Geochemický výzkum vzniku a chování novotvořených částic v roztocích vyluhovacích polí uranového ložiska Stráž pod Ralskem

Mgr. Jan Holeček

Doctoral thesis

Geochemical research on the formation and behavior of newly formed precipitates in solutions of leaching fields at uranium deposit Stráž pod Ralskem

Abstract:

Sanace zbytkových technologických roztoků uranového ložiska Stráž pod Ralskem patří k největším řešeným ekologickým zátěžím současnosti v České republice. Neutralizace je jednou z plánovaných sanačních metod s in situ působností, která bude využita v pozdější fázi sanace ložiska. Disertační práce se zabývá geochemickými aspekty novotvořených pevných fází vznikajících při neutralizačních reakcích kyselých technologických roztoků s alkalickým činidlem. Práce přináší nové poznatky z oblastí chemie a mineralogie novotvořených fází, kinetiky neutralizačních reakcí a jejich látkových bilancí. Řešeny jsou otázky stability novotvořených sraženin v kyselém prostředí zbytkových technologických roztoků. Byly dokumentovány tři různé mechanismy vzniku novotvořených sraženin, z nichž nejvýznamnější jsou srážecí reakce. Vznik sraženin během neutralizačních reakcí je rychlý, téměř okamžitý, gravitační separace novotvořených sraženin se objevuje již v prvních minutách až prvních hodinách, avšak chemické změny v roztoku probíhají mnohem delší dobu v řádu měsíců. Mineralogicky jsou vzniklé sraženiny tvořeny většinou sádrovcem nebo jarositem, avšak za specifických podmínek mohou vzniknout i jiné fáze jako kalcit, dolomit, alunogen, epsomit, gibsit, etryngit a další minerály ze skupiny síranů a oxihydroxidů. Minerální složení jednotlivých sraženin se mění v řádu měsíců až let. Část původně mikrokrystalických sraženin přešla po 8 letech stárnutí v matečném roztoku do amorfního stavu. Stabilita jejich mikrokrystalické struktury je podmíněna chemickým složením matečného roztoku. Množství vznikajících novotvořených sraženin je závislé na vhodném poměru reagentů v neutralizované směsi, naopak pH vodné směsi a množství rozpuštěných látek nejsou hlavními řídícími faktory. Obecně je podíl vysrážených látek navázaných do pevné fáze nízký, v maximu okolo 12 hm. % (po 1 roce). Z celkového množství přítomných rozpuštěných látek zůstává převážná většina mineralizace i po neutralizaci v rozpuštěné formě. Vzniklé novotvořené sraženiny jsou minimálně po dobu 4 dní stabilní i po přídavku dvojnásobného přebytku kyselého zbytkového technologického roztoku do neutralizované směsi a nerozpouští se. Kromě neutralizačních reakcí zbytkových technologických roztoků byly studovány i rozpuštěné plyny v těchto vodách, což je oblast, která byla doposud opomíjená. Největší podíl v obsahu rozpuštěných plynů ve vodách zaujímá inertní dusík (max. 96 obj. %), avšak byly objeveny významné podíly reaktivního kyslíku (max. 17 obj. %) a oxidu uhličitého (max. 9 obj. %). Zajímavé je zjištění vysoké koncentrace vodíku téměř 7 obj. % v silně kyselých zbytkových technologických roztocích.

Abstract:

The remediation of the acid residual technological solutions in the uranium deposit Stráž pod Ralskem is one of the major environmental burden currently solved in the Czech Republic. The in situ neutralization of the acidified groundwater is planned as a Newly formed precipitates were stable even after the double volume addition of the acid residual technological solution to the neutralized mixture for at least 4 days and they did not dissolve. The composition and origin of dissolved gases in groundwater of the Stráž pod Ralskem deposit were studied because this property had been neglected so far. The largest proportion of the dissolved gases consists of an inert nitrogen (max. 96 vol. %). Significant proportion of reactive oxygen (max. 17 vol. %) and carbon dioxide (max. 9 % vol.) were discovered in some samples. A presence of high concentration of hydrogen (almost 7 vol. %) was observed in some strongly acidified mine groundwater. Stráž pod Ralskem, acid residual technological solutions, newly formed precipitates, mineralogy of precipitates, dissolved gases, sedimentary deposit of uranium remediation technique which will be used in a later stage of the deposit remediation. This PhD thesis deals with the geochemical aspects of the newly formed solid phases occurring during neutralization of acid residual technological solutions with an alkaline solution from a neutralisation decontamination plant. The thesis brings new insights into the fields of chemistry and mineralogy of newly formed phases, the kinetics of neutralization reactions and their mass balances. It was investigated the stability of the newly formed phases in the acid groundwater environment. Three different mechanisms of formation of the new phases were documented. The most important appeared to be the neutralisation precipitation reaction. Formation of precipitates is rapid during the neutralization reaction. It is almost instantaneous, a gravitational separation of the newly formed solid phases occurs within the first minutes up to several hours after mixing; however chemical changes take place in the solution for a period of several months. From the mineralogical point of view, the newly formed precipitates are mostly gypsum and jarosite. Other minerals precipitate under specific conditions. They are calcite, dolomite, alunogen, epsomite, gibsit, etryngit and other minerals from the groups of sulphates and oxihydroxides. The mineral composition of precipitates changes in a period of months and years. It was found that a part of the microcrystalline precipitates changed to an amorphous state after eight years of aging. The stability of the microcrystalline structures depended on the chemical composition of the neutralised solution mixture. The amount of precipitates directly depended on a suitable ratio of the reagents in the neutralized mixture, while the pH of the solution and the amount of dissolved solids were subsidiary controlling factors. The proportion of the precipitated phases compared to the dissolved solids in solution was low, at a maximum of about 12 wt. % (after 1 year). The dissolved solids remained in the solution after the precipitation. formed precipitates were stable even after the double volume addition of the acid

Keywords

Stráž pod Ralskem, neutralizace kyselých zbytkových technologických roztoků, novotvořené sraženiny, mineralogie sraženin

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 7. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 30. 10. 2015
• Supervisor: prof. RNDr. Tomáš Pačes, DrSc.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Doctoral programme / field:
Applied Science in Technology / Applied Science in Technology