摘要
离子型稀土矿是我国重要的战略矿产资源，目前主要使用原地浸矿工艺开采。在浸矿开采过程中，注入的浸矿剂与矿物颗粒间会同时产生渗流场和化学场，而在渗流场和化学场等多场耦合作用下矿物颗粒的微观性质变化将形成浸矿盲区和优先通道，进而导致边坡失稳、水土流失和地下水污染。在实际生产中，浸矿过程矿物颗粒微观界面变化将导致浸矿过程渗流作用的改变，进而影响浸矿剂的用量和稀土的浸出效率；润湿性和黏附功等因素反映了浸矿过程中固液界面物理性质，是固液两相分子间相互作用等微观特性的宏观表现；电导率、阻抗变化则反映出固液两相界面间离子交换反应等化学性质。因此，本文通过研究浸矿过程中矿物颗粒微观结构、润湿性、黏附功、电导率和阻抗变化，探明浸矿过程矿物颗粒微观特性演变规律，理清原地浸矿不同阶段中浸矿液阳离子和稀土离子的交换过程，对优化浸矿工艺，降低开采成本，减少矿山灾害，实现绿色高效开采具有重要意义。研究结果如下： （1）考察了硫酸铵、硫酸镁、氯化钙和去离子水在浸矿过程中对细颗粒矿物的微观结构变化，发现0-1min内黏土矿物先产生积液后逐渐润湿，1-10min内黏土矿物发生膨胀分散，并产生孔隙裂隙，在10min后黏土矿物结构基本不发生变化。不同浸矿剂对黏土矿物的微观结构影响较大，其中硫酸铵的润湿效果与浸出率均要高于硫酸镁和氯化钙。 （2）探究了和浸矿剂对稀土矿润湿性和黏附功的影响，并在分析浸矿剂润湿离子型稀土矿机制的基础上建立润湿动力学方程。发现当浓度为0.3mol/L时，硫酸铵和硫酸镁接触角与黏附功达到最小值。酸性条件下润湿性更好，更有利于浸矿反应的进行。不同浸矿剂的润湿性由大到小依次为：去离子水gt;硫酸铵gt;硫酸镁gt;氯化钙，黏附功大小顺序为：去离子水＜硫酸铵＜硫酸镁＜氯化钙； （3）探究了浸矿过程的电导率变化规律，以及不同浓度、pH和流速对浸出率的影响。根据浸出稀土离子（以下简称RE3+）含量与电导率的变化曲线，将浸出过程分为润湿阶段、浸出阶段、平衡阶段和顶水阶段，浸矿过程电导率整体以先缓后急的趋势上升，再维持稳定，最后快速下降趋近于0。硫酸铵溶液浓度越高电导率上升速度越快，达到稳定时的峰值电导率也越大。在酸性条件下，电导率与pH呈反比；初始流速越大电导率上升越快。当硫酸铵浓度为0.1mol/L时，浸矿效率最高；当浓度大于0.2mol/L时将抑制稀土的浸出。酸性环境相比碱性有利于阳离子与稀土离子的置换反应，但当pH低于4时，反而抑制稀土的浸出。当初始流速为1.5mL/min时，既提升浸出率又减少了浸矿周期。 （4）探究了硫酸铵在最佳浸矿条件下，浸矿过程电化学阻抗变化，发现在30-60min期间，矿样处于非饱和状态，电荷转移缓慢，溶液电阻（Rs）最大为939Ω，电荷转移电阻（Rt）最大为8310Ω；在60-90min期间矿物逐渐达到饱和状态，导电性能快速提高，溶液电阻（Rs）快速降低至135Ω，电荷转移电阻快速降低至23.9Ω。在90-250min，浸矿剂阳离子与稀土离子的交换反应逐渐趋于平稳，电荷迁移逐渐减少，溶液电阻（Rs）逐渐增大并趋近于154Ω，电荷转移电阻（Rt）逐渐增加并趋近于47Ω，在250min后注入去离子水，孔隙溶液离子浓度逐渐减小，溶液电阻（Rs）快速增大至1330Ω，电荷转移电阻（Rt）逐渐增大至338Ω。
NETL