電場改善細粒級尾礦浸出滲透效果試驗研究

胡凱建，吳愛祥，尹升華，黃明清，王少勇，熊有為

(1. 北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京，100083；2. 北京科技大學 土木與環境工程學院，北京，100083)

近年來，我國礦產資源開發利用過程中尾礦的排放量逐年增多，也帶來了大量的問題[1]：尾礦給周圍環境帶來了嚴重的污染；尾礦的堆存存在巨大的安全隱患；尾礦的丟棄造成了嚴重的資源浪費。目前，尾礦的二次開發利用已經受到廣泛重視，這不僅可以解決污染問題、改善生態環境及消除安全隱患，而且可以提高資源利用率，緩解經濟發展過程的資源壓力，帶來巨大的經濟效益。我國從20世紀90年代開始使用堆浸技術處理低品位尾礦資源。堆浸技術以其投資少、成本低、易實施等特點在我國尾礦資源豐富的地區得到了廣泛應用[2]。在對尾礦進行堆浸回收有價金屬時，一般需對尾礦進行制粒處理，通過制粒提高浸堆的滲透性以達到提高浸出率、縮短浸礦周期的目的。但是，制粒浸出也會出現一些問題[3]，制粒后的尾礦粒團要求有一定的抗壓強度，筑堆后粒團間存在一定間隙；在筑堆過程中粒團可能由于強度低出現破碎，導致細粒級尾礦在某一區域集中，特別是礦堆底部，影響浸堆滲透性。針對以上問題，本文作者以電滲理論為基礎進行試驗研究，以研究在外加電場條件下細粒級尾礦浸出的滲透性改善情況，從而為尾礦浸出工程實踐提供理論依據。

1 電滲理論

在外加電場作用下，溶液中的電荷必然發生運動。在滲流體系中，土顆粒表面帶有負電荷，吸引空隙液中的陽離子在固?液界面附近聚集，形成不動的離子吸附層和可動的擴散層，稱為雙電層[4]。液體中的帶電粒子尤其是固液界面上雙電層中的帶電粒子在外加電場作用下定向移動，帶電孔隙中的液體形成電滲[5?7]。早期我國學者進行了電滲降水加固土體的試驗研究，取得了良好的效果；電場強化滲流也多用于石油開采工藝中，如張繼紅等[8?9]研究了直流電場作用下水驅油藏多孔介質中流體的滲流速度、阻力系數、儲層滲透率等變化特性，研究表明：電動力為流體滲流的主要驅動力，多孔介質中的流體的滲流速度、有效滲透系數等參數隨正向電場強度的增加而明顯增大。

與水力學壓力流動相比，電滲流動具有如下優勢：(1) 電場驅動滲流力的方向與電場方向一致，可有效地提高某一方向的滲透效率[10]；(2) 普通滲流體系內滲流速度與滲流孔隙的半徑的平方成反比，而電滲流速在很大的尺寸范圍內不受滲流孔隙半徑影響；(3) 電滲效果與土體本身的滲透系數無關，與土體的電滲系數有關。近年來，針對黏土孔隙電滲以及電場驅動固液分離的研究較多，典型的技術如高效毛細管電泳及電色譜技術[11?12]等，這些為研究電場改善細粒尾礦浸出體系微孔隙滲流效果提供了理論基礎。在尾礦浸出過程中，由于尾礦粒級小，滲透性差，浸堆中存在溶浸液無法到達的區域，稱為“浸出盲區”[13]，而電滲流動可以很好地改善微孔隙滲流特性，甚至可以到達一些壓力流無法奏效的“盲區”。

2 材料與方法

2.1 尾礦級配特征

試驗所用的尾礦來自云南某高山礦區的銅尾礦，其顆粒級配如圖1所示。粒級組成的不均勻系數、曲率系數和平均粒徑由下式計算：

式中：Cu為不均勻系數；Cc為曲率系數；d10，d30和d60指篩下累計質量分數分別為10%，30%和60%時礦樣平均粒徑，mm，dcp為平均粒徑，mm；wi為第i級顆粒的質量分數，%；di為第i級顆粒的粒徑，mm。

圖1 試驗用尾礦樣級配曲線Fig.1 Particle size distribution of ore sample

礦顆粒級配特征值如表1所示，尾礦級配均勻，顆粒細小，粉粒范疇(d＜0.074 mm)的顆粒質量分數高。

2.2 試驗裝置及原理

試驗裝置示意圖如圖2所示，主要包括M8813型直流電源、直徑為30 mm的石墨電極片、厚度為3 mm的石墨電極、燒杯、量筒、秒表、電子稱、試驗柱(高500 mm，直徑60 mm，橫截面積28.26 cm2)等。

