion phức và phức chất. U(IV) tạo với một loạt các
anion axit thành những ion phức điện tích dương như UCl 3+, UBr3+, UI3+, UCl22+,
USO42+, U(SCN)22+, USCN3+.... Với các axit nó tạo thành những ion phức âm như
U(C2O4)44-, U(SO4)44-, UF84-, UF62-, UF5-, UCl62-, U(NO3)62-.... Mặc dù thể tích lớn và
điện tích nhỏ nhưng ion uranyl cho nhiều ion phức, điều đó là do các phối tử liên
kết với kim loại bằng liên kết cộng hoá trị: UO 2F+UO2F3, UO2F53-, UO2F64-,
UO2(SO4)22-, UO2(CO3)22-, UO2(CN)42-... Sự tạo phức của UO22+ với Cl-, Br- và NO3diễn ra yếu và các ion UO2(NO3)3-, UO2(NO3)42-, UO2Cl4- chỉ nhận được khi có mặt
của tác nhân đẩy như muối của axit HNO3 ở nồng độ lớn.
Trong sản xuất người ta sử dụng rộng rãi phản ứng tạo phức của ion UO 22+
với axit octophotphoric
UO22+ + nH3PO4 = UO2Hx(PO4)n2-3n+x + (3n-x)H+



Phần lớn các phức của UO22+ với các hợp chất vô cơ không màu, tan tốt trong
nước. Phức giữa UO22+ với tác nhân hữu cơ như axit tactric, xitric, malic... bền cả
ở giá trị pH cao (pH = 8 ÷ 10). Ion uranyl tạo phức màu với axit ascorbic tỉ lệ 1 : 1
ở pH < 3. UO22+ còn tham gia tạo phức với axetyl xeton, benzoyl axeton, dibenzoyl
metan
1.1.4. Ứng dụng của urani
Urani có nhiều ứng dụng quan trọng trong hầu hết các lĩnh vực như lĩnh vực
quân sự, lĩnh vực y học…, ứng dụng quan trọng nhất của urani là trong lĩnh vực
năng lượng.
Thời kì đầu tiên khi phát minh ra urani, các hợp chất của nó được dùng trong
ngành công nghiệp gốm sứ, thủy tinh để làm chất màu, được sử dụng như một chất
để thêm vào các hợp kim để làm tăng cơ tính của hợp kim.
UO3 được sử dụng như chất xúc tác đối với các phản ứng oxi hóa, phản ứng
khử của các hợp chất hữu cơ. Các muối urani cũng được ứng dụng trong ngành hóa
phân tích
Ngày nay ứng dụng quan trọng nhất của urani là làm nhiên liệu cho nhà máy
điện hạt nhân trong ngành năng lượng nguyên tử. Việc sử dụng năng lượng nguyên
tử là một yêu cầu cần thiết cho sự phát triển của loài người ở thế kỉ này. Theo ủy
ban năng lượng nguyên tử quốc tế cho biết, tính đến đầu năm 2005 trên thế giới có
tổng số 441 tổ máy điện hạt nhân tại 32 quốc gia và vùng lãnh thổ, tổng công suất
đạt 367.197 MW và cung cấp 16,1% sản lượng điện năng toàn cầu. Riêng ở Mỹ
lượng phát điện hạt nhân chiếm gần 20%, ở Châu Âu khoảng 30% nhu cầu điện
được cung cấp bởi điện hạt nhân
Song song với việc gia tăng mạnh mẽ nhu cầu năng lượng điện thì nhu cầu
cung cấp nguồn nguyên liệu urani cho sự tăng số nhà máy điện nguyên tử cũng
ngày càng lớn
Bảng 1.1. Nhu cầu urani so với sản xuất trong hai năm
Năm
Sản xuất (tấn)
Nhu cầu (tấn)

1998
34.986
56.800
2000
37.236
64.201
Ngoài ra, trên thế giới, kỹ thuật hạt nhân, bức xạ và đồng vị phóng xạ đã được
sử dụng khá rộng rãi đem lại hiệu quả kinh tế, xã hội rất lớn cho nhân loại như điều
trị ung thư, khử trùng dụng cụ y tế, gây đột biến phóng xạ, chiếu xạ thực phẩm và
rất nhiều ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng,


cơ khí, thương mại và dịch vụ.
1.2. Tình hình phát triển ngành công nghiệp urani
Công nghiệp sản xuất urani đã được tiến hành nhiều nước trên thế giới, nhất
là ở các nước công nghiệp phát triển như Mỹ, Canada, Pháp, Nga, Úc…, đã được
triển khai ở các nhà máy công nghiệp quy mô lớn và hiện đại. Công nghiệp urani
đã phát triển mạnh mẽ trong 30 năm từ những năm bắt đầu sản xuất 1950 đến năm
1981 với sản lượng hàng năm khoảng 40.000 tấn urani sản phẩm và mang lại lợi
nhuận rất lớn cho các nhà máy. Tuy nhiên sau đó do khủng hoảng kinh tế nên nhu
cầu năng lượng thế giới giảm xuống, năng lượng hạt nhân giảm mạnh. Do sự phục
hồi kinh tế nên năng lượng hạt nhân lại tăng trưởng trở lại, nhu cầu urani lại đột
ngột tăng lên
Bảng 1.2. Dự báo tổng nhu cầu urani của thế giới từ 2000 - 2050
Các trường
Tổng nhu cầu
Các giả định về phát triển kinh tế
hợp
về urani (tấn)
Trường hợp

3.390.000
Tăng trưởng kinh tế trung bình; ngừng sử
nhu cầu thấp
dụng điện nguyên tử vào năm 2100
Trường hợp
5.394.100
Tăng trưởng kinh tế trung bình; phát triển
nhu cầu trung
năng lượng nguyên tử ở mức ổn định vừa
bình
phải
Trường hợp
7.577.300
Tăng trưởng kinh tế cao; có sự phát triển
nhu cầu cao
đặc biệt đối với năng lượng hạt nhân
Như vậy với sự phát triển của năng lượng nguyên tử, nhu cầu urani trên thế
giới ngày càng tăng đòi hỏi ngành công nghiệp urani phải nâng cao hiệu quả kinh
tế đi đôi với đảm bảo môi trường.
Bảng 1.3. Dự báo về phát triển điện nguyên tử và nhu cầu nhiên liệu hạt
nhân đối với một số nước khu vực châu Á
Tên nước
Công suất phát điện (MWe)
Nhu cầu urani (tấn)
2010
2015
2010
2015
Thấp
Cao

