Dränering av uransyragruvor
Dränering av uransyragruvor avser surt vatten som frigörs från en uranbrytningsplats med hjälp av processer som underjordsbrytning och in-situ urlakning . Under jord är malmerna inte lika reaktiva på grund av isolering från atmosfäriskt syre och vatten. När uranmalmer bryts krossas malmerna till ett pulverformigt ämne, vilket ökar ytan för att enkelt utvinna uran. Malmerna, tillsammans med närliggande stenar, kan också innehålla sulfider . När det väl har exponerats för atmosfären reagerar det pulveriserade avfallet med atmosfäriskt syre och vatten. Efter uranextraktion underlättar sulfidmineraler i uranavfall frisättningen av uranradionuklider i miljön, som kan genomgå ytterligare radioaktivt sönderfall samtidigt som pH sänks i en lösning.
Uran kemi
Uran kan finnas naturligt som U +6 i malmer men bildar också den vattenlösliga uranyljonen UO 2 +2 när uranavfall oxideras av atmosfäriskt syre i följande reaktion.
U +6 + O2 → UO2 + 2
Lösligheten av uran ökar under liknande oxiderande förhållanden när det bildar uranylkarbonatkomplex i följande reaktion .
U +6 + O 2 + 2CO 3 2− → [UO 2 (CO 3 ) 2 ] 2+
Utvinning av uran från malmen kan ske under sura eller alkaliska lakningsprocesser med svavelsyra respektive natriumkarbonat . Om uranyl lakas med svavelsyra, bildar uranyl ett lösligt uranylsulfatkomplex i följande reaktion. Vätejoner i lösning reagerar med vatten för att producera hydroniumjoner som sänker lösningens pH och gör den surare.
UO 2 + 3H 2 SO 4 + 1/2 O 2 → [UO 2 (SO 4 ) 3 ] 4− + H 2 O + 4H +
H + ( aq) + H2O (l) → H3O + ( aq )
Under in-situ urlakning reagerar uranyl med järn , en vanlig naturlig oxidant , för att producera uranyltrioxid som oxideras ytterligare och sedan lakas med alkaliskt natriumkarbonat i följande reaktioner.
UO 2 + 2Fe 3+ → UO 2 +2 + 2Fe 2+
UO 2 + 1/2 O 2 → UO 3
UO 3 + 3Na 2 CO 3 + H 2 O → [UO 2 (CO 3 ) 3 ] 4+ + 4Na + + 2NaOH
När man överväger bildandet av sekundära uranmineraler, som diskuteras i fallstudieavsnittet nedan, är pH-värdet i lösningen som innehåller uranofan en av de avgörande faktorerna för hur mycket av uranofan som är i mineralform eller i form av dess joner. Visat i figur 2, från en studie utförd av Tatiana Shvareva et al. 2011, är upplösningen av uranofan i pH 3 (Figur 3b) och pH 4 (Figur 3a). Graferna visar att i en surare miljö är det mer sannolikt att koncentrationerna av Ca , U och Si är rikligare i mer basiska miljöer där det är mer sannolikt att de kommer att bilda mineraler. Detta är mer sannolikt att hända när den sura gruvdräneringen släpps ut i floder eller stora vattenavlagringar och de späds ut till ett pH som ligger närmare vattnets.
Bildningsentalpierna (från grundämnen och från oxidarter) och Gibbs fria bildningsenergier ( från grundämnen) av uranmineralerna boltwoodit , Na-boltwoodit och uranofan visas i tabell 1. Löslighetskonstanter (dissociation av mineraler till joner) för samma mineraler, bestämda med hjälp av en bombkalorimeter i en studie av Shvareva, Tatiana et al. år 2011, visas i tabell 2. Gibbs fria bildningsenergier visar att processen, när reaktionerna från de enskilda elementen till oxiderna beaktas, är spontan. Bildningens entalpier, när man bara beaktar reaktionen från oxiderna till mineralet, antyder en relativt hög sannolikhet för att deras Gibbs fria bildningsenergivärden också är spontana.
ΔH f, ox (kJ/mol) | ΔH f, el (kJ/mol) | ΔG f, el (kJ/mol) | |
---|---|---|---|
Boltwoodit: K(UO2 ) (HSiO4 ) :HO | -251,2 ± 5,9 | -2766,8 ± 6,5 | -2758,6 ± 3,5 |
Na-boltwoodit: Na(UO2 ) ( HSiO4 ) : H2O | -215,8 ± 6,0 | -2948,8 ± 6,6 | -2725,2 ± 2,6 |
Uranofan: ½[Ca(UO2 ) 2 ( HSiO4 ) : 5H2O ] | -161,1 ± 5,4 | -3399,5 ± 5,8 | -3099,3 ± 5,6 |
Tabell 1. Bildningsentalpin (från oxid till mineral), bildningsentalpi (från enskilda grundämnen till mineral) och Gibbs fria energi (från enskilda grundämnen till mineral) av boltwoodit, Na-boltwoodit och uranofan.
log Ksp ± 2σ | Massaktionsekvationer | |
---|---|---|
Boltwoodit : K(UO2 ) (HSiO4 ) : H2O | 4,12 (-0,48/+0,30) | K sp = |
Na-boltwoodit: Na(UO2 ) ( HSiO4 ) : H2O | 6,07 (-0,16/+0,26) | K sp = |
Uranofan: ½[Ca(UO2 ) 2 ( HSiO4 ) : 5H2O ] | 10,82 (-0,62/+0,29) | K sp = |
Tabell 2. Löslighetskonstanter och massverkansekvationer för boltwoodit, Na-boltwoodit och uranofan.