表1 礦顆粒級配特征Table 1 Gradation character of ore sample

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device

由于尾礦滲透體系滲透性差，故采用變水頭法[14]測量體系的滲透系數，滲透系數的計算公式如下：

式中：K為滲透系數，cm/h；L為礦樣長度，cm；L0為試驗柱上、下表面之間的長度，cm；L1為起始液面至試驗柱上表面長度，cm；L2為最終液面至試驗柱上表面長度，cm；Δt為液面從L1到L2經歷的時間，h。

2.3 試驗過程

試驗柱內尾礦高100 mm，試驗柱上下表面高500 mm，起始液面至試驗柱上表面高170 mm。2個電極片分別置于尾礦柱的底部和頂部，底部電極片接負極，頂部電極片接正極，使用M8813型直流電源為尾礦滲透體系施加直流電場。在本次試驗中，以水為浸出液考察滲透效果的改善情況。在有機柱體上貼上坐標紙以觀察液面高度，另外考慮到加電滲透過程部分水會被分解，為了更精確地計算體系的滲透系數，通過測量滲出水的體積計算體系的滲透系數。具體試驗過程如下：

(1) 分別在置入電極片不通電和通電 2種條件下對尾礦滲透體系進行滲透效果對比試驗，分析不同條件下影響滲透效果的因素。

(2) 為了研究電壓對尾礦滲透體系滲透效果的影響，在電極片兩端分別加10，20，30，40和50 V的固定電壓進行滲透試驗，探討電壓與體系滲透系數的關系。

(3) 考慮到加電過程中部分水會被電解，產生的氣泡在細粒級滲透體系中不容易被排出，隨著氣泡的增多，必然會導致滲流通道被氣泡占據、堵塞，滲透效果將受到負面影響，并且電滲的固結作用[15]會使體系中的細顆粒固結、排列更加緊密，對尾礦滲流體系產生影響，影響效果有待考察。因此，在試驗過程(1)和(2)的基礎上，在電極片兩端加脈沖電壓進行滲透試驗，考察體系滲透效果的改善情況。

3 結果與討論

3.1 不同條件下尾礦體系的滲透效果

通過測量滲出液的體積來反映在置入電極片不通電、電極片兩端加50 V電壓條件下體系的滲透效果，如圖3所示。由圖3可見：在相同時間內置入電極片，不通電時滲出液體積較小，滲透性較差；通電后，相同時間內滲出液的體積明顯升高。

圖3 不同條件下體系滲出液體積與時間的關系Fig.3 Relationship between extravasate volume and time under different conditions

在置入電極片后，體系的滲透結構發生改變，置入電極片的位置部分滲流通道被截斷，滲流液只能從電極片周圍的孔隙中流下。由尾礦的級配特征可知本試驗尾礦粒級小，滲流性差，雙電層對這種粒級小、滲透性差的體系的滲透效果影響尤為明顯，雙電層特別是不可動吸附層的存在減小了滲流通道的截面積，降低了體系的滲透效果。在未通電的條件下，吸附在尾礦顆粒表面的不可動電子層減小了有效滲流通道的截面積，通電后，在電場作用下不可動電子層中的離子沿著電場方向運動并帶動液體沿孔隙流動，導致不可動層厚度減小，不動層部分變為可動層，有效滲流通道的截面積增大；同時，在某些滲流“盲區”內，離子及水分子在電場作用下定向移動，沖破“盲區”，形成新的滲流通道；離子在電場作用下帶動液體在孔隙中流動形成電滲流。滲流的速度與電場強度有關，通電后滲流速度增加。可見：電場作用下體系的有效滲流通道截面積的增大、新通道的形成、滲流速度的增加改善體系的滲透效果，體系的滲透性增強。

3.2 電壓與尾礦體系滲透系數的關系

由于加電過程中產生的氣體對體系的滲透性有影響，而氣體的排出速率低于氣體的產生速率，加電時間越長，體系內積壓的氣體越多，對滲透性的影響越大，電壓對滲透性的影響越不顯著。本試驗時間定為900 s，以避免時間過長產生的氣體過多地對試驗效果產生影響。滲出2.826 mL的水相當于柱內液面下降1 mm，將某一時間段內滲出液的體積換算為液面下降的高度，將參數代入式(1)計算相同時間內不同電壓下尾礦滲流體系的滲透系數，計算結果如圖4所示。