Thấp
Cao
Thấp
Cao
Thấp
Cao
Banglade
0
0
0
300
0
0
0
50
s
Pakistan
600
600
600
2.000
92
92
92
306
Ấn Độ
4.525 5.647 5.647 5.647
618
861
861

861
Indonesia
0
0
0
1.800
0
0
0
310


Thái Lan
Malaysia
Việt Nam
Philippin
Hàn Quốc
Triều
Tiên
Nhật
Trung
Quốc
Đài Loan

0
0
0
0
23.40
0

70.50
0
15.00
0
7.480

0
0
0
0
27.70
0
950

0
0
0
0
27.70
0
950

1.000
1.000
1.000
900
27.70
0
1900


0
0
0
0
4.600

0
0
0
0
4.600

0
0
0
0
5.200

170
170
170
150
5.200

160

160

160


330

70.50
0
18.00
0
7.480

70.50
0
18.00
0
7.480

79.34
0
23.00
0
11.38
0

13.00
0
2.700

13.00
0
3.200

14.00

0
3.200

14.000

620

830

620

1.040

4.000

Bảng (1.3) đã chỉ ra nền kinh tế của các nước phát triển thì nguồn năng
lượng hạt nhân đóng vai trò rất lớn, đảm bảo an ninh năng lượng cho các quốc gia
này. Nước ta đang trong quá trình phát triển, an ninh năng lượng là vấn đề rất thiết
yếu để phát triển kinh tế. Do vậy, phát triển ngành năng lượng hạt nhân và công
nghiệp urani là con đường tất yếu để đảm bảo an ninh năng lượng phục vụ cho sự
phát triển kinh tế.
Vấn đề năng lượng hạt nhân được nước ta quan tâm từ rất sớm bằng việc
đưa vào hoạt động lò phản ứng hạt nhân ở Đà Lạt vào những năm 80 của thế kỉ 20.
Qua gần 30 năm nghiên cứu, chuẩn bị nguồn nhân lực và mọi điều kiện thiết yếu
khác để tiếp thu công nghệ sản xuất điện hạt nhân. Với hai nhà máy điện được xây
dựng ở Ninh Thuận trong thời gian tới, làm cho việc nghiên cứu khai thác urani để
đảm bảo an ninh năng lượng trong điều kiện có sự biến động mạnh về giá cả urani
trên thị trường thế giới được nước ta quan tâm rất đặc biệt. Việc nghiên cứu thành
phần của các loại quặng, lựa chọn công nghệ hòa tách phù hợp đã được rất nhiều
nước có nền công nghiệp hạt nhân phát triển đã thực hiện rất sớm, đặc biệt là

những nước có trữ lượng urani lớn. Nhiều nhà nghiên cứu nước ta đã đưa ra các
công nghệ hòa tách urani phù hợp với loại quặng nghèo của Việt Nam, vừa mang
tính kế thừa, vừa nghiên cứu tìm ra điều kiện tối ưu nhất cho việc hòa tách urani
trên quy mô công nghiệp, đạt được hiệu suất cao nhất, chi phí thấp nhất. Trên cơ sở
mang tính kế thừa đó, trong đồ án tập trung nghiên cứu quá trình hòa tách khuấy
trộn bằng axit để làm cơ sở cho quá trình hòa tách quặng urani nghèo ở nước ta,


làm cơ sở cho việc nghiên cứu và phát triển trên quy mô lớn hơn trong thời gian
tới, bước đầu khảo sát quá trình hòa tách trộn ủ đối với quặng urani nghèo.

1.3. Quặng urani và thành phần khoáng học của quặng
1.3.1. Urani trong tự nhiên và các loại khoáng vật urani
- Urani trong tự nhiên
- Uran phân bố rộng rãi trong tự nhiên xếp vị trí thứ 38, hàm lượng trung
bình của nó ở vỏ trái đất là 4 10 -4% về trọng lượng. U chủ yếu nằm trong
những lớp nham thạch phun lên chứa 1,2 10 -5 – 9,3 10-5 %. Chỉ một lượng
nhỏ U tập trung nước trong hồ chứa 2 10 -8 – 5 10-6 % U. Hàm lượng U
-

trong nước biển là 10-7 %.
U cùng quặng sơ khai nguồn gốc macma tạo thành mỏ quặng sa lắng thứ
cấp. Nó gồm hơn 100 loại khoáng quặng khác nhau những khoáng quặng
chính là những oxit Uran và muối hỗn hợp của axit vanadic, photphoric,
silixic, esemic và niobic. Những khoáng quặng sơ khai quan trọng nhất
của nó là uraninit và nhựa uran, còn khoáng quặng thứ cấp là carnotit

-

(bảng 1.4)

Bảng 1.4: Một số khoáng quặng Uran

Tên khoáng quặng
Uraninit
Nhựa uran
Carnotit
Otrennit
triuiamunnit
Samarskit
Brannnerit
Davidit
Kazolit
Uranophan
Trebernhit
Kophphinhit

Thành phần hóa học
UO2
UO2,2-UO2,67(U3O8)
K2(UO2)2(VO4)2. nH2O
Ca(UO2)2(PO4)2. nH2O
Ca(UO2)2(VO4)2. nH2O
(U,Y,Ca,Th,Fe)(Nb,Ta)2O6
(U,Y,Ca,Th)3Ti5O6
(U,Fe,Ce)
(Ti,Fe,V,Cr)3(O,OH)7
Pb(UO2)SiO4.H2O
Ca(UO2)Si2O7. 6H2O
Cu(UO2)(PO4)2. nH2O
U(SiO4)x(OH)4x


Hàm lượng U (%)
45-85
Thay đổi
5,5
45-55
50
8-16
40
7-40
57
50
-


Seinherit
Fukholit
-

Cu(UO2)(AsO4)2. 2H2O
Oxit U và cacbuahydro

50-53

Các loại khoáng vật urani chủ yếu

Hiện nay, người ta biết được khoảng hơn 160 khoáng vật urani và khoáng
vật chứa urani, trong đó hơn 100 khoáng vật có hàm lượng urani hơn 1%. Trong
khoáng vật, urani tồn tại ở 2 trạng thái hóa trị 4 và hóa trị 6. Có nhiều cách phân
loại khoáng vật urani

