高堿低滲透性氧化銅礦滲透試驗研究

黃明清,吳愛祥,嚴佳龍,黃海煉

(北京科技大學土木與環境工程學院,北京 100083)

近年來,溶浸采礦技術以其低成本、低污染、高效益等優點在處理復雜氧化礦石、低品位礦石、甚至廢石方面受到廣泛關注[1-2]。礦石性質、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生化學反應的重要前提[3]。從筑堆方式、礦石含泥量、礦石級配、礦堆偏析作用、機械壓實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因素和浸出過程滲透動力學的研究則少有報道。試驗采用均勻設計法探討了初始酸度、噴淋強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,目的是探明該類礦石的滲透機制,為工業生產提供技術依據。

1 試驗部分

影響礦堆滲透效果的因素通常有礦石性質、礦石粒徑和形狀、泥質含量、礦堆偏析程度、噴淋強度及作業制度和浸出周期等。對高堿低滲透性氧化銅礦石,堆浸生產中一般通過洗礦減少礦石的泥質含量,通過延長浸出周期加強化學反應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、噴淋強度和礦石粒徑等因素對礦石浸出有重要意義。均勻設計法有試驗次數少、精度高和數據便于處理等優點[7],在工程中廣為應用。試驗采用3因素混合水平均勻設計的U6(6 ×32)試驗方案(表1),采用變水頭法[8]測試柱浸試驗中的滲透速度。

表1 3因素混合水平均勻設計表

將篩分好的礦樣按試驗方案攪拌均勻后裝入浸柱(內徑100 mm,高600 mm)中,用水充分潤濕后按設計值噴淋相應濃度的硫酸溶液,調節噴淋強度。在試驗周期內,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算公式(式1),用EDTA法計算銅的液計浸出率(式2),用中和法計算硫酸濃度。

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經歷的時間,h。

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

2 結果與討論

2.1 滲透速度對銅浸出率的影響

試驗共進行21 d。試驗結束后,計算各組的最終滲透速度和銅的液計浸出率,結果見表2。

表2 變水頭法柱浸滲透試驗結果

從表2看出:6組試驗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、噴淋強度和礦石粒徑組合條件下的滲透速度最大相差2個數量級。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系曲線

從圖1看出,銅浸出率與滲透速度有較好的線性關系,隨滲透速度增大而升高。浸出過程中,無論是擴散控制還是化學反應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,從而加強溶浸劑和氣體在堆體中的流動,促進化學反應和擴散的進行。

2.2 滲透速度回歸分析

根據表2,采用均勻設計法中的非線性全面法,建立以初始浸出酸度 x1、噴淋強度 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),其相關系數 r=0.99。

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

從式(3)看出:滲透速度與噴淋強度呈負相關關系,與礦石粒徑呈正相關關系;初始浸出酸度、噴淋強度和礦石粒徑所在方程項對回歸方程的貢獻依次為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達到等效狀態,酸度并非是堆體滲透性的限制因素。此外,1)減小噴淋強度可降低溶液滲流飽和度。礦堆內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,低飽和度下的細顆粒層顯示出更高的滲透速度。6組試驗均采用間歇噴淋制度,故較小的噴淋強度能減小礦堆的實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、噴淋強度、機械壓實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,堆體的結構尚不穩固,位于浸柱上部的細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,礦堆中的泥質溶解在溶浸劑中并形成懸浮液,達到一定濃度后也構成相對的不透水層,造成浸柱淤塞。沉淀淤塞的范圍會隨著時間的推移逐漸擴展,從而導致礦堆滲透系數急劇降低;同時,因為細顆粒向下遷移,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13.33%,浸出過程中其與硫酸不斷反應生成化學沉淀。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;另一方面在礦石顆粒之間形成板狀難溶的化學結垢,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而減小,即機械壓實也在一定程度上影響溶浸劑正常滲流。

表3 高堿復雜氧化銅礦石各元素質量分數 %

2.4 滲透動力學

試驗結束后,用origin軟件對各組的滲透速度變化值進行擬合,結果如圖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系曲線

粗顆粒組、細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?？梢钥闯?浸出過程中,各組滲透速度均隨浸出時間的延長而呈指數級減小;礦石粒徑越大,滲透速度減小得越快。

3 結論

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度呈負相關關系,與礦石粒徑呈正相關關系,與浸出劑初始酸度無關。

2)礦石粒徑和級配、噴淋強度、機械壓實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,浸出后期為化學結垢和機械壓實綜合作用。

3)浸出過程中,粗顆粒、細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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