圖4 電壓與體系滲透系數的關系Fig.4 Relationship between voltage and permeability coefficient

由圖4可知：在某一時間段內，體系的滲透系數隨電壓的增大而增大；在某一固定電壓下，體系的滲透系數隨著通電時間的持續而不斷降低，電壓越高，降低的幅度越明顯。微觀方面，由于表面張力的作用，滲流液中的離子在電場作用下和滲流通道移動過程中會形成同心的電毛細曲面[16]，曲面向陰極移動帶動流體一起運動；在體系電阻率變化不大的情況下，隨著電壓的增大，離子運動速度加快，電毛細曲面帶動水流加速移動，宏觀表現為體系的滲透性提升，但這一過程與尾礦體系本身的低滲透性無關。在某一固定電壓下，隨著時間的推移，體系的滲透系數呈下降趨勢。這是由于通電過程中不斷產生的氣體對滲流產生了阻礙導致滲透性下降；電壓越高，體系中水的電解反應速率越高，產生的氣體量越大，若長時間通電，勢必對體系滲流造成嚴重影響。

3.3 脈沖試驗滲透效果分析

脈沖電壓作用分為4個階段：第1階段為0～900 s，電壓為50 V；第2階段為900～1 800 s，電壓為0 V；第3階段為1 800～2 700 s，電壓為50 V；第4階段為2 700～4 200 s，電壓為0 V。每隔300 s記錄1次，表2所示為試驗過程中體系滲出液體積隨時間的變化情況。

表2 滲出液體積隨時間的變化情況Table 2 Extravasate volume changes follow time

第1階段，在電場作用下，體系的滲透效果較好，但加電過程中體系內部會產生氣體，但氣體排出體系的速率低于產生的速率，在一定程度上影響了滲透效果；第2階段體系的滲出液體積表現為先下降后上升，體系內部蘊藏氣體不斷排出，氣體占據的體積減小，在斷電初期滲透性下降，隨著氣體的排出，滲流得以更好的進行；第3階段與第1階段相似，電場的作用改善了體系的滲透效果，但是，隨著內部積存氣體越來越多，相鄰2個時間點內滲出液的體積隨時間推移越來越少；第4階段滲透性與第2階段的相似，表現為先下降后上升。

為考察試驗過程中體系滲透效果在每一時刻的變化趨勢，以每個記錄點為起始將試驗過程按每 300 s劃為1個區段，考察每個區段滲透系數的變化趨勢以考察整個過程滲透系數的變化。圖5所示為每個區段對應的滲透系數的變化。將整個過程劃為許多區段分析，表現為加電時滲透系數先上升后下降，不加電時滲透系數先下降后上升。將每個區段整合為一個整體分析可見：使用脈沖電壓可以在一定程度上避免體系內積累過多氣體阻礙滲透進行，從而使整個滲透過程中體系的平均滲透系數保持在高值，達到改善體系滲透效果的目的。由圖5可知：第4階段的滲透系數略高于第2階段的滲透系數；并滲透系數趨于穩定時明顯升高。將穩定后體系的滲透系數與試驗過程(1)中不加電場條件的進行對比，前者高于后者2倍。加電過程改變了體系內部的結構，礦顆粒被加固后排列更加緊密，但內部滲透孔隙并未被縮小或大部分被堵塞，反而得到了改善，體系滲透效果沒有降低，而是得到提高。以上結果表明電場對尾礦顆粒的固結作用對體系滲透效果的改善是有益的。

圖5 試驗過程中滲透系數變化趨勢Fig.5 Changes of permeability coefficient during experiment

4 結論

(1) 電場改變了體系內部雙電層結構，擴大了滲流通道；雙電層中的離子在電場作用下加速運移帶動滲流液運動，滲流速度加快，同時打通某些“盲區”封閉的通道，改善了體系的滲透效果。

(2) 在一定時間范圍內，體系的滲透系數隨電壓的增大而增大，與尾礦體系本身的滲透系數無關；電壓決定了滲流液中離子的運動速度，間接影響了滲流速度；隨著時間的推移，體系內產生的氣泡對滲流有阻礙作用，電壓越高，滲透系數下降越明顯。

(3) 電滲過程產生的氣體占據滲流通道對滲流產生影響，使用脈沖電場可使產生的氣體及時排出，降低其對滲透的影響；與加電前體系的滲透系數進行對比，在斷電穩定后體系的滲透系數有很大提高，電滲固結作用有利于改善滲透效果。

[1] 梁志蓉. 含銅尾礦無害化技術研究[D]. 重慶: 重慶大學資源及環境工程學院, 2010: 1?6.LIANG Zhi-rong. Study of copper tailings harmless technology[D]. Chongqing: Chongqing University. College of Resources and Environment Engineering, 2010: 1?6.

[2] 吳愛祥, 王少勇, 王洪江. 尾礦浸出技術現狀與存在問題[J].金屬礦山, 2009(7): 1?4.WU Ai-xiang, WANG Shao-yong, WANG Hong-jiang. Current state and existing problem of tailing leaching technology[J].Metal Mine, 2009(7): 1?4.