Theo hóa trị của urani:
+ Khoáng nguyên sinh là khoáng mà urani thường tồn tại ở trạng thái hóa trị 4.
+ Khoáng thứ sinh là khoáng mà urani thường tồn tại ở trạng thái hóa trị 6.
Theo mức độ oxi hóa urani:
+ Khoáng chưa phong hóa là loại khoáng trong đó hơn 75% urani nằm ở dạng
nội sinh chưa chịu tác động của quá trình oxi hóa, urani chủ yếu tồn tại dạng hóa
trị 4 (>75%).
+ Khoáng phong hóa là loại khoáng trong đó hơn 75% urani trong khoáng nội
sinh nằm ở trạng thái hóa trị 6.
+ Khoáng bán phong hóa là khoáng hỗn hợp của khoáng nội sinh và ngoại sinh
có hàm lượng urani mỗi loại nằm khoảng 25 - 75 %.
Theo thành phần hóa học của khoáng:
Khoáng urani được chia thành các loại: oxit, silicat, hiđro oxit urani, phot
phat, cacbonat, sunfua, hợp chất hữu cơ, molipdat,…
Khoáng quặng nguyên sinh chủ yếu là uraninite hoặc pitchblende. Ngoài ra,
người ta cũng đã phát hiện ra một số khoáng khác như carnotite (urani kali
vanadat), davidite-brannerite-absite (urani titanat), các niobat của urani và đất
hiếm.
Có rất nhiều khoáng thứ sinh của urani. Phổ biến nhất là gummite (như
limonite là hỗn hợp của các urani ôxyt thứ sinh khác và tạp chất); urani phốtphát
ngậm nước bao gồm autunite (với canxi), saleeite (mangan), torbernite (với đồng);
và urani silicat ngậm nước như coffinite, uranophane (với canxi) và sklodowskite
(với magiê)
Các khoáng nguyên sinh thường có màu đen, xám và nâu còn màu của các


khoáng thứ sinh là dãy màu vàng sáng, da cam, xanh lá cây và sự kết hợp hay xen
kẽ các màu này.
1. Uraninite
Uraninite (UO2) có cấu trúc tinh thể hình lập phương hoặc hình tám mặt, có

trọng lượng riêng từ 8 - 10,5 (sắt là 7,85), độ cứng từ 5 - 6, màu đen xám .
Uraninite là một thành phần quan trọng của gần như tất cả các loại quặng. Nó là
quặng chủ yếu của urani và radi. Người ta cũng phát hiện ra được hêli trong
khoáng uraninite. Radi và hêli có trong khoáng uraninite là do chúng là sản phẩm
của quá trình phân rã urani. Dưới tác động của khí hậu hoặc biến đổi khác,
uraninite sinh ra một số khoáng như khoáng urani phốtphát (autunite, torbernite) và
urani silicat (sklodowskite và cuprosklodowskite). Uraninite có tính phóng xạ cao
2. Pitchblende
Pitchblende là dạng thô của uraninite, không có cấu trúc tinh thể rõ ràng. Nó
là thành phần chủ yếu của gần như tất cả các loại quặng urani có hàm lượng cao và
lượng urani lớn nhất được sản xuất ra từ khoáng này trên thế giới. Pitchblende nhẹ
hơn uraninite một chút, có trọng lượng riêng 6 - 9 nhưng các tính chất khác thì đều
giống như uraninite. Pitchblende thường kết hợp với một hoặc nhiều khoáng
nguyên sinh của sắt, đồng, coban, chì, bạc và bismut. Sự có mặt của các khoáng
này trong quặng là điều kiện thích hợp để nhận biết pitchblende. Nó cũng thường
đi kèm với các khoáng chứa urani thứ sinh màu sáng khi bị phong hoá hay biến đổi
nào đó
3. Davidite
Davidite được tích tụ có thể ở nhiệt độ và áp suất cao trong các mạch thủy
nhiệt hơn pitchblende. Nó có nhiều tính chất như khoáng pegmatite. Các khoáng
kết hợp là ilmenite, hematite, mica, quartz, calcite và feldspar hồng. Hầu như
không bao giờ tìm thấy davidite tinh khiết mà lẫn với ilmenite do nó có các tính
chất vật lý và thành phần hóa học rất tương tự.
4. Carnotite
Carnotite (K2(UO2)2(VO4)2 - 1-3H2O) là khoáng tương đối ít phổ biến.


Carnotite có quan hệ mật thiết với khoáng tyuyamunite (Ca(UO 2)2(VO4)2 - 58H2O). Hai khoáng này thường đi cùng với nhau và khó có thể phân biệt được
bằng các phương pháp thông thường. Carnotite có màu vàng sáng, độ cứng là 2 và
trọng lượng riêng xấp xỉ 4 - 5. Trong cát kết và đá vôi, các khoáng kết hợp là các

khoáng khác của urani và vanadi. Chú ý rằng carnotite cũng có tính phóng xạ.
5. Torbernite
Cấu trúc torbernite (Cu(UO2)2(PO4)2-10H2O) gồm khối tứ diện của nhóm
phốtphát liên kết với nhóm urani-ôxy thành khối bát diện méo mó. Nó có thể mất
nước và chuyển thành khoáng khác là meta-torbernite. Torbernite có độ cứng là 2 2,5 và trọng lượng riêng khoảng 3,2. Các khoáng kết hợp là autunite, uranophane,
uranocircite, meta-torbernite, uraninite và các khoáng khác của urani.
6. Autunite
Autunite (Ca(UO2)2(PO4)2-10H2O) là một trong những khoáng có tính phóng
xạ phổ biến và đáng chú ý. Autunite có độ cứng là 2 - 2,5 và trọng lượng riêng
khoảng 3,1 - 3,2. Các khoáng kết hợp là torbernite, meta-torbernite, uranocircite,
uranophane, uraninite và các khoáng khác của urani.
7. Uranophane
Uranophane (CaO.2UO3.2SiO2.6H2O) [13] là dạng canxi-urani silicat chứa
nhóm silica thay cho nhóm phôtphát trong autunite, nặng hơn autunite một chút
(trong lượng riêng là 3,85) và có mạng tinh thể hoàn toàn khác. Nguồn gốc và sự
xuất hiện của nó rất tương tự nhau (ít nhất 2 trong số 3 khoáng này hầu như thường
được phát hiện cùng với nhau).

