离子型稀土矿原地溶浸溶浸液渗流规律的影响因素

吴爱祥, 尹升华, 李建锋

(中南大学 资源与安全工程学院, 湖南 长沙, 410083)

摘要: 根据离子型稀土矿具有黏土矿物性质,矿物颗粒表面结合水对溶浸液具有粘滞和吸收作用,并能缩小孔隙体积的特点,探讨了矿物颗粒表面结合水的形成机理及其对溶浸液渗流规律的影响。研究结果表明:离子型稀土矿具有B型颗粒结构特征,松散矿物颗粒在满足起动临界水力梯度和颗粒几何尺寸的条件下阻塞孔隙;表面结合水和松散颗粒是影响原地溶浸离子型稀土矿溶浸液渗流规律的2个主要因素。
关键词: 原地溶浸; 离子型稀土矿; 结合水; 松散颗粒; 渗流规律
中图分类号:TD32 文献标识码:A 文章编号: 1672-7207(2005)03-0506-05

Influential factors of permeability rule of leaching solution
in ion-absorbed rare earth deposits with in-situ leaching

WU Ai-xiang, YIN Sheng-hua, LI Jian-feng

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: According to the fact that ion-absorbed rare earth deposits have the characters of clay mineral, and the bound water on ore particles surface has adhesive and absorb effect on the leaching solution, and volume of pore is shrunken because of the bound water, the formation mechanism of bound water on ore particles surface was studied, and the effect of bound water on ore particles surface on the permeability rule of the leaching solution was investigated. The results show that the ion-absorbed rare earth deposits have the B-type particle structure. The loose ore particles can block the pore under the conditions of critical hydraulic slope and particle geometry size. Bound water on ore particles surface and the loose ore particles are the two major factors impacting the permeability rule of the leaching solution.
Key words: in-situ leaching; ion-absorbed rare earth deposits; bound water; loose particle; permeability rule 

离子型稀土矿是我国特有的稀土资源, 自20世纪70年代初在我国南方五省——江西、 湖南、 广东、 广西及福建首次发现以来, 开采工艺由起初的“露采—池浸”工艺发展到原地溶浸采矿法^[1], 现已形成较为成熟的溶浸开采工艺, 实现了离子型稀土矿高效率、 低成本及绿色型开采。

溶浸液溶解有用矿物的能力和溶浸液的渗流规律是影响浸出效果的2个重要因素^[2], 离子型稀土矿的开采是硫酸氨溶液中的氨根离子与矿物颗粒表面的稀土离子进行离子交换、 进入溶浸液的过程,其化学过程所需时间较短, 因此, 硫酸氨溶浸液的浸出效果主要取决于溶液在稀土矿床中的渗透效果。 离子型稀土矿具有特殊的黏土矿物性质, 例如矿物颗粒小, 比表面积大及孔隙率小等, 导致该类矿床渗透性差,溶浸液渗透效果不好, 影响浸出速度和资源综合利用率。 为此, 作者从矿物颗粒表面的水理性质和松散颗粒的迁移规律入手, 探讨离子型稀土矿原地溶浸溶浸液渗流规律的影响因素。

1 矿物颗粒表面结合水对溶浸液渗流规律的影响

离子吸附型稀土矿是由花岗岩和火山岩在湿热气候下经生物和化学风化作用形成的黏土矿物, 如高岭石、 埃洛石和蒙脱石等。 原岩中可风化的稀土矿物, 如氟碳铈矿和硅铍钇矿等也风化形成带羟基的水合稀土离子, 随淋滤水的下迁吸附于黏土矿物表面, 形成风化淋积型稀土矿, 即离子型稀土矿。
1.1 离子型稀土矿的黏土性质

