黃明清,吳愛祥,嚴(yán)佳龍,黃海煉

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

近年來,溶浸采礦技術(shù)以其低成本、低污染、高效益等優(yōu)點(diǎn)在處理復(fù)雜氧化礦石、低品位礦石、甚至廢石方面受到廣泛關(guān)注[1-2]。礦石性質(zhì)、筑堆方式和溶浸劑種類等對金屬浸出率有重要影響,而良好的礦堆滲透性是溶浸劑與礦石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的重要前提[3]。從筑堆方式、礦石含泥量、礦石級配、礦堆偏析作用、機(jī)械壓實(shí)和滲濾沉積等方面研究礦堆的滲透性能,已有不少成果[4-5];高堿低滲透性礦石因堿性脈石含量高、泥質(zhì)含量高、滲透性差等[6],其滲透性影響因素的定量分析、不同浸出階段影響滲透性的主導(dǎo)因素和浸出過程滲透動力學(xué)的研究則少有報道。試驗(yàn)采用均勻設(shè)計(jì)法探討了初始酸度、噴淋強(qiáng)度和礦石粒徑對高堿低滲透性氧化銅礦滲透速度的影響,通過電子探針、電子顯微鏡等考察了不同浸出階段的滲透性影響因素,并分析了浸出動力學(xué),目的是探明該類礦石的滲透機(jī)制,為工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

影響礦堆滲透效果的因素通常有礦石性質(zhì)、礦石粒徑和形狀、泥質(zhì)含量、礦堆偏析程度、噴淋強(qiáng)度及作業(yè)制度和浸出周期等。對高堿低滲透性氧化銅礦石,堆浸生產(chǎn)中一般通過洗礦減少礦石的泥質(zhì)含量,通過延長浸出周期加強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)和采用間歇噴淋制度改善礦堆中溶液的滲流,故初始浸出酸度、噴淋強(qiáng)度和礦石粒徑等因素對礦石浸出有重要意義。均勻設(shè)計(jì)法有試驗(yàn)次數(shù)少、精度高和數(shù)據(jù)便于處理等優(yōu)點(diǎn)[7],在工程中廣為應(yīng)用。試驗(yàn)采用3因素混合水平均勻設(shè)計(jì)的U6(6 ×32)試驗(yàn)方案(表1),采用變水頭法[8]測試柱浸試驗(yàn)中的滲透速度。

表1 3因素混合水平均勻設(shè)計(jì)表

將篩分好的礦樣按試驗(yàn)方案攪拌均勻后裝入浸柱(內(nèi)徑100 mm,高600 mm)中,用水充分潤濕后按設(shè)計(jì)值噴淋相應(yīng)濃度的硫酸溶液,調(diào)節(jié)噴淋強(qiáng)度。在試驗(yàn)周期內(nèi),定期觀測不同時刻的水頭高度與時間差,由Darcy定律推測出浸柱中的滲透速度計(jì)算公式(式1),用EDTA法計(jì)算銅的液計(jì)浸出率(式2),用中和法計(jì)算硫酸濃度。

式中:v為滲透速度,cm/h;h為礦樣高度,cm;h0為浸柱上下表面之間的長度,cm;h1為起始液面至浸柱上表面長度,cm;h2為最終液面至浸柱上表面長度,cm;Δt為液面從h1到h2經(jīng)歷的時間,h。

式中:y1為銅的液計(jì)浸出率,%;ρi為第i級浸出液中銅離子質(zhì)量濃度,g/L;Vi為浸出液體積,L;m0為銅礦石質(zhì)量,kg;g0為礦石的銅品位,%。