1.3.2. Quặng urani ở Việt Nam
Trên lãnh thổ Việt Nam urani đã được phát hiện rộng rãi ở các địa hình khác
nhau với các tuổi địa chất khác nhau. Tuy nhiên quặng urani tập trung nhiều ở
Trung Trung bộ, Tây Nguyên, Việt Bắc và Tây Bắc.
Theo các báo cáo của cục địa chất và khoáng sản, nguồn quặng urani có trữ
lượng tính theo U3O8 như sau :


Bảng 1.5. Phân cấp trữ lượng urani ở Việt Nam
Tổng trữ lượng
Cấp C1(RAR) Cấp C2(EAR-I) Cấp P1(EAR(tấn)
(tấn)

(tấn)
II) (tấn)
220.000
113
16.563
15.153

Cấp P2+ P3
(tấn)
186.338

Bảng 1.6. Khu vực phân bố quặng urani ở Việt Nam
Khu vực

Loại quặng

Nông Sơn (Quảng Quặng cát kết
Nam)
Khe Hoa - Khe Cao Quặng cát kết
(Nông Sơn)
Pà Lừa (Nông Sơn) Quặng cát kết có
urani phân bố không
đều
Pà Rồng (Nông Quặng cát kết có
Sơn)
urani phân bố rất
không đều
An Điềm (Nông
Quặng cát kết
Sơn)

Bến Giằng (Nông Quặng cát kết có
Sơn)
urani phân bố rất
không đều
Bắc Nậm Xe
Quặng mỏ đất hiếm
Bình Đường (Cao Quặng mỏ photphat
Bằng)
Đak Hring - Đak Mỏ bất chỉnh hợp
Uy (Kon Tum)

Hàm lượng U3O8
0,05 - 0.11%
0,04 - 0,06%
0,031 - 0,095%

Trữ lượng U3O8
(tấn)
100.000
Nếu nâng cấp trữ
lượng C2 đối với
các mỏ này đạt
khoảng 5.700 tấn

0,006 - 1,43%

0.018 - 0,028%
0,01 - 0,19%

0,02%

0,03%

76.000
3.000

0,2 - 12%

Dự báo khả năng
có trữ lượng lớn

Bảng (1.6) đã cho thấy trữ lượng urani của Việt Nam tập trung trong 2 đối tượng chính
là urani trong các tụ khoáng đất hiếm và urani trong cát kết. Với urani tập trung trong các tụ
khoáng đất hiếm việc thu hồi khó khăn, giá thành cao. Do vậy urani trong một số mỏ độc lập
tại khu vực bồn trũng Nông Sơn (Quảng Nam) là mỏ quặng cát kết, có triển vọng trở thành
mỏ urani công nghiệp, có khả năng đáp ứng nhu cầu chuẩn bị nguyên liệu cho nhà máy điện
hạt nhân.


Trước những năm 1970, trên các tụ khoáng vùng Nậm Xe đã tiến hành lấy mẫu
công nghệ để nghiên cứu quy trình tách tuyển đất hiếm - xạ. Kết quả xác định ngoài
quy trình tách tuyển đất hiếm còn có thể xử lý để thu hồi urani, song công nghệ
phức tạp và cũng chỉ có ý nghĩa khi kết hợp khai thác chế biến thu hồi với đất hiếm.
Sau năm 1975, cùng với sự ra đời của Liên đoàn Địa chất 10 (nay là Liên đoàn Địa
chất Xạ-Hiếm) và Viện Năng lượng Nguyên tử VN, công tác nghiên cứu công nghệ
đã thực sự gắn kết với công tác điều tra thăm dò khoáng sản xạ-hiếm. Việc nghiên
cứu công nghệ đã được tiến hành ở các tụ khoáng và điểm quặng sau:
- Tại điểm quặng urani Bình Đường đã nghiên cứu công nghệ tách urani ra khỏi
phosphat. Qua nghiên cứu, ta thấy là việc tách tuyển urani khá khó khăn, hiệu quả
kinh tế thấp, giá thành tách tuyển rất cao.
- Tại điểm quặng urani Tiên An, đã nghiên cứu tách urani ra khỏi graphit.

Việc thu hồi urani thuận lợi, song trữ lượng graphit không lớn, thuộc loại mỏ
nhỏ và hàm lượng urani thấp nên không hiệu quả kinh tế.
- Tại mỏ than Nông Sơn đã tiến hành lấy mẫu kỹ thuật để xác định khả năng thu
hồi urani trong than. Kết quả cho thấy có thể thu hồi urani từ tro và xỉ than, song
lượng axit tiêu tốn lớn, không kinh tế và chỉ có ý nghĩa khi thu hồi kết hợp sử dụng
than.
- Tại các tụ khoáng urani trong cát kết võng Nông Sơn bao gồm các tụ khoáng Khe
Hoa - Khe Cao, Pà Lừa, An Điềm đều đã lấy mẫu để tìm hiểu quy trình tuyển thu
hồi urani.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy có thể thu hồi urani từ quặng cát kết bằng các
phương pháp hòa tách khuấy trộn với hiệu suất thu hồi cao. Tuy nhiên, công tác
nghiên cứu công nghệ mới chỉ dừng ở quy mô phòng thí nghiệm nên chưa có cơ sở
cho công tác đầu tư khai thác

PHẦN II : CÔNG NGHỆ XỬ LÍ QUẶNG ĐỂ THU HỒI URANI KỶ THUẬT
Sơ đồ tổng quát của quy trình công nghệ thu hồi urani kỹ thuật


Quặng urani
Phân loại
Đập, nghiền, sàng
Hòa tách
Tách rắn lỏng

Bã quặng

Dung dịch
Trao đổi ion

Chiết


Kết tủa tạp chất

Rửa giải

Giải chiết

Lọc

Kết tủa urani kỹ thuật
Lọc, rửa
Sấy
Sản phẩm
Hình 2..1. Sơ đồ tổng quát của quy trình công nghệ thu hồi urani kỹ thuật


2.1.

Phân loại : quặng được phân loại thành ba loại hình : phong hóa, bán

phong hóa và chưa phong hóa.
2.2.
Đập nghiền sang : quặng được đưa vào quá trình xử lý cơ học
Bước 1: là đập sơ bộ, thực hiện trên máy đập trung, điều chỉnh khe đập về
khoảng 5cm. Sau bước này quạng được chuyển về kicks thước khoảng 35cm. Hầu hết quặng có thể qua được máy đập nhỏ nên không cần sang phân
cấp sau bước này.
Bước 2: đập quặng về kích thước 1cm trên máy đập nhỏ. Sau k hi quặng qua
máy này được đưa vào sang rung, sang dưới cùng có mắt lổ 1cm. Phần
quặng trên sang này được quay lại máy đập cùng với quặng mới.
Bước 3: quặng tiếp tục được đưa vào máy nghiền xiết đĩa để nghiền xuống

cấp hạt 300µm.
2.3.
Hòa tách :

