离子型稀土矿浸出时微细颗粒迁移情况与控制方法

管理及其他
M anagement and other
离子型稀土矿浸出时微细颗粒迁移情况与控制方法
李 渊
摘要：为揭示离子型稀土在现场浸出时微细颗粒迁移现象，并掌握适当的把控方式。

运用实验室柱式溶浸法，对微细颗粒迁移运动规律进行观察。

离子型稀土矿浸出时微细颗粒会受到涂料助剂水力梯度、流速、矿体高度、黏度、矿体含水量和质量浓度的影响。

其中影响浸出的主要原因之一是微细颗粒迁移现象，在外力的影响下，在进行浸出时微细颗粒极易跟随涂料助剂产生迁移现象，在涂料助剂质量浓度不超过4%、水力梯度不超过0.76、原矿含水量超过11%、黏度大于1.6mPa·s、涂料助剂流速不超过3ml/min的情况下，矿体渗透依旧良好，微细颗粒迁移现象不明显，对涂料助剂渗透和稀土离子浸取有一定提升。

关键词：离子型稀土矿；微细颗粒；迁移情况
离子型稀土矿就是稀土离子以离子形式附着在矿物上，综合利用价值高、放射性对比度低，拥有行业稀缺的重型稀土元素。

南方江西、广东离子型多数是重稀土，相比于北方轻稀土储存量更少，价值更高也更加珍贵，是国内外研究人员关注的焦点，我国如今已将其列为限制开采和保护性战略关键金属资源。

1 稀土资源概述
稀土所指是稀有土，但“稀有”实际并不是真实储存量特别稀少，其实，稀土储存量十分丰富，真实储存量比日常生活中锌、锡、铜等常见元素储存量还要多。

由于受当时科技水平有限等问题，在对稀土提炼过程中，提纯难度较高，当时科技水平无法做到纯净提纯，只可以提纯出不纯净、像土一样的氧化物，所以，就导致人们认为稀土元素十分稀有，并因此才有了稀土这个名字。

稀土元素，是镧系元素的一种，与钪、钇化学性质相似，镧系元素中有十七种金属元素，它们在元素周期表中属于第IIIB族，基本为正三价。

此外，由于钪是这十七个稀土元素中与其他元素共生关系最弱，并且钪元素与其他十六个稀土元素性质不同，因此，稀土元素中也不将钪元素包括在内。

2 试验
2.1 原料
试样原料采用江西赣州龙南足洞还未进行开采的典型离子型稀土矿山，采取半风化层、表土层、全风化层稀土矿石，整个矿体可以通过试样进行代表。

根据试验研究目标对试样进行测试了解，了解试样化学多元素、稀土矿石原料配分与相对X射线衍射、半分子量等。

由试验结果得知，原矿试样拥有稀土含量较少，Y2O3配分为40.47%，是我国赣南地区十分常见的高钇型中重稀土矿，拥有较高的研究价值。

该试样主要是由A l2O3和SiO2所构成，稀土金属主要富集于强碱性基性岩、花岗岩、强碱性岩及其有关矿床中。

2.2 试验设备仪器
试验设备装置主要由测压管、渗水板、供水系统、圆柱形浸柱桶、量筒等构成。

测压管中心长度为5.1m、容积长度为1.8m、浸柱桶长度为70.1cm，测量试样分别从A至H级。

实验所使用的涂料助剂为加入了3.1%硫酸的冷却清水。

试验用取样为江西省赣州市某一离子型稀土矿，矿样呈现微红色。

黏质粉土状，相对密度为2.73m3。

2.3 试验方法
将试样进行烘干处理后，调配与原矿体相同密度、含水量、试样。

在试验开始前，把渗水板铺到浸柱桶底部，将粗砂过滤层放入，再在其上铺一张定性滤纸，避免浸柱桶内细颗粒流失，再将配置试样平均分成十小份依次均匀放入，为防止试样产生矿层分界面，需要对两层接触试样表层进行刨毛处理。

装样完成后，将一些砂砾铺到试样上层当作缓冲层，避免注液时上层表面试样被冲掉。

模拟两种不同工程现场浸矿方式，通过试验了解矿物颗粒迁移运动和矿体结构在两种不同浸矿方法所受到的影响。

第一种浸矿方法为，注入清水待渗流稳定后注入含量为3.1%硫酸钠溶液；第二种浸矿方法为，只注入含量为3%硫酸铵溶液。

在试验进行时每10min内渗流流量和测压管水头值进行记录，根据达西定律对各层试样进行渗透系数计算。

204
管理及其他M anagement and other
将每种浸矿方法试验结果进行对比，在固定量值中探析离子型稀土矿矿体结构因涂料助剂颗粒迁移运动和渗流规律所产生的影响。

根据对其结构研究表明，离子型稀土矿进行浸出时所产生微细颗粒迁移运动会对离子型稀土矿浸出效率造成严重影响。

微细颗粒在进行浸出时受到多种外力影响，就会造成微细颗粒跟随涂料助剂发生迁移现象。

在涂料助剂质量浓度不超过4%、水力梯度不超过0.76、原矿含水量超过11%、黏度大于1.6MPa·s、涂料助剂流速不超过3ml/min的情况下，由于矿体微细粒径迁移性很小，因此矿体渗透率依旧好，有利于涂料助剂的渗流和对稀有地球分子化学提取。

