張子赟 馬晨偉 周 芳 黃素華 馮 健余軍霞 池汝安
(1.武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.綠色化工過(guò)程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430073)
我國(guó)風(fēng)化殼淋積型稀土礦主要分布于南方,富含中重稀土資源,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及高端制造業(yè)(航空航天、軍工、冶金、石油化工等)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,素有“工業(yè)維生素”的美譽(yù),是我國(guó)重要戰(zhàn)略性資源[1-2]。我國(guó)是世界上稀土資源最豐富的國(guó)家,稀土礦資源占全球總量的36.7%[3]。風(fēng)化殼淋積型稀土礦(即離子吸附型稀土礦)于1969 年在我國(guó)江西被首次發(fā)現(xiàn),是我國(guó)儲(chǔ)量豐富的稀土礦產(chǎn)資源,因其具有配分齊全、富含中重稀土、放射性比度低等特點(diǎn),現(xiàn)已成為我國(guó)重要的戰(zhàn)略資源[4]。
風(fēng)化殼淋積型稀土礦中的稀土元素多以羥基水合離子和水合離子的形式吸附在高嶺石、伊利石等黏土礦物表面,因此稀土可采用某些化學(xué)性質(zhì)更加活潑的陽(yáng)離子進(jìn)行離子交換浸出[5]。風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸取工藝經(jīng)歷了不斷的變革,從20 世紀(jì)70 年代的桶浸、堆浸發(fā)展至如今廣泛應(yīng)用的原地浸出工藝。原地浸出工藝是將浸取劑溶液注入天然的風(fēng)化殼淋積型稀土礦礦體,礦石中的稀土離子與浸取劑陽(yáng)離子發(fā)生離子交換反應(yīng)進(jìn)入浸出液中流出礦體,經(jīng)收集浸出液得到稀土溶液[6]。相比于桶浸和池浸,原地浸出工藝不存在“搬山運(yùn)動(dòng)”,生產(chǎn)成本更低,環(huán)境污染更小,是目前最常用的風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸出工藝[7]。然而,由于不同礦床的成因不同,風(fēng)化殼淋積型稀土礦的礦體性質(zhì)存在較大差異。有些地方的稀土礦風(fēng)化層較厚,礦體的滲透性較差,導(dǎo)致浸取劑溶液滲流速度較慢、滲流過(guò)程出現(xiàn)堵塞,影響風(fēng)化殼淋積型稀土礦原地浸出工藝的作業(yè)周期和稀土浸出率。因此,探討浸取劑溶液在風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸出過(guò)程中的滲流規(guī)律對(duì)于風(fēng)化殼淋積型稀土礦綠色高效開(kāi)采具有重要的意義。
為研究風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸礦過(guò)程中浸取劑溶液的滲流規(guī)律,我國(guó)的冶礦工作者對(duì)浸礦條件、浸礦方式及浸取劑的選擇優(yōu)化進(jìn)行了大量的研究。陳飛虹等[8]發(fā)現(xiàn),在蒙脫土、高嶺土和伊利石中,滲透速度均隨硫酸銨溶液濃度的增大而降低,隨液柱高度的增大而增大。王宏博等[9]分別采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.00%的聚乙二醇400、聚乙二醇1 000、聚乙二醇4 000 與0.20 mol/L 的氯化銨復(fù)配,研究表明復(fù)配浸取劑溶液在稀土礦樣中的滲透速率隨著水力梯度的增大呈線(xiàn)性增大,符合達(dá)西定律。