•

2.3.1 Tổng quát :
Hòa tách là quá trình chuyển vào dung dịch một hoặc nhiều cấu tử quan tâm
có trong quặng nhờ tác dụng của các dung môi hòa tan như axit, kiềm...
Hòa tách là một khâu quan trọng nhất của quá trình xử lí quặng, nó chiếm
kinh phí lớn nhất của quá trình nhận urani kỹ thuật. Do vậy phải lựa chọn phương
pháp hòa tách sao cho hợp lí và tối ưu nhất.
Mục đích cơ bản của quá trình hòa tách là tách được cấu tử urani ra khỏi
quặng một cách triệt để, tối ưu và có chọn lọc nhất.
Các phương pháp hòa tách urani chủ yếu như sau:
Theo tác nhân hoà tách thì hiện nay có hai phương pháp cơ bản để phân huỷ
quặng urani là phương pháp hòa tách bằng axit và phương pháp hòa tách bằng
cacbonat. Ngoài ra còn có thể dùng phương pháp vi sinh vật.
Việc lựa chọn phương pháp hòa tách nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
thành phần khoáng học của quặng, chi phí cho quá trình hòa tách, các điều kiện về
kinh tế và kỹ thuật…
Nếu trong thành phần của quặng chứa hàm lượng cacbonat cao (CaCO 3,
MgCO3) thì dùng phương pháp hòa tách bằng cacbonat. Vì nếu dùng phương pháp
axit sẽ chi phí một lượng lớn axit để hòa tan lượng cacbonat có trong quặng.
Nếu trong thành phần của quặng chứa lượng lớn SiO 2, lượng cacbonat ít thì


dùng phương pháp axit vì axit trơ với SiO2.
Hiện nay đa số người ta dùng phương pháp axit vì axit hòa tan tốt các
khoáng vật của urani, có tính hiệu quả và kinh tế hơn, thiết bị hòa tách đơn giản, có

thể áp dụng phương pháp hòa tách thích hợp đối với các quặng urani nghèo như
hòa tách đống, hòa tách ngầm…
Hòa tách bằng cacbonat có tính chon lọc hơn, quặng sau khi hòa tách sạch,
nhưng độ nhớt lại cao, phải hòa tách ở áp suất cao, đòi hỏi quặng phải được nghiền
nhỏ. Do vậy phải dùng máy nén khí và thiết bị nghiền trong quá trình hòa tách làm
cho giá thành thu urani kỹ thuật sẽ cao hơn rất nhiều so với phương pháp axit.
Trong hòa tách bằng phương pháp axit, người ta thường dùng tác nhân là
H2SO4, HNO3, HCl, nhưng chủ yếu dùng H 2SO4 vì công nghệ sản xuất H2SO4 đơn
giản, giá thành rẻ, dễ kiếm. Dùng HNO 3 thì hiệu suất hòa tách cao, có thể oxi hóa
U(IV) thành U(VI) nhưng giá thành đắt, chỉ dùng hòa tách quặng urani có hàm
lượng cao. Còn HCl chỉ áp dụng trong phòng thí nghiệm do độ ăn mòn thiết bị lớn.
Trong phương pháp hòa tách bằng cacbonat người ta chủ yếu dùng Na 2CO3,
(NH4)2CO3.
Đối với quặng nghèo urani, hòa tách khuấy trộn là giai đoạn đầu của quá
trình nghiên cứu hòa tách. Hiện nay phương pháp này thường áp dụng ở những
nước có quặng giàu urani ( Canada, Úc ).
Có 2 phương pháp hòa tách khuấy trộn : khuấy trộn cơ học và khuấy trộn
bằng khí nén.
Ưu điểm của phương pháp là thiết bị gọn nhẹ, sản xuất được theo công nghệ,
dây chuyền dễ tự động hóa, hiệu suất hòa tách urani cao, thời gian hòa tách ngắn,
có thể thu các nguyên tố khác ngoài urani. Nhưng nhược điểm của phương pháp
không thể tiến hành hòa tách khuấy trộn đối với quặng urani nghèo, vì tiêu tốn
lượng axit lớn, tạp chất nhiều, chi phí cho việc tách rắn lỏng lớn vì thời gian tách
rắn lỏng dài, chi phí cho việc nghiền quặng lớn vì phải tiến hành hòa tách quặng có
kích thước nhỏ, thiết bị mài mòn, năng lượng cần tiêu tốn cho việc hòa tách cao.
Hòa tách khuấy trộn phải được nghiên cứu đầu tiên trong quá trình hòa tách
urani nghèo để nắm được các thông số về chi phí axit lớn nhất, hiệu suất thu hồi
urani cao nhất, chi phí chất oxi hóa nhiều nhất của quá trình hòa tách urani nghèo.
Từ những thông số đó, người ta áp dụng vào quá trình hòa tách urani nghèo bằng
các phương pháp khác nhau ở quy mô lớn hơn. Trình tự quy mô nghiên cứu của

quá trình hòa tách đống đối với quặng urani nghèo như sau:
Quặng → Hòa tách khuấy trộn → Hòa tách cột 1m→ Hòa tách cột 6m→


Thử nghiệm hòa tách đống → Hòa tách đống trên quy mô công nghiệp. Mỗi loại
quy mô hòa tách có mục đích khác nhau, hòa tách cột để xác định độ thấm của
axit, tốc độ của quá trình thấm vì quặng bị nén mạnh trong cột hòa tách, từ đó xác
định được chiều cao đống tối đa cần hòa tách để axit có thể thấm được hết các vị
trí của cột, chi phí axit của quá trình thấm tách. Mở rộng diện tích bề mặt của đống
nhằm xác định độ lan rộng của axit, lượng axit phân tán trong tiết diện ngang của
quặng khi cho dung dịch hòa tách vào đống.
Hòa tách tĩnh là quá trình cho dung dịch hòa tách chảy qua quặng được xếp
trong các cột. Phương pháp này thường áp dụng đối với các loại quặng urani
nghèo. Ưu điểm của phương pháp là thiết bị đơn giản rẽ tiền, có thể áp dụng trực
tiếp ở nơi khai thác (bằng phương pháp hòa tách đống), lọc đơn giản, dung dịch lọc
trong suốt, xử lí bã thải đơn giản do hàm lượng ẩm trong bã thải thấp. Nhược điểm
của phương pháp là thời gian hòa tách lâu, hiệu suất hòa tách thấp do kích thước
hạt lớn, khó tự động hóa, dung tích của thiết bị và dung dịch lớn.
Các dạng hòa tách đống:
- Tạo đống sau đó thấm xuôi hoặc ngược dung dịch qua lớp quặng; có thế
tưới liên tục hoặc gián đoạn;
- Hòa tách ngâm: quặng được ngâm trong dung dịch tác nhân, sau đó rút
dung dịch hòa tách ra khỏi đống;
- Trộn quặng với axit mạnh, sau đó ủ và cuối cùng rửa để thu dung dịch hòa
tách.
Có thể thực hiện riêng rẽ các dạng trên đây, nhưng cũng có thể kết hợp
chúng với nhau. Việc lựa chọn các giải pháp này tùy thuộc nhiều vào loại quặng
cần xử lý.
Trong hòa tách đống, ngoài các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất hòa tách
urani quan trọng như trong hòa tách khuấy trộn, yếu tố có tính quyết định chính là