由离子型稀土矿的形成过程可知, 稀土离子主要吸附于黏土矿物。 因此, 离子型稀土矿具有与黏土相似的晶体结构。 该结构主要由2个最基本的结构单元即硅氧四面体和铝氧八面体组成^[3], 并沿x轴方向发展。 四面体的中心为Si⁴⁺, 而4个O^2-分布于四面体的4个顶点, 四面体的4个面均为等边三角形, 有时四面体中的氧离子被氢氧根离子所代替, 四面体的底面位于同一平面。 其中,3个顶点彼此联结, 第4个顶点指向同一方向, 在平面上组成六角形网格状结构或链状结构, 成为四面体层(片)。 八面体由6个氧或氢氧根离子以等距排列而成, Al³⁺(或Mg²⁺)位于中心, 八面体亦排列成层状结构, 成为八面体层(片)(如图1所示)。
1.2 矿物颗粒表面的结合水

由于离子型稀土矿具有特殊的黏土性质, 矿物表面通常带有较多的负电荷, 在矿物颗粒周围产生电场, 能吸附水溶液中的水化阳离子。 除水化阳离子外, 还有一些水分子也被矿物颗粒吸附(见图2), 形成矿物颗粒表面的结合水层^[4]。 矿物颗粒表面由强烈吸附的水化阳离子和水分子构成吸附水层(强结合水), 土表面的阳离子浓度最大, 随着离土粒表面距离的加大, 其阳离子浓度逐渐降低, 直至达到孔隙中水溶液的标准浓度。 从土粒表面至阳离子标准浓度的位置称为扩散层(弱结合水层)。 土粒表面的负电荷层和扩散层合称为双电层, 土粒表面的负电荷层为双电层的内层; 由水分子、 水化阳离子和阴离子所组成的扩散层为双电层的外层。

 (a) 四面体片; (b)八面体片
图 1   四面体片与八面体片示意图
Fig. 1   Schematic diagrams of tetrahedron
flake and octahedron flake

1—双电层; 2—强结合水层(吸附层); 3—弱结合水层(扩散层);
4—吸附结合水; 5—渗透吸附水; 6—自由水
图 2   结合水形成示意图
Fig. 2   Schematic diagram of formation
of bound water

1.3 结合水对溶浸液渗流规律的影响

矿物颗粒表面结合水对溶浸液渗流规律的影响主要表现在以下3个方面:

a. 对溶浸液的吸收作用。 当与矿物颗粒接触时, 溶浸液首先被吸附变成颗粒表面的结合水。 虽然单位表面积吸附的结合水的量一定, 但由于该类矿物颗粒较小、 比表面积大, 因此, 造成溶浸液大量损失, 同时增大溶浸液的注入与抽出比。

b. 对溶浸液的粘滞作用。 较小粒径的矿物颗粒阻碍溶浸液的竖直运动, 迫使溶浸液向四周弥散, 因此, 其重力沿溶浸液流动方向的分力明显减小, 而溶浸液渗流路径显著增长, 对溶浸液的粘滞作用加大, 从而减小溶浸液的渗流速度。

c. 减小孔隙体积。 吸附在颗粒表面的结合水层使矿物颗粒的体积增加, 同时使颗粒间孔隙的体积减小, 从而使溶浸液的渗流更加困难。

2 松散矿物颗粒对溶浸液渗流规律的影响

离子型稀土矿床中存在大量的松散颗粒, 溶浸液渗流产生的拖曳力容易克服颗粒之间的咬合力、 摩擦力以及由毛细管力引起的粘聚力及胶结力等, 促使颗粒迁移。 此外, 矿物散体颗粒之间的孔隙较小, 容易形成孔隙堵塞现象, 阻止溶浸液的渗流, 从而形成渗流“盲区”。