劉楚凡等[10]分析了風(fēng)化殼淋積型稀土礦滲流、傳質(zhì)過(guò)程的研究現(xiàn)狀,提出可以通過(guò)改進(jìn)注液方式、增加外力場(chǎng)來(lái)加快風(fēng)化殼淋積型稀土礦的滲流速率。姚慧琴等[11]發(fā)現(xiàn),復(fù)合浸取劑的浸出效果大于單一浸取劑,稀土浸出母液的雜質(zhì)含量更低。馮健等[12]研究發(fā)現(xiàn),隨著礦石初始含水率的增大,滲透速度越快,形成穩(wěn)定流場(chǎng)的時(shí)間越短;隨著裝礦高度的增加,滲透速度越來(lái)越慢,形成穩(wěn)定流場(chǎng)的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng);壓差越大,滲透速度越快,形成穩(wěn)定流場(chǎng)的時(shí)間越短。
筆者課題組的前期研究表明[13-15],甲酸銨具有加快稀土浸出速率和抑制雜質(zhì)鋁離子浸出的作用。為了進(jìn)一步明確甲酸銨在風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸取滲流過(guò)程中的增效機(jī)制,本文采用硫酸銨、氯化銨、硝酸銨3種銨鹽分別與甲酸銨復(fù)配作為浸取劑,研究了裝礦高度、壓差和初始含水率對(duì)浸取劑溶液在稀土礦中滲透過(guò)程的影響,闡明甲酸銨對(duì)風(fēng)化殼淋積型稀土礦銨鹽浸取滲透性的影響,揭示甲酸銨復(fù)配銨鹽浸取風(fēng)化殼淋積型稀土礦的浸取劑溶液滲流規(guī)律,為指導(dǎo)風(fēng)化殼淋積型稀土礦的高效開(kāi)采提供一定的理論指導(dǎo)。
1.1 試驗(yàn)藥品及儀器
試驗(yàn)用主要試劑為:硫酸銨(AR)、氯化銨(AR)、硝酸銨(AR)、甲酸銨(AR),均購(gòu)自武漢申試化工科技有限公司。
試驗(yàn)用主要儀器為:Φ45 mm 玻璃柱、AL104 電子分析天平、DZF-6020 鼓風(fēng)干燥箱。
1.2 稀土礦物分析
試驗(yàn)礦樣來(lái)自廣東某稀土礦礦山,主要礦物包括高嶺石、石英、埃洛石、鉀長(zhǎng)石、白云母和斜長(zhǎng)石等。礦樣在+0.83 mm、0.83～0.25 mm、0.25～0.15 mm、0.15～0.109 mm 和-0.109 mm 粒級(jí)的質(zhì)量占比分別為32.84%、20.90%、11.52%、6.35%和28.39%。
1.3 試驗(yàn)方法
基于筆者課題組前期試驗(yàn)結(jié)果[16],采用2 g/L甲酸銨與銨根離子濃度為0.2 mol/L 的銨鹽(硫酸銨、氯化銨、硝酸銨)復(fù)配作為浸取劑,考察浸取過(guò)程中裝礦高度、初始含水率和壓差對(duì)風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸取滲透性的影響。
分別準(zhǔn)確稱(chēng)取一定量干燥的稀土礦樣,采用純水混合攪拌調(diào)整礦石初始含水率,將礦樣緩慢均勻裝入玻璃柱,控制裝礦高度。在礦樣表層放兩層濾紙,再迅速地加入浸取劑溶液,形成固定高度液柱,達(dá)到指定液柱壓差ΔP,保持液柱高即保持浸取壓差,每隔一定時(shí)間收集浸出液,量取浸出液體積,考察浸取劑溶液在浸取過(guò)程中的滲流規(guī)律。
壓差ΔP為:
式中,ρ為水密度,kg/m3;g為重力加速度,N/kg;H為稀土礦樣頂部液柱高度,m。
滲流速度v為:
式中,Q為滲流量,mL/s;A為橫斷面積,cm2。
2.1 裝礦高度對(duì)滲透速度的影響
分別采用濃度為0.1 mol/L 的硫酸銨、0.2 mol/L的氯化銨、0.2 mol/L 的硝酸銨與2 g/L 的甲酸銨復(fù)配作為浸取劑。室溫條件下,改變稀土礦的裝礦高度,考察裝礦高度對(duì)風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸取劑溶液滲透速度的影響,結(jié)果如圖1～圖3 所示。