[3] 尹江生, 賀銳崗, 沈凱寧. 某金礦選礦廠尾礦制粒堆浸工業試驗[J]. 黃金, 2007, 28(2): 42?44.YIN Jiang-sheng, HE Rui-gang, SHEN Kai-ning. Commercial tests of tailing briquetting-heap leaching in a certain gold mine[J]. Gold, 2007, 28(2): 42?44.

[4] 葉為民, 黃偉, 陳寶, 等. 雙電層理論與高廟子膨潤土的體變特征[J]. 巖土力學, 2009, 30(7): 1899?1903.YE Wei-min, HUANG Wei, CHEN Bao, et al. Diffuse double layer theory and volume change behavior of densely compacted Gaomiaozi bentonite[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(7):1899?1903.

[5] Rathore A S, Horvath C S. Capillary electrochromatography:Theories on electro-osmotic flow in porous media[J].Chromatogr A, 1997, 781: 185?195.

[6] 莊艷峰, 王釗. 電滲的電荷累積理論[J]. 巖土力學, 2005,26(4): 629?633.ZHUANG Yan-feng, WANG Zhao. Electric charge accumulation theory for electro-osmotic consolidation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(4): 629?633.

[7] WU Rong-chang, Papadopoulos K D. Electro-osmotic flow through porous media: Cylindrical and annular models[J].Colloids and Surfaces, 1999, 161(3): 469?476.

[8] 張繼紅, 岳湘安, 侯吉瑞, 等. 外加電場作用下水驅油藏的油水相對滲透率[J]. 高壓電技術, 2005, 31(4): 74?76.ZHANG Ji-hong, YUE Xiang-an, HOU Ji-rui, et al. Oil-water relative permeability of water-drive reservoir under DC electric field[J]. High Voltage Engineering, 2005, 31(4): 74?76.

[9] 張繼紅, 陳濤平, 李躍輝, 等. 流體在外加直流電磁作用下的電動?水力滲流特性[J]. 大慶石油學院院報, 2002, 26(3):33?35.ZHANG Ji-hong, CHEN Tao-ping, LI Yue-hui, et al. The electrohydraulic seepage behavior of the fluid under applied DC electric field[J]. Journal of Daqing Petroleum Institute, 2002,26(3): 33?35.

[10] 佘銘剛, 劉錚. 多孔介質電滲流動計算流體力學模擬與實驗研究(Ⅰ): 多孔介質電滲流動的CFD模擬[J]. 化工學報, 2003,54(8): 1038?1042.SHE Ming-gang, LIU Zheng. CFD simulation and experimental study of electro-osmotic flow in porous media(I): CFD simulation of electro-osmotic flow in porous media[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering, 2003, 54(8): 1038?1042.

[11] Varenne A, Descroix S. Recent strategies to improve resolution in capillary electrophoresis: A review[J]. Analytica Chimica Acta, 2008, 628(1): 9?23.

[12] 陳令新, 關亞風, 馬繼平. 電滲泵中電滲流的控制[J]. 分析化學, 2003, 31(5): 619?623.CHEN Ling-xin, GUAN Ya-feng, MA Ji-ping. Controlling electro-osmotic flow in electro-osmotic pump[J]. Chinese Journal of Analytical Chemistry, 2003, 31(5): 619?623.

[13] 王洪江, 吳愛祥, 羅一忠, 等. 排土場管注浸出法布孔網度優化[J]. 湖南科技大學學報, 2005, 20(4): 1?5.WANG Hong-jiang, WU Ai-xiang, LUO Yi-zhong, et al.Optimizing on meshwork of arranging drill in the tub-pouring leaching method in dump pit[J]. Journal of Hunan University of Science and technology, 2005, 20(4): 1?5.

[14] 王洪江, 吳愛祥, 顧曉春, 等. 高含泥氧化銅礦石分粒級筑堆技術及其應用[J]. 黃金, 2011, 32(2): 46?50.WANG Hong-jiang, WU Ai-xiang, GU Xiao-chun, et al.Technique of classification heap-constructing of copper oxide ore with high-clay and its application[J]. Gold, 2011, 32(2):46?50.

[15] 莊艷峰, 王釗. 土體中電現象的應用[J]. 河海大學學報, 2002,30(6): 1?4.ZHUANG Yan-feng, WANG Zhao. Electrokinetic phenomena in soil and their applications[J]. Journal of Hohai University, 2002,30(6): 1?4.

[16] 王江, 張繼紅, 李憶園, 等. 外加直流電場對儲層滲透率的影響[J]. 大慶石油學院院報, 2002, 26(1): 27?30.WANG Jiang, ZHANG Ji-hong, LI Yi-yuan, et al. Effect of impressed DC electric field on the reservoir permeability[J].Journal of Daqing Petroleum Institute, 2002, 26(1): 27?30.