sự cung cấp đầy đủ và phân bố đồng đều của dung dịch trong đống quặng.
Trộn ủ với axit mạnh
Đây là kỹ thuật rất thích hợp đối với quặng khó hòa tách hoặc quặng chứa
nhiều sét. Việc trộn và ủ với axit mạnh làm cho tác nhân hòa tách phân bố đồng
đều trong lớp quặng, nồng độ cao cũng như nhiệt sinh ra giúp cho các phản ứng
hòa tan diễn ra mãnh liệt hơn. Trong quá trình hòa tan các khoáng và trộn, các sản
phẩm dạng kết tủa có thể liên kết các hạt quặng nhỏ với hạt lớn tạo ra các tập hợp


hạt làm tăng độ thấm của lớp quặng, giảm sự tắc và tạo kênh như các kỹ thuật hòa
tách đống khác.
Với quặng cát kết vùng Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam luôn chứa loại hình
chưa phong hóa, là loại khá rắn chắc và khó hòa tách, thậm chí cả loại phong hóa
bở rời chứa nhiều sét làm giảm tính thấm của dung dịch. Do đó trộn ủ với axit
mạnh là giải pháp có độ an toàn và đảm bảo hiệu suất hòa tách urani cao.
Do trong hòa tách trộn ủ, các phản ứng hóa học chủ yếu xảy ra trong giai
đoạn trộn và ủ, giai đoạn rửa chủ yếu để thu hồi dung dịch hòa tách. Vì vậy, chi phí
axit phải được tính đủ cho giai đoạn trộn quặng với axit.
Trong giai đoạn rửa, sự phân bố đồng đều dung dịch trong lớp quặng ngoài
phụ thuộc vào kỹ thuật tạo đống mà còn phụ thuộc nhiều vào tốc độ tưới dung
dịch. Vì vậy, yếu tố nồng độ axit và tốc độ tưới dung dịch cần được xác định đối
với mỗi loại quặng, kích thước hạt và tỷ lệ các cấp hạt.
Hòa tách ngầm là phương pháp dung dịch hòa tách được bơm trực tiếp
xuống lòng quặng qua các lỗ, sau đó người ta đào rãnh xung quanh để dung dịch
hòa tách chảy qua rãnh vào bể chứa để lọc, hoặc người ta hút dung dịch hòa tách
trong quặng vào bể chứa. Ưu điểm của phương pháp là không cần phải chi phí cho
việc khai thác quặng nên giá thành rẻ. Nhưng nhược điểm của phương pháp là
phức tạp, phải xác định được diện tích quặng, phụ thuộc vào kết cấu địa tầng của
quặng, thiết bị phức tạp, thăm dò địa chất tỉ mỉ. Phương pháp này chỉ áp dụng với
những quặng giàu urani.

Phương pháp vi sinh là phương pháp dùng vi sinh vật oxi hóa lưu huỳnh và
các hợp chất của lưu huỳnh để tạo ra H 2SO4 làm tác nhân phản ứng với urani trong
quặng. Phương pháp này chỉ áp dụng đối với các loại quặng chứa nhiều lưu huỳnh
và hợp chất của lưu huỳnh. Ưu điểm của phương pháp là không tiêu tốn axit chi
phí cho quá trình hòa tách. Nhược điểm của phương pháp là thời gian hòa tách lâu,
phải thường xuyên bổ sung vi sinh vật bị mất đi trong quá trình hòa tách.
2.3.2 Động học các quá trình hòa tách
Hòa tách là quá trình dị thể giữa pha lỏng và pha rắn. Do vậy tốc độ của quá
trình hòa tách được xác định bằng tốc độ các giai đoạn sau:
Khuếch tán ngoài là quá trình khuếch tán tác nhân hòa tách vào bề mặt phân
pha giữa quặng và tác nhân hòa tách, sản phẩm phản ứng từ bề mặt phân pha ra
ngoài dung dịch hòa tách;
Phản ứng hóa học giữa dung dịch hòa tách và các chất trong quặng;


Khuếch tán trong là quá trình khuếch tán tác nhân hòa tách từ bề mặt phân
pha vào sâu bên trong hạt quặng qua các mao quản của hạt và khuếch tán từ bên
trong quặng ra bề mặt phân pha.
Tốc độ quá trình hòa tách có thể xác định bằng tốc độ quá trình nào là chậm
nhất. Phản ứng hóa học xảy ra nhanh nên có thể bỏ qua. Do vậy tốc độ quá trình
hòa tách được xác định bằng tốc độ quá trình khuếch tán.
+ Đối với khuếch tán ngoài: chủ yếu phụ thuộc vào độ nhớt của môi trường,
có thể khắc phục bằng cách khuấy trộn.
+ Đối với khuếch tán trong: quá trình này xảy ra khó khăn nhất, phụ thuộc
vào kích thước hạt (diện tích bề mặt phân pha), nồng độ tác nhân hòa tách…
Tốc độ khuếch tán được xác định bằng định luật Fick 1
ds/dt = DF.dC/dx
Trong đó
D: hệ số khuếch tán.
D=

d: đường kính hạt.
à: độ nhớt môi trường.
à = à0(1 + 4,5f)
à0: độ nhớt dung dịch.
f: thể tích riêng phần của cặn mỏng.
F: diện tích bề mặt phân pha.
: lượng chất chuyển qua bề mặt phân pha trong 1 đơn vị thời gian dt
(tốc độ khuếch tán).
: Gradien nồng độ.
=
C1, C2: Nồng độ khi đến và khi qua bề mặt phân pha.
ọ: độ dày bề mặt phân pha.
ọ = D1/3 à1/6
x: khoảng cách điểm tụ chất lỏng đến bề mặt hạt rắn.
No: tốc độ dòng chất lỏng đến bề mặt hạt rắn.
2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hòa tách
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ
Từ công thức tính hệ số khuếch tán D, ta thấy D tỉ lệ thuận với nhiệt độ.
Mặt khác, theo phương trình Arrhenius tốc độ phản ứng hóa học phụ thuộc vào