由圖1～圖3 可以看出,礦石初始含水率分別為5%、10%、15%和20%時(shí),3 種銨鹽復(fù)配甲酸銨浸取劑溶液在風(fēng)化殼淋積型稀土礦中的滲透速度均隨著裝礦高度的增加而減小。在初始含水率均為5%,壓差均為2.94×103Pa 時(shí),3 種銨鹽復(fù)配甲酸銨的滲透速度為硝酸銨>氯化銨>硫酸銨。初始含水率為10%,壓差為2.94×103Pa 時(shí),仍然滿(mǎn)足以上規(guī)律。裝礦高度為3 cm 時(shí),同一初始含水率和同一壓差下3 種銨鹽復(fù)配甲酸銨的滲透速度為硝酸銨>氯化銨>硫酸銨。
圖1 硫酸銨復(fù)配甲酸銨時(shí)裝礦高度對(duì)滲透速度的影響Fig.1 Effect of ore loaded height on seepage velocity with ammonium sulfate mixed with ammonium formate
圖2 氯化銨復(fù)配甲酸銨時(shí)裝礦高度對(duì)滲透速度的影響Fig.2 Effect of ore loaded height on seepage velocity with ammonium chloride mixed with ammonium formate
圖3 硝酸銨復(fù)配甲酸銨時(shí)裝礦高度對(duì)滲透速度的影響Fig.3 Effect of ore loaded height on seepage velocity with ammonium nitrate mixed with ammonium formate
風(fēng)化殼淋積型稀土礦為內(nèi)部多孔非固結(jié)性介質(zhì),液體在該類(lèi)介質(zhì)中滲流時(shí)一般符合達(dá)西定律[17]。當(dāng)浸取劑溶液進(jìn)入礦體時(shí),會(huì)以較快的速度從礦體表面向礦體內(nèi)部滲入,因?yàn)闈B透處于初始階段,礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)均未發(fā)生改變,此時(shí)的滲透速度較快。隨著浸礦開(kāi)始,在浸礦時(shí),礦體內(nèi)部微觀孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)隨浸取劑溶液滲流和浸取劑溶液與礦石之間發(fā)生的離子交換反應(yīng)而改變,即礦體內(nèi)部結(jié)構(gòu)受制于溶液滲流和離子交換兩個(gè)過(guò)程的耦合影響。一方面,浸取劑溶液在滲流時(shí)會(huì)導(dǎo)致礦體內(nèi)部的孔隙增多,孔徑增大,將礦石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)破壞使其內(nèi)部松散。繼續(xù)滲流會(huì)帶動(dòng)礦石中的細(xì)小顆粒遷移,當(dāng)?shù)V石內(nèi)部某個(gè)部位的細(xì)小顆粒濃度超過(guò)臨界顆粒濃度時(shí),會(huì)發(fā)生堵塞沉積現(xiàn)象。此時(shí),浸取劑溶液滲透速度會(huì)隨著裝礦高度的增加而減小。另一方面,隨著浸礦的進(jìn)行,浸礦強(qiáng)烈反應(yīng)階段開(kāi)始,強(qiáng)烈的離子交換反應(yīng)開(kāi)始影響礦體的內(nèi)部結(jié)構(gòu),此時(shí)的離子交換會(huì)使得顆粒移動(dòng)重組,孔徑減小,孔隙數(shù)量增多從而導(dǎo)致礦石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變得緊密。此外,裝礦高度越高,浸出液在礦體中的阻力也會(huì)逐漸增大,導(dǎo)致浸取劑溶液的滲透速度減小。