2.1 离子型稀土矿的颗粒结构

2.1.1 颗粒结构的分类

B.Aberg等^[5-7]将颗粒的结构分为2种: A型和B型。 在A型结构的颗粒集合体中, 每个颗粒和周围颗粒接触, 其位置不变。 所有颗粒只能随其邻近颗粒一起移动。在具有B型结构的颗粒集合体中, 仅有部分颗粒位置固定, 它们组成土的骨架, 称为骨架颗粒, 其他颗粒和周围的颗粒接触较少, 可在不扰动周围其他颗粒的情况下在一定范围内自由移动, B.Aberg称之为松散颗粒。 如图3所示, 松散颗粒可在周围较大的骨架颗粒所形成的孔隙中移动。 仅骨架颗粒影响颗粒集合体的总体积, 松散颗粒存在于骨架颗粒组成的孔隙中, 其位置的改变不影响颗粒集合体的总体积。 这种类型颗粒集合体中的细小颗粒较少, 所以, 颗粒级配曲线的下端比较平缓。

图 3   B型颗粒结构
Fig. 3   Structure of type B granule

A型颗粒集合体中微细颗粒较多, 颗粒级配曲线的下端较陡; 而B型颗粒集合体中微细颗粒较少, 因此,颗粒级配曲线的下端比较平缓(见图4), 这类颗粒中的微细颗粒容易发生迁移, 从而导致孔隙堵塞。

1—A型颗粒; 2—B型颗粒
图 4   A型和B型结构的颗粒级配曲线
Fig. 4   Grading curves of type A and
type B granules

2.1.2 离子型稀土矿的颗粒结构

矿样取自江西省龙南某离子型稀土矿床, 该矿样为灰白色, 细粉状, 遇水即呈黏稠状。为了进一步分析离子型稀土矿的黏土性质, 将矿样倒入标准分析筛中, 筛子孔径分别为10.0, 5.0, 2.0, 1.0, 0.5, 0.2, 0.1 mm, 置于筛析机上震筛10~15 min。 试验所得该离子型稀土矿的级配曲线如图5所示。可见,该离子型稀土矿的颗粒结构属于B型颗粒结构。

图 5   离子型稀土矿粒径级配曲线图
Fig. 5   Grading curve of ion-absorbed
rare earth granule

2.2 松散矿物颗粒对溶浸液渗流规律的影响

2.2.1 松散颗粒启动的水力条件

只有当溶浸液达到松散颗粒启动所需的临界水力梯度或临界渗流强度, 即松散颗粒启动的水力条件时, 松散颗粒才能发生迁移并造成孔隙堵塞。 首先, 对单个颗粒进行受力分析, 其受力主要有: 溶浸液渗透的拖曳力, 水中重力沿水流方向的分力,孔隙壁之间的摩擦力,颗粒与颗粒之间的相互作用力(包括碰撞力及双电场力等)。 其中,可移动颗粒受到的溶浸液的拖曳力和水中重力沿水流方向分力为启动力, 其他力均为阻力。 当启动力大于或等于阻力时即达到颗粒启动的水力条件^[8]。

若将矿物颗粒视为圆球形, 则其水中重力沿水流方向的分力为:

其中: γ_g和γ_s分别为颗粒和溶浸液的重度; R为颗粒半径; θ为水流方向与重力方向的夹角。

G.Kovacs认为水流作用在体积为V的颗粒上的拖曳力与水力梯度之间的关系为^[9]:

其中: I为水力梯度。

颗粒与孔隙壁之间的摩擦力为:

其中: μ为颗粒与孔隙壁之间的摩擦因数。

由于颗粒体积较小, 其相互作用可以忽略不计, 所以, 颗粒启动的条件为: 颗粒在水中重力沿水流方向的分力和溶浸液的拖曳力之和等于颗粒与孔隙壁之间的摩擦力, 即

f=G+F。(4)

将式(1), (2)和(3)代入式(4)得:

由式(5)可知, 松散颗粒迁移的临界水力梯度随颗粒的重度、 颗粒与孔隙壁之间的摩擦因数和水流方向与重力方向夹角的增大而增大。
2.2.2 松散颗粒堵塞孔隙的几何条件