2 結(jié)果與討論

2.1 滲透速度對銅浸出率的影響

試驗(yàn)共進(jìn)行21 d。試驗(yàn)結(jié)束后,計(jì)算各組的最終滲透速度和銅的液計(jì)浸出率,結(jié)果見表2。

表2 變水頭法柱浸滲透試驗(yàn)結(jié)果

從表2看出:6組試驗(yàn)的銅最終浸出率差異較小,平均為66.69%;但不同的初始浸出酸度、噴淋強(qiáng)度和礦石粒徑組合條件下的滲透速度最大相差2個數(shù)量級。將銅浸出率對滲透速度作圖,得圖1。

圖1 滲透速度與銅浸出率之間的關(guān)系曲線

從圖1看出,銅浸出率與滲透速度有較好的線性關(guān)系,隨滲透速度增大而升高。浸出過程中,無論是擴(kuò)散控制還是化學(xué)反應(yīng)控制都要以溶浸劑與礦石的有效接觸為前提,故增大滲透速度可以增大水力坡度,從而加強(qiáng)溶浸劑和氣體在堆體中的流動,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散的進(jìn)行。

2.2 滲透速度回歸分析

根據(jù)表2,采用均勻設(shè)計(jì)法中的非線性全面法,建立以初始浸出酸度 x1、噴淋強(qiáng)度 x2和礦石粒徑 x3為自變量,以滲透速度為因變量的多元回歸方程(式3),其相關(guān)系數(shù) r=0.99。

式中:y為滲透速度,cm/h;x2為噴淋強(qiáng)度, L/(m2·h-1);x3為礦石粒徑,mm。

從式(3)看出:滲透速度與噴淋強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與礦石粒徑呈正相關(guān)關(guān)系;初始浸出酸度、噴淋強(qiáng)度和礦石粒徑所在方程項(xiàng)對回歸方程的貢獻(xiàn)依次為0、15.6%和83.6%。初始酸度并未明顯影響堆體滲透速度,表明采用中等酸度(25～50 g/L)浸出時,各組中礦石的溶解反應(yīng)達(dá)到等效狀態(tài),酸度并非是堆體滲透性的限制因素。此外,1)減小噴淋強(qiáng)度可降低溶液滲流飽和度。礦堆內(nèi)的溶液滲流是氣液兩相流,但可簡化為不含氣流的非飽和流,滲透速度主要取決于滲流的飽和度和初始水頭壓力[9]。相對高飽和度下的高孔隙率粗顆粒層,低飽和度下的細(xì)顆粒層顯示出更高的滲透速度。6組試驗(yàn)均采用間歇噴淋制度,故較小的噴淋強(qiáng)度能減小礦堆的實(shí)際溶液飽和度和水含量,從而提高滲透速度。2)增大礦石粒徑可增強(qiáng)粗顆粒的骨架作用。滲透速度主要取決于在礦堆中起骨架作用的粗顆粒[10]。增大礦石粒徑可減少非骨架顆粒相對含量,弱化松散顆粒在礦堆孔隙中的堵塞。由于粒徑是孔隙率和孔徑分布特征的決定性因素[11],故礦石粒徑越大,平均孔徑越大,滲透速度也越高。

2.3 滲透速度影響因素

礦石粒徑和級配、顆粒形狀、噴淋強(qiáng)度、機(jī)械壓實(shí)等都會影響堆體的滲透性能,但主要影響因素會隨浸出的不同階段而變化。

浸出前期,堆體的結(jié)構(gòu)尚不穩(wěn)固,位于浸柱上部的細(xì)小顆粒隨溶浸劑的流動而迅速向下遷移,礦堆的偏析作用使起骨架作用的粗顆粒間的松散顆粒匯聚沉積。松散細(xì)顆粒分為粒徑較大的阻塞顆粒和粒徑較小的移動顆粒[12],由于礦堆孔隙率的不均勻性和阻拱作用,阻塞顆粒和移動顆粒容易在孔隙通道較小的地方造成物理堵塞(圖2),從而成為溶浸劑向下滲流的“瓶頸”。

