甲酸铵复配铵盐浸取风化壳淋积型稀土矿渗透性研究_张子赟.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-10-12基金项目 国家自然科学基金面上项目(编号:51874212,22078252)。作者简介 张子赟(2000),男,硕士研究生。通信作者 周 芳(1982),女,教授,博士,博士研究生导师。甲酸铵复配铵盐浸取风化壳淋积型稀土矿渗透性研究张子赟1,2 马晨伟1,2 周 芳1,2 黄素华1,2 冯 健1,2余军霞1,2 池汝安1,2(1.武汉工程大学资源与安全工程学院,湖北 武汉 430074;2.绿色化工过程教育部重点实验室,湖北 武汉 430073)摘 要 风化壳淋积型稀土矿的渗透性对稀土浸取效率具有重要影响,为了更好地了解浸矿过程中浸取剂的渗透规律,分别探讨了硫酸铵、氯化铵和硝酸铵复配甲酸铵作为浸取剂浸取稀土时,矿石初始含水率、装矿高度及压差对风化壳淋积型稀土矿渗透性的影响。结果表明,3 种复配铵盐在矿石中的渗透速度均随着初始含水率的增加、装矿高度的减小和压差的增大而增大,其中硝酸铵复配甲酸铵作为浸取剂时浸取液在矿体中的渗透速度最快且达到稳定渗流的时间最短。关键词 甲酸铵 铵盐 风化壳淋积型稀土矿 浸取 渗透性 中图分类号TF111.31 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-085-09DOI 10.19614/ki.jsks.202302012Study on the Leaching Permeability of Weathered Crust Elution-desposited Rare Earth Ore by Ammonium Formate Mixed with Ammonium SaltZHANG Ziyun1,2 MA Chenwei1,2 ZHOU Fang1,2 HUANG Suhua1,2 FENG Jian1,2YU Junxia1,2 CHI Ruan1,2(1.School of Resources and Safety Engineering,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430074,China;2.Key Laboratory of Green Chemical Process,Ministry of Education,Wuhan 430073,China)Abstract The leaching permeability of weathered crust elution-desposited rare earth ores plays an important role in the leaching efficiency of rare earths.In order to better understand the seepage law of leaching agent in the leaching process,the effects of the initial moisture content,the ore loaded height and the pressure difference on the permeability of weathered crust elution-desposited rare earth ores were discussed when ammonium sulfate,ammonium chloride and ammonium nitrate combined with ammonium formate were applied as leaching agent.The results show that the seepage velocity of three kinds of compound ammonium salts increases with the increase of initial moisture content,the decrease of ore loaded height and the increase of dif-ferential pressure.The leaching agent of ammonium nitrate combined with ammonium formate shows the fastest seepage velocity in ore body and reaches stable seepage at the fastest.Keywords ammonium formate,ammonium salt,weathered crust elution-desposited rare earth ore,leaching,permeability 我国风化壳淋积型稀土矿主要分布于南方,富含中重稀土资源,在国民经济及高端制造业(航空航天、军工、冶金、石油化工等)中发挥着至关重要的作用,素有“工业维生素”的美誉,是我国重要战略性资源1-2。我国是世界上稀土资源最丰富的国家,稀土矿资源占全球总量的 36.7%3。风化壳淋积型稀土矿(即离子吸附型稀土矿)于 1969 年在我国江西被首次发现,是我国储量丰富的稀土矿产资源,因其具有配分齐全、富含中重稀土、放射性比度低等特点,现已成为我国重要的战略资源4。风化壳淋积型稀土矿中的稀土元素多以羟基水合离子和水合离子的形式吸附在高岭石、伊利石等黏土矿物表面,因此稀土可采用某些化学性质更加活泼的阳离子进行离子交换浸出5。风化壳淋积型稀土矿浸取工艺经历了不断的变革,从 20 世纪 70 年代的桶浸、堆浸发展至如今广泛应用的原地浸出工艺。原58地浸出工艺是将浸取剂溶液注入天然的风化壳淋积型稀土矿矿体,矿石中的稀土离子与浸取剂阳离子发生离子交换反应进入浸出液中流出矿体,经收集浸出液得到稀土溶液6。