采用Wyllie和Spangler提出的2个不同截面的毛管模型, G.Kovacs建立了一种变截面孔隙模型^[9-13], 并认为管壁的面积与体积之比应等于颗粒的表面积与孔隙体积之比, 从而得到孔隙的平均直径d₀, 最小直径d₁和最大直径d₂:

d₂=1.25d₀;(8)

其中: n为孔隙率; α为颗粒的形状系数(对于球体, α=6.0; 对于立方体和正八面体, α=10.4; 对于四面体, α=18.0); d_h为有效粒径, 且

Δω_i为第i组颗粒的质量分数; d_i为第i组颗粒的代表粒径。

由于离子型稀土矿颗粒结构属于B型颗粒结构, 因此, 可将其颗粒分为2类: 位置固定的骨架颗粒和可外移的松散颗粒(可动颗粒)。 而松散颗粒又可分为2种: 阻塞颗粒和移动颗粒(见图6)。 设松散颗粒直径为d, 则:

当d₁≤d≤d₂时, 该颗粒属于阻塞颗粒;

当d〈d₁时, 该颗粒属于移动颗粒。

 a—阻塞颗粒; b—移动颗粒
图 6   孔隙中的阻塞颗粒与移动颗粒
Fig. 6   Blocking and moving particles in pore

松散颗粒存在于骨架颗粒所形成的孔隙中, 随着溶浸液渗流的进行, 当渗透强度达到一定值时, 移动颗粒随溶浸液自由流动; 阻塞颗粒由于其颗粒粒径较大而不能移出孔隙。 但是, 移动颗粒和堵塞颗粒均将堵塞空隙, 从而影响溶浸液的渗流, 其原因为:

a. 移动颗粒似乎能随溶浸液自由流动, 不阻塞矿物孔隙, 不影响溶浸液的渗流规律。 但是, 一方面, 由于矿物中存在大量的微细颗粒, 容易出现类似溜井放矿时的组拱堵塞现象(见图7), 且微细颗粒越多, 出现组拱现象的概率越大^[14,15]; 另一方面, 随着溶浸液渗透的进行, 微细颗粒逐渐向矿床底部迁移, 并在底部沉积, 降低矿床底部渗透性, 从而影响溶浸液的渗流速度。

b. 阻塞颗粒虽不能像移动颗粒那样自由迁移, 但当启动力大于阻力时, 它可沿水流方向在孔隙之间产生较小位移, 将矿物孔隙堵塞, 从而阻止溶浸液的渗流。

图 7   运移颗粒阻拱堵塞孔隙示意图
Fig. 7   Schematic diagram of blocking pore
by moving granules

3 结 论

a. 根据离子型稀土矿特殊的黏土结构性质, 探讨了矿物颗粒表面结合水的形成机理及其对溶浸液渗流规律的影响, 认为结合水是影响溶浸液渗流规律的重要因素之一。

b. 离子型稀土矿物颗粒具有B型结构特征。 当水力梯度达到松散颗粒启动的临界水力梯度时, 移动颗粒将阻塞孔隙或由于沉积而降低矿床底部渗透性; 阻塞颗粒则直接堵塞孔隙, 影响溶浸液渗流。

c. 松散颗粒在满足启动的临界水力梯度和颗粒几何尺寸的条件下阻塞孔隙, 从而影响溶浸液的渗流规律。 因此, 在保证溶浸液向下渗流的情况下, 应使溶浸液保持较小的水压。

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收稿日期:2004-08-09

基金项目:国家杰出青年基金资助项目(50325145); 国家创新群体科学基金资助项目(50321402)

作者简介:吴爱祥(1963-), 男, 湖北仙桃人, 教授, 从事渗流力学和溶浸采矿研究

论文联系人: 吴爱祥, 男, 教授; 电话: 0731-8836851; E-mail:wuaixiang@mail.csu.edu.cn