Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/45940
Type: Tese
Title: Técnicas de processamento mineral em escórias provenientes de beneficiamento metalúrgico da columbita/tantalita
Other Titles: Mineral processing techniques in slag from the metallurgical processing of columbite/tantalite
Authors: Vanderlei Vilaça de Moura
First Advisor: Claubia Pereira Bezerra Lima
First Co-advisor: Talita Oliveira Santos
First Referee: Arno Heeren de Oliveira
Second Referee: Adriana de Souza Medeiros Batista
Third Referee: Mariza Ramalho Franklin
metadata.dc.contributor.referee4: Wagner de Souza Pereira
Abstract: A produção e consumo de energia elétrica estão ligados ao desenvolvimento de uma nação. Mas é necessário diversificar a matriz energética para não ficar dependente de sazonalidades, flutuações de preço, falta de insumos dentre outras. Além disso, é fundamental a busca de fontes de energia sustentáveis, sendo a nuclear um exemplo. Existem diversos estudos sendo realizados com o intuito de recuperar urânio de resíduos de mineração de urânio, da rocha fosfática, de carvão mineral e até mesmo da água do mar o que pode auxiliar na sustentabilidade da matriz nuclear. Nesta linha, este estudo tem como objetivo principal avaliar técnicas de processamento mineral para recuperação do óxido de urânio (U3O8) e do óxido de tório (ThO2) retidos em escórias de ferro-ligas de nióbio e tântalo provenientes do processamento metalúrgico da columbita/tantalita. Este resíduo/rejeito é produzido por instalações mínero-industriais e seu destino é o armazenamento em depósitos iniciais, mas sem previsão de uso futuro. A metodologia utilizada foi a coleta de amostras de escória, seu preparo através de moagem, britagem, homogeneização e quarteamento. Na sequência foram: analisados os teores da amostra cabeça; determinada a densidade da escória; realizados os ensaios físicos (separação granulométrica, separação gravimétrica, separação eletrostática e separação magnética); os 160 ensaios de lixiviação com ácido sulfúrico (tendo com parâmetros de processo pH, tempo, percentual de sólidos na polpa e granulometria da escória); determinada a recuperação metalúrgica; determinada da massa e o custo de H2SO4 necessários ao tratamento de 1 tonelada de polpa; determinado o custo de armazenamento da escória e o custo de licenciamento, construção e operação de um depósito de material radioativo de médio e baixo níveis de radiação. Todos os produtos gerados pelos ensaios foram analisados por fluorescência de raios-X. A amostra cabeça apresentou um teor de 1,78 % de U3O8 e de 3,66 % de ThO2. A densidade da escória foi de 3,56 g.cm-3 – valor que concorda, dentro dos limites de incerteza, com a densidade da ganga que compõe a escória (Al2O3 e SiO2). A separação granulométrica mostrou que os teores dos óxidos de urânio e de tório ficaram distribuídos ao longo das faixas granulométricas. A separação gravimétrica resultou em três produtos: finos, concentrado e mistos. A maior parte da massa da escória (64,5 %) ficou nos mistos. A separação elétrica resultou em três produtos: condutores, não condutores e mistos. A maior parte da massa da escória apresentou comportamento condutor (63,5 %) contrapondo-se ao esperado, já que os óxidos de maior composição (Al2O3 e SiO2) são dielétricos. A separação magnética resultou em três produtos: magnético, não magnético e mistos. Ocorreu uma certa proporção entre a distribuição da massa de escória entre magnéticos (40 %) e não magnéticos (48 %). Este resultado contrapõe-se ao esperado, pois os óxidos de alumínio e de silício, maiores componentes da escória, são dielétricos. Assim, a escória deveria ter maior proporção de não magnéticos. Verificou-se que os parâmetros mais relevantes para a lixiviação foram o pH e o tempo. Assim, as maiores recuperações foram observadas em t > 8h e pH < 1,5. Já a granulometria, contrapondo-se ao esperado, exerceu pouca influência neste estudo. A recuperação máxima foi de 83 % para o óxido de urânio e de 81,6 % para o óxido de tório – no tempo de 9 h e pH igual a 1 (Ensaio 70). As condições ótimas de processo, ou seja, recuperação acima de 80 % para o urânio, acima de 70 % para o tório e menor custo para tratamento de uma tonelada de polpa foram observadas no Ensaio 66: pH = 1,5; t = 9 h; granulometria de 200 μm; 40 % de sólidos; recuperação de U3O8 de (81 +- 4,0) %; recuperação de ThO2 de (73 +- 1,0) %; custo de H2SO4 de USD 10,01 a USD 15,51 por tonelada de polpa. O custo de planejamento, construção e licenciamento para um volume de 80.000 toneladas de escória foi estimado em 126,6 milhões de dólares tomando como referência um depósito espanhol para armazenamento de rejeitos de baixo e médio níveis de radiação. O custo de transferência da escória para a CNEN, caso fosse possível e sem levar em conta os custos de transporte, foi estimado em 19,7 milhões de dólares. O resultado da amostra cabeça, 1,78 % de U3O8, é superior ao das minas que mais produziram urânio em 2021 – exceto a Cigar Lake. A proximidade da densidade da escória com a da ganga que a compõe foi determinante nos resultados da separação gravimétrica onde o maior produto foram os mistos. Os resultados das separações físicas mostraram que não ocorreu variação significativa dos óxidos de urânio e de tório entre os produtos. Assim, elas não foram eficientes para a obtenção de materiais com maior concentração de U3O8 ou ThO2 sendo necessária a lixiviação. Os ensaios de lixiviação mostraram-se eficientes, já que foram obtidas recuperações acima de 80 % para os dois óxidos. A recuperação metalúrgica, tomando-se o Ensaio 66, pode ser viável uma vez que o custo com ácido sulfúrico se encontra dentro da faixa de uma mina de urânio tradicional e as opções atuais, construção de depósitos ou transferência da escória, são estimadas em dezenas de milhões de dólares, não geram receita para as instalações mínero-industriais e não são sustentáveis, pois deixam a gestão dos resíduos/rejeitos para as próximas gerações.