從圖1～圖3 可以看出,裝礦高度在3～6 cm 時(shí),滲透速度的變化幅度最大,說(shuō)明該情況下裝礦高度的影響最為明顯。當(dāng)裝礦高度達(dá)到6 cm 后,隨著裝礦高度持續(xù)增加,裝礦高度對(duì)浸取劑溶液滲透速度的影響較小,減小趨勢(shì)趨于平緩。該現(xiàn)象可能是由于裝礦高度較小時(shí),細(xì)小顆粒的沉積較少、顆粒在孔隙中的篩濾作用不夠明顯、離子交換現(xiàn)象尚未覆蓋等原因?qū)е碌?當(dāng)裝礦高度增加時(shí),顆粒的沉積導(dǎo)致的篩濾作用發(fā)生,導(dǎo)致裝礦高度對(duì)滲透速度的影響呈較緩趨勢(shì)。
2.2 礦石初始含水率對(duì)滲透速度的影響
固定壓差為2.94×103Pa,分別采用濃度為0.1 mol/L 的硫酸銨、0.2 mol/L 的氯化銨、0.2 mol/L 的硝酸銨與2 g/L 的甲酸銨復(fù)配作為浸取劑,室溫條件下,改變礦石的初始含水率,考察礦石初始含水率對(duì)風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸取劑溶液滲透速度的影響,結(jié)果如圖4 所示。
圖4 初始含水率對(duì)滲透速度的影響Fig.4 Effect of initial moisture content on the seepage velocity
從圖4 可以看出,固定壓差條件下,3 種銨鹽復(fù)配浸取劑溶液在礦石中的滲透速度會(huì)隨著初始含水率的增加而增加,滲透效果隨著初始含水率的增加逐漸優(yōu)化。初始含水率為5%時(shí),同一壓差和同一裝礦高度下3 種銨鹽復(fù)配甲酸銨的滲透速度為硝酸銨>氯化銨>硫酸銨。初始含水率為10%、15%時(shí),滲透速度仍然滿(mǎn)足以上規(guī)律。同一裝礦高度和同一初始含水率條件下,3 種銨鹽復(fù)配甲酸銨的滲透速度為硝酸銨>氯化銨>硫酸銨。
風(fēng)化殼淋積型稀土礦是一種非飽和多孔介質(zhì)。浸礦過(guò)程中,礦石為非飽和狀態(tài)時(shí),空氣占據(jù)在大孔隙中,導(dǎo)致液體從孔徑較小的孔隙中滲流,同時(shí)空氣的存在會(huì)使得過(guò)水面減小,從而使?jié)B透速度減小。當(dāng)?shù)V石初始含水率較小時(shí),浸取劑溶液與礦石顆粒的距離較近,相互作用強(qiáng)烈,水的類(lèi)晶體結(jié)構(gòu)影響較大,導(dǎo)致浸取劑溶液的流動(dòng)阻力也增大。此外,礦石初始含水率會(huì)影響礦石的黏聚力和內(nèi)摩擦角。初始含水率較小時(shí),礦石表面水膜聯(lián)結(jié)力較大,凝聚作用顯著,礦石的黏聚力較大,反之會(huì)隨之減小,導(dǎo)致黏聚力減小,浸取劑溶液滲透速度增大。礦石內(nèi)摩擦角的大小影響著內(nèi)摩擦力的大小,礦石顆粒間的內(nèi)摩擦角越大,礦石內(nèi)部強(qiáng)度越大。在一定范圍內(nèi),內(nèi)摩擦角隨初始含水率的增加整體呈現(xiàn)非線(xiàn)性下降的趨勢(shì),即一定范圍內(nèi)初始含水率的增加會(huì)使得礦石內(nèi)部的摩擦角減小,內(nèi)部強(qiáng)度減小?？梢?jiàn),為減小在浸礦過(guò)程中黏聚力、內(nèi)摩擦力以及顆粒沉積等因素帶來(lái)的影響,可以適當(dāng)增加礦石初始含水率,從而在一定程度上有效加快浸取劑溶液在礦體中的滲透速度,為滲透性較差的稀土礦高效浸取提供了改進(jìn)方向。