nhiệt độ. Do vậy khi tăng nhiệt độ thì quá trình hòa tách sẽ nhanh hơn nhưng chỉ
tăng ở một giới hạn nhất định, vì khi tăng nhiệt độ thì vận tốc của phản ứng phụ
cũng tăng, làm tăng lượng tạp chất sau khi hòa tách, gây khó khăn cho công
đoạn làm sạch, tác nhân hòa tách có thể bị phân hủy.
+ Ảnh hưởng của kích thước hạt
Hệ số khuếch tán D tỉ lệ nghịch với đường kính d của hạt. Do vậy hạt càng
nhỏ thì D càng lớn, bề mặt tiếp xúc pha càng tăng, sẽ làm tăng tốc độ phân hủy
quặng. Tuy nhiên khi giảm d thì à lại tăng, gây ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hòa
tách ở khâu lọc rắn lỏng, vì hạt càng nhỏ càng khó lắng khó lọc, d nhỏ thì chi phí

cho quá trình nghiền quặng lớn.
+ Ảnh hưởng của mức độ khuấy trộn
Khuấy trộn có tác dụng làm phân bố đều tác nhân hòa tách, làm tăng tiếp
xúc pha rắn lỏng, làm tăng tốc độ quá trình khuếch tán ngoài nhưng ít tác động đến
quá trình khuếch tán trong.
+ Ảnh hưởng của tác nhân hòa tách
Tác nhân hòa tách có ảnh hưởng rất lớn, tác động trực tiếp đến tốc độ hòa
tan urani và tạp chất. Thế oxi hóa phụ thuộc pH, pH càng thấp thì tốc độ hòa tan
urani càng cao nhưng tốc độ phản ứng phụ cũng lớn, lượng axit tiêu tốn lớn, dung
dịch sau hòa tách có nhiều tạp chất, cũng như độ ăn mòn thiết bị lớn. Do vậy phải
chọn pH tối ưu cho quá trình hòa tách.
+ Ảnh hưởng tỉ lệ rắn : lỏng
Tỉ lệ rắn lỏng phù hợp nhất:
Đối với hòa tách bằng phương pháp axit: Từ 1:0,8 đến 1:2
Đối với hòa tách bằng phương pháp cacbonat: Từ 1:0,8 đến 1:4
Đối với quặng cát kết hòa tách bằng H2SO4 thì tỉ lệ thích hợp là 1:1
+ Ảnh hưởng của thế oxi hóa
U(VI) hòa tan nhanh, còn U(IV) phải oxi hóa thành U(VI) mới có thể hòa
tan được. Dùng Fe3+ gián tiếp làm chất oxi hóa, Fe3+ có trong quặng, một phần thu
được trong quá trình nghiền quặng.
Quan hệ của thế oxi hóa và nồng độ Fe được thể hiện trong phương trình
Nerst:
E = 397 + 0,1984.T.lg[Fe3+]/[Fe2+]
E: thế oxi hóa dung dịch (mV).
+ Ảnh hưởng thời gian hòa tách


Thời gian hòa tách tỉ lệ thuận với chi phí tác nhân hòa tách, thời gian càng
dài thì chi phí càng lớn. Do vậy thời gian tối ưu được xác định bởi chi phí tác nhân
và hiệu suất hòa tách. Phương pháp khuấy trộn thì thời gian hòa tách thích hợp 8 10 giờ.

Từ việc đưa ra các ưu nhược điểm, ứng dụng của từng phương pháp đối với
các loại quặng, các yếu tố ảnh hưởng đến hòa tách, trong phạm vi đồ án tập trung
nghiên cứu hòa tách bằng phương pháp khuấy trộn để lấy các số liệu cần thiết về
chi phí axit, hiệu suất hòa tách, chi phí chất oxi hóa làm cơ sở cho việc hòa tách
đống đối với quặng cát kết ở vùng Nông Sơn, Quảng Nam, bước đầu tiến hành hòa
tách trộn ủ để đánh giá hiệu suất hòa tách đối với quặng urani nghèo tại Việt Nam.
Tác nhân hòa tách dùng là H2SO4 do chi phí axit rẻ, áp dụng thích hợp với điều
kiện trang thiết bị, các loại quặng ở Việt Nam. Phương pháp này đang được nghiên
cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam.
2.4.Tinh chế và làm giàu
2.4.1.Phương pháp trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion là một trong những phương pháp hiệu quả xử lí
dung dịch sau hoà tách. Trong công nghệ điều chế urani kỹ thuật phương pháp trao
đổi ion thường được sử dụng thu hồi urani từ các dung dịch hoà tách quặng có
nồng độ urani nhỏ hơn 1,5 gU/l. So với phương pháp kết tủa, phương pháp trao đổi
ion được đặc trưng bởi độ chọn lọc cao, áp dụng không chỉ cho dung dịch mà còn
cho bùn phân loại và chưa phân loại, thực tế điều khiển được hoàn toàn và chi phí
hoá chất tương đối nhỏ. So với phương pháp chiết li, phương pháp trao đổi ion ít
hao hụt, hệ số phân bố ít phụ thuộc vào nồng độ của urani, nồng độ ban đầu của
urani càng nhỏ thì hệ số phân bố càng lớn. Tất cả điều đó nói nên tiện ích áp dụng
phương pháp trao đổi ion để xử lý dung dịch urani.
Nhựa trao đổi ion yêu cầu không tan trong nước và các dung dịch nước, có độ
bền hoá học cao đối với dung dịch muối, axit và kiềm ở nhiệt độ thường cũng như
ở nhiệt độ cao. Đặc trưng quan trọng nhất của nhựa là dung tích trao đổi của nó,


hấp dung càng lớn thì nhựa càng tốt. Dựa vào dạng nhóm hoạt tính, nhựa trao đổi
ion mà có thể chia thành cationit (nhựa và tác nhân trao đổi cation) và anionit
(nhựa và tác nhân trao đổi anion). Urani trong dung dịch ở dạng cation hay anion
nên có thể dùng cationit hoặc anionit để xử lý dung dịch. Để tách urani thường

dùng anionit có hiệu quả hơn, dùng nhựa cationit phân bố nhỏ hơn và có độ chọn
lọc kém hơn. Có nhiều anionit được dùng để tách urani như EDE-10P, AM,
daueks-1và2, amberlit-400 và 420...Trong công nghệ urani, anionit có ý nghĩa thực
tế nhất là nhựa trao đổi anion bazơ mạnh với nhóm amin bậc bốn làm nhóm hoạt
tính:
R2