圖2 松散顆粒在礦堆中的物理堵塞

浸出中期,除松散顆粒造成物理堵塞外,礦堆中的泥質(zhì)溶解在溶浸劑中并形成懸浮液,達(dá)到一定濃度后也構(gòu)成相對的不透水層,造成浸柱淤塞。沉淀淤塞的范圍會隨著時間的推移逐漸擴(kuò)展,從而導(dǎo)致礦堆滲透系數(shù)急劇降低;同時,因?yàn)榧?xì)顆粒向下遷移,浸柱上部礦石孔隙率增大,水力坡度也隨之增大,使得浸柱不同部分的滲透性不均勻,越靠近下部滲透阻力越大。

浸出后期,在浸柱下部可看到大量白色沉淀。經(jīng)電子探針(圖3)分析,沉淀主要成分為硫酸鈣(CaSO4)、黃鉀鐵礬(KFe(SO4)(OH)6)和黃鐵礬(Fe3(SO4)2(OH)·H2O)等。

圖3 浸出過程中的化學(xué)沉淀的電子掃描圖

從表3看出:礦石中堿性成分(A l2O3+CaO +M gO)高達(dá)13.33%,浸出過程中其與硫酸不斷反應(yīng)生成化學(xué)沉淀。沉淀一方面覆蓋在礦石顆粒表面,減緩甚至終止溶浸液與礦石中有用礦物的接觸反應(yīng);另一方面在礦石顆粒之間形成板狀難溶的化學(xué)結(jié)垢,阻礙溶浸劑的橫向和縱向流動,從而降低礦堆的滲透速度。此外,礦堆高度由于礦石和溶浸劑的重力作用下降了6 cm左右,孔隙率隨礦堆的壓實(shí)而減小,即機(jī)械壓實(shí)也在一定程度上影響溶浸劑正常滲流。

表3 高堿復(fù)雜氧化銅礦石各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

2.4 滲透動力學(xué)

試驗(yàn)結(jié)束后,用origin軟件對各組的滲透速度變化值進(jìn)行擬合,結(jié)果如圖4所示。工程上將+5 mm的物料稱為粗顆粒物料,1～5 mm物料稱為細(xì)顆粒物料,-1 mm以下物料稱為粉末體?？梢钥闯?不同礦石粒徑的浸柱滲透速度相差很大,粗顆粒組(C1和C4)的滲透速度是細(xì)顆粒組(C2和C5)的3.53～4.77倍,是粉末組(C3和C6)的72.45～113.97倍。

圖4 滲透速度隨時間的變化關(guān)系曲線

粗顆粒組、細(xì)顆粒組和粉末組的滲透速度變化曲線擬合方程依次為:粗顆粒組

細(xì)顆粒組

粉末組

式中:v1,v2,v3為滲透速度,cm/h;t為浸出時間, d。可以看出,浸出過程中,各組滲透速度均隨浸出時間的延長而呈指數(shù)級減小;礦石粒徑越大,滲透速度減小得越快。

3 結(jié)論

1)變水頭法適合測量高堿低滲透性氧化銅礦石的滲透速度,滲透速度與銅浸出率有較好的線性關(guān)系,且銅浸出率隨滲透速度的增大而升高。浸柱滲透速度與噴淋強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與礦石粒徑呈正相關(guān)關(guān)系,與浸出劑初始酸度無關(guān)。

2)礦石粒徑和級配、噴淋強(qiáng)度、機(jī)械壓實(shí)等都會影響堆體的滲透性能,且不同浸出階段影響滲透速度的主導(dǎo)因素也不同,浸出前期為礦堆骨架顆粒之間松散顆粒的物理堵塞作用,浸出中期為懸浮液淤塞作用,浸出后期為化學(xué)結(jié)垢和機(jī)械壓實(shí)綜合作用。

3)浸出過程中,粗顆粒、細(xì)顆粒和粉末礦堆的滲透速度均隨浸出時間的增長而呈指數(shù)級減小,而且不同礦石粒徑的浸柱滲透速度及其下降速度相差很大。

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