從圖4 可以看出,不同裝礦高度之間滲透速度的差距也會(huì)隨著初始含水率的增大而增大,即裝礦高度較小時(shí),初始含水率對(duì)滲透速度的影響較為明顯?？赡苡捎谘b礦高度較小時(shí),初始含水率對(duì)水膜聯(lián)結(jié)力、內(nèi)摩擦角以及非飽和多孔介質(zhì)的影響較大,導(dǎo)致聯(lián)結(jié)作用、凝聚作用、內(nèi)摩擦強(qiáng)度及礦石飽和程度等因素的變化幅度較小,從而使得此時(shí)初始含水率對(duì)滲透速度的影響效果更明顯。
2.3 壓差對(duì)滲透速度的影響
固定裝礦高度為6 cm,分別采用濃度為0.1 mol/L 的硫酸銨、0.2 mol/L 的氯化銨、0.2 mol/L 的硝酸銨與2 g/L 的甲酸銨復(fù)配作為浸取劑,室溫條件下,考察壓差對(duì)風(fēng)化殼淋積型稀土礦浸取劑溶液滲透速度的影響,結(jié)果如圖5 所示。
圖5 壓差對(duì)滲透速度的影響Fig.5 Effect of pressure difference on the seepage velocity
從圖5 可以看出,同一裝礦高度時(shí),滲透速度隨著壓差的增大而增大,呈較規(guī)律的線(xiàn)性關(guān)系,符合達(dá)西定律。在裝礦高度為6 cm 時(shí),同一初始含水率且壓差一樣的情況下,3 種銨鹽復(fù)配甲酸銨的滲流速度為硝酸銨>氯化銨>硫酸銨。在浸礦過(guò)程中,壓差的變化引起水動(dòng)力的變化,水動(dòng)力會(huì)隨著壓差的變大而增大,此時(shí)礦體內(nèi)部顆粒的沉積現(xiàn)象會(huì)減少,同時(shí)較大的水動(dòng)力會(huì)使得沉積的顆粒移動(dòng),繼續(xù)遷移,從而形成新的滲流通道,最終提高滲流速度。另一方面,由于壓差的變化,浸取劑溶液因?yàn)闈B流而占據(jù)礦石內(nèi)部原本未封閉的孔隙從而釋放出孔隙中的空氣,最終形成浸取劑溶液的滲流通道。隨著壓差的增大,被浸取劑溶液充滿(mǎn)的孔隙越來(lái)越多,釋放的空氣也隨之增多,從而導(dǎo)致形成的滲流通道越來(lái)越多,滲流速度也因此加快。此外,壓差增大也會(huì)使得礦體中流體的最大壓強(qiáng)增大,就會(huì)抵消更多礦體黏聚力、內(nèi)摩擦力等阻力,從而使得浸取劑溶液的滲流更加順暢,其滲透速度也會(huì)因此增大。由此可見(jiàn),浸礦過(guò)程中要克服礦體阻礙浸取劑溶液滲流的問(wèn)題,可以適當(dāng)?shù)卦龃髩翰?優(yōu)化浸取過(guò)程。
由圖5 可知,試驗(yàn)研究范圍內(nèi),礦石的初始含水率越大時(shí),壓差對(duì)滲透速度的影響越明顯。這是由于在較高的礦石初始含水率下,礦石表面水膜厚度較大,礦石顆粒之間的聯(lián)結(jié)力小,凝聚作用減弱,黏聚力較小,更有甚者膠結(jié)作用消失;另外滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦也會(huì)隨著初始含水率的增大而減小,這使得礦石顆粒之間本身存在的相互作用減小,所以在初始含水率較高時(shí),本身疊加了含水率的優(yōu)化效果,故壓差對(duì)滲透速度的影響較為明顯。由此可見(jiàn),優(yōu)化礦石的浸礦效果時(shí),應(yīng)該改善多方面的條件以達(dá)到更加優(yōu)良的浸礦環(huán)境。達(dá)西定律指出:
式中,Q為滲流量,mL/s;k為滲透系數(shù),cm/s;A為橫斷面積,cm2;J為水力梯度。據(jù)此,可以算出礦石的滲透系數(shù)k如表1～表3 所示。
表1 不同初始含水率下礦石的滲透系數(shù)(硫酸銨)Table 1 The permeability coefficient of the ore at different initial moisture contents (ammonium sulfate)