+

R1- N - R3
R4
Trong đó: Ri - gốc hữu cơ (i=1÷4).
Nhựa này hấp phụ urani trong dung dịch chỉ ở dưới dạng anion. Dung dịch
sau hoà tách, urani thường nằm dưới dạng anion phức [UO 2(SO4)]-2 hay
[UO2(SO4)]-4 khi hoà tách bằng dung dịch axit sunfuric và dưới dạng anion phức
[UO2(CO3)3]-4 khi hoà tách bằng phương pháp cacbonat.
Trước khi hấp phụ nhựa bazơ mạnh ở dưới dạng clorua hay nitrat, quá trình
hấp phụ được mô tả như sau:
4(R4N)Cl + UO2+2 + 3SO4-2

(R4N)4[UO2(SO4)3] + 4Cl-

2(R4N)NO3 + UO2+2 + 2SO4-2

(R4N)2[UO2(SO4)2] + 2NO3-

Khi độ axit của dung dịch cao hơn, hàm lượng urani trong nhựa được xác
định bởi hấp phụ cạnh tranh ion uraniyl trisunfat và ion uraniyl disunfat có ái lực
tương đối cao với nhựa bazơ mạnh. Giảm độ axit dung dịch dẫn đến sự tăng dung
tích nhựa đối với urani. Điều này được giải thích do giá trị pH cao (pH=3÷4) dẫn

đên sự thuỷ phân:
2UO2+2 + 2OH- = U2O5+2 + H2O


kèm theo sự tạo thành các sunfat phức:
U2O5+2 + 3SO4-2

[U2O5(SO4)3]-4

U2O5+2 + 2SO4-2

[U2O5(SO4)2]-2

Với sự tăng nồng độ urani trong dung dịch dung tích nhựa tăng lên, có thể
được giải thích bởi sự tạo anion phức disunfat ưu tiên hay sự đi thẳng vào nhựa của
uraniyl sunfat không phân li. Tương ứng với sự tăng nồng độ urani trong dung dịch
cũng dẫn tới giảm tỉ lệ urani và sunfat trong nhựa.
Giải hấp phụ urani từ nhựa bazơ mạnh được thực hiện nhờ dung dịch clorua
và nitrat:
(R4N)4[UO2(SO4)3] + 4Cl(R4N)2[UO2(SO4)2] + 2NO3-

4(R4N)Cl + [UO2(SO4)3]-4
2(R4N) NO3 + [UO2(SO4)2]-2

Trong một số trường hợp để giải hấp sử dụng axit sunfuric, bởi vậy ion
disunfat có ái lực khá cao đối với nhựa và có thể tách các phức uraniylsunfat.
Tất nhiên đặc trưng hấp phụ của nhựa cũng được xác định bởi thành phần
muối của dung dịch quặng. Thường thì tăng nồng độ muối chung sẽ dẫn đến giảm
dung tích hấp phụ của anionit.
Độ chọn lọc của nhựa trao đổi ion được xác định bởi ái lực của chúng với các

ion khác có mặt trong dung dịch, ngoài ra còn phụ thuộc vào hằng số không bền
của các ion phức tạo thành.
Dung dịch sau hoà tách bằng axit sunfuric ở dưới dạng anion có thể có
urani(VI), sắt(III), vanadi, photpho, asen, molipden, ion clo, ion nitrat...Ngoài ra
bản thân axit sunfuric có thể có mặt trong dung dịch dưới dạng các ion sunfat hay
disunfat. Tất cả các anion này về nguyên tắc đều có thể bị hấp phụ bởi anionit bazơ
mạnh. Các tạp chất khác như canxi, magiê, natri, kali, amoni, nhôm, coban, đồng,
titan...tạo sunfat phức không đặc trưng, chúng hoàn toàn ở lại trong dung dịch.
Sắt trong dung dịch axit thường tồn tại ở dạng sắt (II) và sắt (III), sắt (II)
không tạo thành phức chất còn sắt (III) ở dạng ion phức [Fe(SO 4)n]3-2n hay [Fe(OH)


(SO4)2]-2 bị hấp phụ bởi nhựa trao đổi ion cùng với urani. Ái lực của chúng với
nhựa bazơ mạnh thấp hơn so với ái lực các anion uraniylsunfat, nhưng vì trong
dung dịch đầu nồng độ sắt (III) lớn hơn nồng độ urani, sắt bị hấp phụ lượng tương
đối lớn bởi nhựa khi đó giảm dung tích của nó đối với urani và gây cản trở điều
khiển. Ảnh hưởng của ion sắt tới hấp dung urani của nhựa phụ thuộc vào tỉ lệ
Fe/U, nồng độ Fe+3 và độ pH của dung dịch. Nếu nồng độ sắt trong dung dịch giảm
hay độ pH tăng thì hấp dung urani của nhựa tăng. Vanadi (V) trong dung dịch axit
cũng được hấp phụ bởi nhựa bazơ mạnh. Để giảm hiệu quả hấp phụ các tạp chất
bởi nhựa có thể khử sắt và vanadi về mức oxi hoá thấp hơn, khi đó chúng ở dạng
cation không bị hấp phụ, có thể tiến hành quá trình hấp phụ ở độ axit cao, khi đó
tăng độ chọn lọc của nhựa...Cũng có thể tách các tạp chất bị hấp phụ khỏi urani
bằng những cách khác nhau. Chẳng hạn khi rửa nhựa trong những điều kiện xác
định các tạp không cản trở urani có thể bị giải hấp cùng nó.
Nhựa trao đổi anion bazơ mạnh có thể sử dụng để xử lí các dung dịch quặng
cacbonat. Ion uraniyltricacbonat có ái lực mạnh với nhựa và bị hấp phụ trước các
anion còn lại như PO4-3, VO3-, SO4-2, AlO2-, SO3-2, HCO3-. Nồng độ ion cacbonat và
dicacbonat dư có ảnh hưởng lớn đến sự hấp phụ urani vì nó làm giảm hấp dung của
urani.

Rửa urani từ nhựa về nguyên tắc có thể tiến hành bằng các dung dịch axit
sunfuric hay muối của axit clohidric và nitric, nhưng giải hấp bằng các dung dịch
axit không tiện lợi, chẳng hạn do sự trung hoà xảy ra sự bay hơi và phá huỷ nhựa.
Vì vậy thường sử dụng dung dịch trung hoà hay kiềm. Các yếu tố công nghệ cũng
ảnh hưởng tới quá trình trao đổi ion.
Quá trình hấp phụ các hợp chất urani liên quan tới sự tương tác hoá học của
chúng với nhóm hoạt tính của nhựa trao đổi ion. Ngoài ra còn phụ thuộc vào cơ
chế các phản ứng này theo thời gian tiếp xúc pha dẫn tới cân bằng hấp phụ, khi đó
tỉ lệ giữa nồng độ chất hấp phụ trong nhựa và trong dung dịch là không đổi.