相比于桶浸和池浸,原地浸出工艺不存在“搬山运动”,生产成本更低,环境污染更小,是目前最常用的风化壳淋积型稀土矿浸出工艺7。然而,由于不同矿床的成因不同,风化壳淋积型稀土矿的矿体性质存在较大差异。有些地方的稀土矿风化层较厚,矿体的渗透性较差,导致浸取剂溶液渗流速度较慢、渗流过程出现堵塞,影响风化壳淋积型稀土矿原地浸出工艺的作业周期和稀土浸出率。因此,探讨浸取剂溶液在风化壳淋积型稀土矿浸出过程中的渗流规律对于风化壳淋积型稀土矿绿色高效开采具有重要的意义。为研究风化壳淋积型稀土矿浸矿过程中浸取剂溶液的渗流规律,我国的冶矿工作者对浸矿条件、浸矿方式及浸取剂的选择优化进行了大量的研究。陈飞虹等8发现,在蒙脱土、高岭土和伊利石中,渗透速度均随硫酸铵溶液浓度的增大而降低,随液柱高度的增大而增大。王宏博等9分别采用质量分数2.00%的聚乙二醇 400、聚乙二醇 1 000、聚乙二醇4 000 与 0.20 mol/L 的氯化铵复配,研究表明复配浸取剂溶液在稀土矿样中的渗透速率随着水力梯度的增大呈线性增大,符合达西定律。刘楚凡等10分析了风化壳淋积型稀土矿渗流、传质过程的研究现状,提出可以通过改进注液方式、增加外力场来加快风化壳淋积型稀土矿的渗流速率。姚慧琴等11发现,复合浸取剂的浸出效果大于单一浸取剂,稀土浸出母液的杂质含量更低。冯健等12研究发现,随着矿石初始含水率的增大,渗透速度越快,形成稳定流场的时间越短;随着装矿高度的增加,渗透速度越来越慢,形成稳定流场的时间越来越长;压差越大,渗透速度越快,形成稳定流场的时间越短。笔者课题组的前期研究表明13-15,甲酸铵具有加快稀土浸出速率和抑制杂质铝离子浸出的作用。为了进一步明确甲酸铵在风化壳淋积型稀土矿浸取渗流过程中的增效机制,本文采用硫酸铵、氯化铵、硝酸铵 3种铵盐分别与甲酸铵复配作为浸取剂,研究了装矿高度、压差和初始含水率对浸取剂溶液在稀土矿中渗透过程的影响,阐明甲酸铵对风化壳淋积型稀土矿铵盐浸取渗透性的影响,揭示甲酸铵复配铵盐浸取风化壳淋积型稀土矿的浸取剂溶液渗流规律,为指导风化壳淋积型稀土矿的高效开采提供一定的理论指导。1 试验原料及试验方法1.1 试验药品及仪器试验用主要试剂为:硫酸铵(AR)、氯化铵(AR)、硝酸铵(AR)、甲酸铵(AR),均购自武汉申试化工科技有限公司。试验用主要仪器为:45 mm 玻璃柱、AL104 电子分析天平、DZF-6020 鼓风干燥箱。1.2 稀土矿物分析试验矿样来自广东某稀土矿矿山,主要矿物包括高岭石、石英、埃洛石、钾长石、白云母和斜长石等。矿样在+0.83 mm、0.830.25 mm、0.250.15 mm、0.150.109 mm 和-0.109 mm 粒级的质量占比分别为 32.84%、20.90%、11.52%、6.35%和 28.39%。1.3 试验方法基于笔者课题组前期试验结果16,采用 2 g/L甲酸铵与铵根离子浓度为 0.2 mol/L 的铵盐(硫酸铵、氯化铵、硝酸铵)复配作为浸取剂,考察浸取过程中装矿高度、初始含水率和压差对风化壳淋积型稀土矿浸取渗透性的影响。分别准确称取一定量干燥的稀土矿样,采用纯水混合搅拌调整矿石初始含水率,将矿样缓慢均匀装入玻璃柱,控制装矿高度。在矿样表层放两层滤纸,再迅速地加入浸取剂溶液,形成固定高度液柱,达到指定液柱压差 P,保持液柱高即保持浸取压差,每隔一定时间收集浸出液,量取浸出液体积,考察浸取剂溶液在浸取过程中的渗流规律。压差 P 为:P=gH,(1)式中,为水密度,kg/m3;g 为重力加速度,N/kg;H为稀土矿样顶部液柱高度,m。渗流速度 v 为:v=QA,(2)式中,Q 为渗流量,mL/s;A 为横断面积,cm2。2 试验结果与讨论2.1 装矿高度对渗透速度的影响分别采用浓度为0.1 mol/L 的硫酸铵、0.2 mol/L的氯化铵、0.2 mol/L 的硝酸铵与 2 g/L 的甲酸铵复配作为浸取剂。室温条件下,改变稀土矿的装矿高度,考察装矿高度对风化壳淋积型稀土矿浸取剂溶液渗透速度的影响,结果如图 1图 3 所示。由图 1图 3 可以看出,矿石初始含水率分别为5%、10%、15%和 20%时,3 种铵盐复配甲酸铵浸取剂溶液在风化壳淋积型稀土矿中的渗透速度均随着装矿高度的增加而减小。在初始含水率均为 5%,压差均为 2.94103 Pa 时,3 种铵盐复配甲酸铵的渗透速度为硝酸铵氯化铵硫酸铵。初始含水率为 10%,压差为 2.94103 Pa 时,仍然满足以上规律。装矿高68总第 560 期 金 属 矿 山 2023 年第 2 期图 1 硫酸铵复配甲酸铵时装矿高度对渗透速度的影响Fig.1 Effect of ore loaded height on seepage velocity with ammonium sulfate mixed with ammonium formate图 2 氯化铵复配甲酸铵时装矿高度对渗透速度的影响Fig.2 Effect of ore loaded height on seepage velocity with ammonium chloride mixed with ammonium formate度为 3 cm 时,同一初始含水率和同一压差下 3 种铵盐复配甲酸铵的渗透速度为硝酸铵 氯化铵 硫酸铵。风化壳淋积型稀土矿为内部多孔非固结性介质,液体在该类介质中渗流时一般符合达西定律17。当浸取剂溶液进入矿体时,会以较快的速度从矿体表面向矿体内部渗入,因为渗透处于初始阶段,矿体内部结构均未发生改变,此时的渗透速度较快。随着浸矿开始,在浸矿时,矿体内部微观孔隙结构会随浸取剂溶液渗流和浸取剂溶液与矿石之间发生的离子交换反应而改变,即矿体内部结构受制于溶液渗流和离子交换两个过程的耦合影响。一方面,浸取剂溶液在渗流时会导致矿体内部的孔隙增多,孔径增大,将矿石内部微观结构破坏使其内部松散。继续渗流会带动矿石中的细小颗粒迁移,当矿石内部