表2 不同初始含水率下礦石的滲透系數(shù)(氯化銨)Table 2 The permeability coefficient of the ore at different initial moisture contents (ammonium chloride)
表3 不同含水率下礦石的滲透系數(shù)(硝酸銨)Table 3 The permeability coefficient of the ore at different initial moisture contents (ammonium nitrate)
由表1～表3 可知,在同等條件下,滲透系數(shù)k整體遵循硫酸銨<氯化銨<硝酸銨的順序。由此可看出,硝酸銨的浸出效率最快,硫酸銨最慢。
2.4 甲酸銨復(fù)配浸取液在浸取過(guò)程中的滲流規(guī)律
2.4.1 裝礦高度對(duì)滲流過(guò)程的影響
圖6 為礦石初始含水率10%和壓差0.49×103Pa時(shí),0.1 mol/L 的硫酸銨、0.2 mol/L 的氯化銨、0.2 mol/L 的硝酸銨與2 g/L 的甲酸銨復(fù)配浸取稀土,浸取劑溶液滲流速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。表4 為硫酸銨體系中不同裝礦高度下的滲透穩(wěn)定時(shí)間和滲透速度。
圖6 不同裝礦高度滲透速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation curve of seepage velocity at different ore loaded heights
表4 硫酸銨體系中不同裝礦高度下的滲透穩(wěn)定時(shí)間和滲透速度Table 4 Seepage stability time and seepage velocity at different ore loaded heights in ammonium sulfate system
從圖6 可以看出,在試驗(yàn)研究范圍內(nèi),每一個(gè)裝礦高度條件下,滲流初期的浸取液以一個(gè)較高的速度在礦石中流動(dòng),而后滲流速度以較大的幅度減小。期間滲流速度有小幅波動(dòng),這可能是由于在礦石顆粒遷移的過(guò)程中沉積作用使得滲透速度有所減小。而后,浸取液繼續(xù)流動(dòng)破壞了沉積效應(yīng),該瞬間的流速會(huì)突然變大,在宏觀上顯示為滲流速度在該時(shí)段小幅度的上下波動(dòng)。當(dāng)各裝礦高度條件下的滲透速度隨時(shí)間減小到一定值時(shí),滲流速度的大小會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定,保持穩(wěn)定流場(chǎng)繼續(xù)滲流。
結(jié)合圖6 和表4 分析,雖然在不同裝礦條件下的滲流速度隨時(shí)間的變化情況大致相同,但其各自的變化幅度有所差別。浸取初期滲流速度的變化較明顯,即變化幅度最大。比較變化曲線(xiàn)和滲流變化幅度表可知,硝酸銨達(dá)穩(wěn)定滲流時(shí)間最快,其次是硫酸銨,三者之中氯化銨達(dá)穩(wěn)定滲流最慢。裝礦高度3 cm 時(shí)的變化幅度較其他裝礦高度條件下的變化幅度大,滲透速度從16.97×10-4cm/s 降低至11.89×10-4cm/s,可能是由于裝礦高度3 cm 時(shí),礦石內(nèi)部顆粒之間的作用力本身不大,浸取劑溶液流動(dòng)的阻力較小,浸取劑溶液的滲流通道路徑較短,導(dǎo)致裝礦高度為3 cm 時(shí)滲流速度的變化幅度最大。此外,裝礦高度的增加會(huì)減小礦體中浸取劑溶液的最大壓強(qiáng)值,阻力也會(huì)增加,則浸取劑溶液在礦體中的最大流速減小,導(dǎo)致浸取初期滲流速度較小,故變化幅度隨之降低。
2.4.2 礦石初始含水率對(duì)滲流過(guò)程的影響