Fallstudie av dränering av uransyragruvor
Två urangruvor i norra Portugal , Quinta do Bispo och Cunha Baixa , har varit inaktiva sedan 1991. Surt vatten pumpas ut ur gruvorna för neutralisering och utfällning av radionuklider med hjälp av kalciumhydroxid . Studier 2002 fann att det fanns höga koncentrationer av lösliga och suspenderade uranradionuklider i flodvattenprover nära gruvorna. Castelo-floden nådde isotopkoncentrationer av suspenderad uran på -72 kBq /kg, vilket är ungefär 170 gånger högre än normala koncentrationer i Mondegofloden, men återgick till det normala efter 7 km. Gruvvattnet i Quinta do Bispo och Cunha Baixa hade låga pH-värden på 2,67 och 3,48 med U-238 -koncentrationer på 92 000 mBq/L respektive 2 200 mBq/L.
Resultat från studier gjorda 2002 visade en signifikant negativ korrelation mellan både lösta uranradionuklider och vätejoner med pH i gruvvattnet. Sorption av lösta uranradionuklider i floder i kombination med närliggande bergsediment kan bilda mineraler som uranofan. Kemin och fynden i detta fall är i huvudsak representativa för andra urangruvor i världen.
Uranradionuklider i miljön
En uranradionuklid är en radioaktiv isotop. Radioaktivitet är naturligt i miljön, men uranradionuklider kan leda till radioaktivt sönderfall. När det gäller urangruvor kan dessa radionuklider läcka ut i vattnet och göra att radioaktiviteten transporteras någon annanstans, samt bilda fällningar som kan vara skadliga för miljön. Uranradionukliderna kan så småningom transporteras till frukt och grönsaker via förorenat vatten. Svavelsyra, oxidation och alkalisk urlakning är processer för hur radionuklider tar sig in i miljön. När uran sönderfaller producerar det också isotoperna 226 Ra och 222 Rn , vilket kan vara miljöskadligt på grund av att radon finns som en inert gas och därför kan komma in i marken eller atmosfären. Radon kan då avge alfapartiklar och gammastrålning . De tre olika radioaktiva isotoper av uran är uran-238, uranium-235 och uran-234 . Var och en har olika halveringstid som bestämmer isotopens sönderfallshastighet. När uran-235 kombineras med andra molekyler skapar det en kemisk reaktion som kan orsaka skadliga effekter på vatten. Även om isotopbildning sker naturligt kan det i kombination med andra element göra att vattnets pH blir surare som diskuterats tidigare.
- ^ Virginia kommitté på uranbrytning in; Resurser, kommittén på jorden; Rådet, Nationell forskning (2011-12-19). Potentiella miljöeffekter av uranbrytning, bearbetning och återvinning . National Academies Press (USA).
- ^ a b c d e Abdelouas, A. (2006-12-01). "Urankvarnsavfall: Geokemi, mineralogi och miljöpåverkan". Element . 2 (6): 335-341. doi : 10.2113/gselements.2.6.335 . ISSN 1811-5209 .
- ^ a b c d Shvareva, Tatiana Y.; Mazeina, Lena; Gorman-Lewis, Drew; Burns, Peter C.; Szymanowski, Jennifer ES; Fein, Jeremy B.; Navrotsky, Alexandra (2011). "Termodynamisk karakterisering av boltwoodit och uranofan: Entalpi av bildning och vattenlöslighet". Geochimica et Cosmochimica Acta . 75 (18): 5269–5282. Bibcode : 2011GeCoA..75.5269S . doi : 10.1016/j.gca.2011.06.041 .
- ^ Pereira, Wagner de Souza; Kelecom, Alphonse Germaine Albert Charles; Silva, Ademir Xavier da; Carmo, Alessander Sá do; Júnior, Delcy de Azavedo Py (2018). "Utvärdering av uranutsläpp till miljön från en handikappad urangruva i Brasilien". Journal of Environmental Radioactivity . 188 : 18–22. doi : 10.1016/j.jenvrad.2017.11.012 . PMID 29153863 . S2CID 4215263 .
- ^ a b c d e f P., Carvalho, Fernando; M., Oliveira, João; Isabel, Faria (2009). "Alfa-emitterande radionuklider i dränering från Quinta do Bispo och Cunha Baixa urangruvor (Portugal) och tillhörande radiotoxikologisk risk" . Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology . 83 (5): 668–673. doi : 10.1007/s00128-009-9808-3 . ISSN 0007-4861 . PMID 19590808 . S2CID 38648832 .
- ^ Mir, Feroz A.; Snarare Sajad A. (2015-04-01). "Mätning av radioaktiva nuklider som finns i jordprover i distriktet Ganderbal i Kashmirprovinsen för strålsäkerhetsändamål" . Journal of Radiation Research and Applied Sciences . 8 (2): 155–159. doi : 10.1016/j.jrras.2014.03.006 .
- ^ Chang, Grå. "Beräkning av radioaktivt sönderfallshastighet av 1,00 gram naturligt uran i kBq" . ataridogdaze.com . Hämtad 2017-11-28 .
- ^ Carvalho, Fernando P.; Oliveira, João M.; Faria, Isabel (november 2009). "Alfa-emitterande radionuklider i dränering från Quinta do Bispo och Cunha Baixa urangruvor (Portugal) och tillhörande radiotoxikologisk risk". Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology . 83 (5): 668–673. doi : 10.1007/s00128-009-9808-3 . ISSN 1432-0800 . PMID 19590808 . S2CID 38648832 .