Abstract: The production and consumption of electricity are linked to the development of a nation. But it is necessary to diversify the energy matrix so as not to be dependent on seasonality, price fluctuations, and lack of inputs, among others. In addition, the search for sustainable energy sources is essential, with nuclear energy being an example. Several studies are being carried out to recover uranium from uranium mining residues, phosphate rock, mineral coal and even seawater, which can help in the sustainability of the nuclear matrix. In this line, the main objective of this study is to evaluate mineral processing techniques for the recovery of uranium oxide (U3O8) and thorium oxide (ThO2) retained in niobium and tantalum ferroalloy slag from the metallurgical processing of columbite/tantalite. This residue/tailing is produced by NORM facilities and its destination is storage in initial deposits, but with no forecast of future use. The methodology used was the collection of slag samples, and their preparation through grinding, crushing, homogenization and quartering. In the sequence were: analyzed the contents of the head sample; determined the density of the slag; physical tests were carried out (granule size separation, gravimetric separation, electrostatic separation and magnetic separation); the 160 sulfuric acid leaching tests (with process parameters pH, time, percentage of solids in the pulp and slag granulometry); determined the metallurgical recovery; determination of the mass and cost of H2SO4 needed to treat 1 ton of pulp; determined the cost of storing the slag and the cost of licensing, building and operating a medium and low radiation radioactive material deposit. All products generated by the assays were analyzed by X-ray fluorescence. The head sample had a content of 1.78% of U3O8 and 3.66% of ThO2. The slag density was 3.56 g.cm-3 – a value that agrees, within the limits of uncertainty, with the density of the gang that makes up the slag (Al2O3 and SiO2). The granulometric separation showed that the levels of uranium and thorium oxides were distributed along with the granulometric ranges. The gravimetric separation resulted in three products: fine, concentrated and mixed. Most of the slag mass (64.5%) was mixed. The electrical separation resulted in three products: conductive, non-conductive and mixed. Most of the slag mass showed conductive behaviour (63.5%) in contrast to what was expected since the oxides of higher composition (Al2O3 and SiO2) are dielectric. The magnetic separation resulted in three products: magnetic, non-magnetic and mixed. There was a certain proportion between the slag mass distribution between magnetic (40%) and non-magnetic (48%). This result is contrary to what was expected, since aluminium and silicon oxides, major components of slag, are dielectric. Thus, the slag should have a higher proportion of non-magnetics. It was found that the most relevant parameters for leaching were pH and time. Thus, the highest recoveries were observed at t > 8h and pH < 1.5. The granulometry, in contrast to what was expected, had little influence on this study. The maximum recovery was 83% for uranium oxide and 81.6% for thorium oxide – in a t = 9 h and pH = 1 (Assay 70). The optimal process conditions, that is, recovery above 80% for uranium, above 70% for thorium and lower cost for treating one ton of pulp were observed in Assay 66: pH = 1.5; t = 9 h; granulometry of 200 μm; 40% solids; (81 +- 4.0) % U3O8 recovery; ThO2 recovery of (73 +- 1.0) %; cost of H2SO4 from USD 10.01 to USD 15.51 per ton of pulp. The cost of planning, construction and licensing for a volume of 80,000 tons of slag was estimated at 126.6 million dollars, taking as a reference a Spanish deposit for the storage of low and medium radiation tailings. The cost of transferring the slag to CNEN, if possible and without taking into account transport costs, was estimated at 19.7 million dollars. The result of the head sample, 1.78% of U3O8, is superior to that of the mines that produced the most uranium in 2021 – except for Cigar Lake. The proximity of the slag density to that of the gangue that composes it was decisive in the results of the gravimetric separation, where the highest product was the mixed ones. The results of the physical separations showed that there was no significant variation of uranium and thorium oxides between the products. Thus, they were not efficient to obtain materials with a higher concentration of U3O8 or ThO2, requiring leaching. The leaching tests proved to be efficient since recoveries above 80% were obtained for the two oxides. Metallurgical recovery, taking Assay 66, maybe feasible since the cost of sulfuric acid is within the range of a traditional uranium mine and the current options, building deposits or transferring the slag, are estimated to be in the dozens million dollars, do not generate revenue for NORM facilities and they are not sustainable, as they leave the management of waste/tailings to the next generations.
Subject: Engenharia nuclear
Escória
Ferro
Lixiviação
Nióbio
Sustentabilidade
Tântalo
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA NUCLEAR
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Ciências e Técnicas Nucleares
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/45940
Issue Date: 13-Apr-2022
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