圖7 為裝礦高度15 cm 和壓差0.49×103Pa 時(shí),0.1 mol/L 的硫酸銨、0.2 mol/L 的氯化銨、0.2 mol/L的硝酸銨分別與2 g/L 的甲酸銨復(fù)配,在不同礦石初始含水率條件下浸取稀土,浸取劑溶液在礦體中的滲透速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。表5 為硫酸銨體系中不同初始含水率下的滲透穩(wěn)定時(shí)間和滲透速度。
圖7 不同初始含水率下滲透速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.7 Variation curve of seepage velocity under different initial moisture contents
表5 硫酸銨體系中不同初始含水率下的滲透穩(wěn)定時(shí)間和滲透速度Table 5 Seepage stability time and seepage velocity at different initial moisture contents in ammonium sulfate system
從圖7 可以看出,在不同初始含水率條件下,滲透速度先大幅度降低,而后稍有波動(dòng),最后保持相對(duì)穩(wěn)定直至浸取結(jié)束。值得注意的是,滲透速度降低后的小波動(dòng)可能是由于滲浸過(guò)程中礦土中的細(xì)小顆粒隨著浸取液遷移至直徑較小的通道時(shí)形成了篩濾作用,引起滲流通道堵塞從而導(dǎo)致滲流速度減小。隨著浸取液的持續(xù)流動(dòng),局部水壓增大,沖開(kāi)堵塞部位,沉積減少,最終滲透速度稍有增大,形成了較小的波動(dòng)。
由圖7 和表5 可以看出,不同初始含水率條件下的滲透速度的變化趨勢(shì)大致類(lèi)似,滲透速度在滲流前期先減小然后稍有波動(dòng),最終保持穩(wěn)定,但滲透速度的變化幅度卻有較大差別。以圖7(a)中硫酸銨復(fù)配甲酸銨為例,初始含水率為15%和20%時(shí),前期滲透速度的變化幅度較大,滲流速度分別從5.22×10-4cm/s、3.37×10-4cm/s 直接減少到4.42×10-4cm/s、2.24×10-4cm/s,同時(shí)在104s 時(shí)基本達(dá)到穩(wěn)定流速形成穩(wěn)定流場(chǎng)。而初始含水率為5%和10%的滲透速度變化幅度較小,滲透速度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也更長(zhǎng)?？梢钥闯?初始含水率越大時(shí),其對(duì)滲透速度各方面的影響越大。這可能是由于含水率影響了礦石顆粒內(nèi)部的黏聚力、內(nèi)摩擦力等顆粒之間的相互作用力,導(dǎo)致浸取液在入滲過(guò)程中顆粒團(tuán)聚體的崩解現(xiàn)象減少。
由圖7 可以看出:初始含水率為20%時(shí),氯化銨的滲流速度最快,其次是硝酸銨,三者之中硫酸銨最慢;氯化銨達(dá)穩(wěn)定滲流時(shí)間最快,其次是硝酸銨,三者之中硫酸銨達(dá)到穩(wěn)定滲流最慢。初始含水率為5%、10%和15%時(shí),硝酸銨的滲流速度最快,其次是氯化銨,三者之中硫酸銨最慢;硝酸銨達(dá)穩(wěn)定滲流時(shí)間最快,其次是氯化銨,三者之中硫酸銨達(dá)穩(wěn)定滲流最慢。
2.4.3 壓差對(duì)滲流過(guò)程的影響
圖8 為裝礦高度9 cm 和初始含水率15%時(shí),0.1 mol/L 硫酸銨、0.2 mol/L 氯化銨、0.2 mol/L 硝酸銨分別與2 g/L 甲酸銨復(fù)配,在不同壓差條件下浸取稀土,浸取劑溶液滲透速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。表6 為硫酸銨體系中不同壓差下的滲透穩(wěn)定時(shí)間和滲透速度。
表6 硫酸銨體系中不同壓差下的滲透穩(wěn)定時(shí)間和滲透速度Table 6 Seepage stability time and seepage velocity at different ore loaded heights in ammonium sulfate system
圖8 不同壓差滲透速度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.8 Variation curve of seepage velocity under different pressure differences
從圖8 可以看出,不同壓差條件下滲透速度均先較大幅度減小,最后保持穩(wěn)定。其中,壓差為0.49×103Pa 和0.98×103Pa 時(shí),滲透速度大幅下降后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較小的波動(dòng),這可能是由于壓差較小時(shí),浸取液的局部勢(shì)能在某部位聚集,該勢(shì)能增大到一定程度時(shí),浸取液會(huì)沖開(kāi)該堵塞區(qū)域形成滲流通道,導(dǎo)致滲流速度小幅增加。隨后,聚集在一起的細(xì)小顆粒表面水膜厚度變大以及細(xì)小顆粒的遷移導(dǎo)致滲透速度的變化趨于緩慢直至滲流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
結(jié)合圖8 和表6 分析,盡管不同壓差條件下滲流速度的變化情況大致相同,但滲透速度變化幅度以及達(dá)到穩(wěn)定流場(chǎng)的時(shí)間有所差別。硝酸銨復(fù)配甲酸銨作為浸取液時(shí)浸出速度最快,其次是氯化銨,三者之中硫酸銨達(dá)穩(wěn)定滲流最慢。1.47×103Pa、1.96×103Pa、2.45×103Pa、2.94×103Pa 條件下,浸取前期滲流速度會(huì)以較大的幅度減小,之后形成穩(wěn)定流場(chǎng),滲流速度約在6×103s 前達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而較小的兩個(gè)壓差條件下,初始滲透速度較小,浸取前期的變化幅度不大,變化趨勢(shì)較為平緩,穩(wěn)定流場(chǎng)在9×103s 左右形成。相比低壓差而言,高壓差狀態(tài)下,滲透速度在浸取前期的變化幅度較大,且形成穩(wěn)定流場(chǎng)更快,該規(guī)律說(shuō)明在實(shí)際浸礦中,可以適當(dāng)增加壓差以實(shí)現(xiàn)高效浸礦。
將硫酸銨、氯化銨、硝酸銨3 種銨鹽與甲酸銨復(fù)配作為浸取劑溶液浸取風(fēng)化殼淋積型稀土礦,分別考察裝礦高度、初始含水率和壓差對(duì)浸取過(guò)程中滲透規(guī)律的影響。
(1)3 種復(fù)配銨鹽作為浸取劑溶液浸取風(fēng)化殼淋積型稀土礦時(shí),浸取劑溶液在礦石中的滲透系數(shù)都稍有提升。同等情況下硝酸銨復(fù)配甲酸銨作為浸取液時(shí)的滲透系數(shù)最高,氯化銨次之,硫酸銨的滲透系數(shù)最小。
(2)3 種復(fù)配銨鹽在礦石中的浸出速度均隨著裝礦高度的減小、礦石初始含水率的增加、壓差的增大而增大,3 種銨鹽中硝酸銨復(fù)配甲酸銨作為浸取液時(shí)滲透速度最快,氯化銨次之,硫酸銨的滲透速度最小。
(3)浸取劑溶液在礦體中形成穩(wěn)定流場(chǎng)的時(shí)間均隨裝礦高度的減小、礦石初始含水率的增加、壓差的增大而縮短。3 種銨鹽中硝酸銨復(fù)配甲酸銨作為浸取液時(shí)形成滲流穩(wěn)定場(chǎng)最快,氯化銨次之,硫酸銨形成滲流穩(wěn)定場(chǎng)最慢。
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