试验运用实验室柱式溶浸法，用硫酸铵作为涂料助剂。

将涂料助剂注入矿体试样，待添加涂料助剂水位平衡后停止注入，室内温度保持恒温4h后将矿体试样取出，对试样上中下分别取出一个试样点展开粒度组成剖析，以上中下不同取样点不同粒度总产率当作指标参数，观察涂料助剂流速、质量浓度、矿体高度、黏度、矿体含水率和水力梯度对微细颗粒迁移所造成的影响。

2.4 不同粒度成分类型的成因探索
分形维数D大小可以较好展现出试样总体粒度粗细关系，而粒度展示为分类型良好展现出颗粒级配模式。

三个取样位置比较相近，原岩成分相差不大。

因此，矿石级配模式及整体粒度大不相同，可能是由于构造裂隙和微地貌等不同发生风化反应时和风化程度不一样造成。

鉴于此事，我们将根据试样孔的微观地貌特征、粒度成分类型以及矿石颗粒的粒度分形维度与深度变化之间的关系，以及粒度成分类型的颗粒级配特性，来探究不同粒度形成分类型的原因。

经过研究表明，三个试样会随着深度增高而导致分形维数而提升，即整体粒度变细；三个试样都为B型，颗粒及配比模式都为“右倾双峰”式，粗砂总体含量较多、粉-黏粒总体含量较少；与该孔周围无植被覆盖、水土严重流失、位置地形陡峭、侵蚀能力强等因素相结合，导致试样颗粒粒度分布受到侵蚀作用影响比较大。

因此，侵蚀作用和一部分B型粒度成分有关。

3 结果与讨论
3.1 微细颗粒迁移受到涂料助剂质量浓度的影响
涂料助剂中的阴离子和表面稀土阳离子溶质之间的交换作用主要用于离子型稀土矿浸出。

涂料助剂中的电解质与矿石表面的离子型稀土材料进行交换，这是由于涂层助剂的质量浓度而产生的不同作用。

这种交换作用会导致键合力的大小差异，并在微细粒子转化过程中发挥一定的作用。

涂料助剂中流量为2.1ml/min、矿体长度约为300.1cm、矿体含水量约为8.1%、黏度为1.7MPa·s、水力梯度恒定为0.82，浸出后每间隔100mm选取矿体上中下位置作为取样，对粒度进行探索，观察微细颗粒迁移运动在不同涂料助剂质量浓度下的影响。

涂料助剂质量浓度提升，增加了矿石表层电位，减小了微细颗粒迁移初始力量，同时也增加了液相扩散能力。

通过试验研究可以知道，在涂料助剂质量浓度小于4.1%时，微细颗粒因为受到矿石表层静电吸附力原因，所以分散作用较小，微细颗粒迁移移动也随之较小，颗粒依旧保持最初运动状态；在涂料助剂质量浓度超过4%的情况下，100㎛以下颗粒迁移运动伴随着涂料助剂质量浓度提升逐渐明显，并集中在矿体下层；当涂料助剂质量浓度为7%的情况下，100㎛总产率上下层差异近10%左右，微细颗粒迁移运动比较明显。

因此可以得出进行溶浸时涂料助剂质量不可以超过4%。

3.2 矿物颗粒受涂料助剂黏度和自身重力影响
溶浸状态下，矿物颗粒在受到外界涂料助剂间相互接触而产生外力影响，还会受到自身重力因素影响。

决定颗粒表面作用力的关键因素是涂料助剂黏度，为了探析溶浸状态下微细颗粒迁移现象受到黏度不同涂料助剂所产生的影响，涂料助剂固定矿体高度为300.1mm、流速为2.1ml/min、水力梯度恒定为0.82、质量浓度为4.1%、矿体含水率为8.1%，溶浸结束后从上到下每间隔100.1mm对矿体标注取样点，对试样进行粒度组成研究，观察微细颗粒迁移现象在黏度不同涂料助剂下造成的影响。

经过试验可知，涂料助剂黏度为2.1MPa·s时，100㎛粒径微细颗粒发生较为明显的迁移运动，在80㎛粒上下层，颗粒数量差异尤为明显；由于涂料助剂黏性不断增加，较细小粒级颗粒间也相应进行了明显迁移运动，可以证明当流体移动时二相界面表面受力也会因涂料助剂黏性而受到相应影响，由于涂料助剂黏性将进一步增加，因此涂料助剂电解质与粒子间表面受力也将进一步增加。

3.3 微细颗粒迁移规律受到水力梯度的影响
稀土浸出时选择合适的水力梯度对稀土浸出率有着一定程度提升，但水力梯度过高就会发生稀土中微细颗粒发生大量迁移现象，从而改变矿体渗透系数与孔隙率，对涂料助剂与黏土表层稀土阳离子互换造成一定程度影响。

涂料助剂为去离子水，矿体含水率8.1%、流速为2.1ml/ min、矿体高度为300mm，溶浸结束后从上到下每间隔
205
管理及其他M anagement and other
100mm对矿体标注取样点，对试样进行粒度组成研究，观察稀土微细颗粒迁移运动受到不同水力梯度所产生的影响。

根据研究表明，颗粒迁移运动会受到水力梯度不同而产生一定程度影响。

在水力梯度不超过0.76的情况下，运动颗粒被涂料助剂沿水流方向重力分力、拖拽力等这些初始动力，不超过颗粒运动阻力时，微细颗粒迁移运动不显著，伴随着水力梯度持续提升，渗透流速也随着提高，100㎛颗粒首先产生迁移运动现象；在水力梯度超过0.92的情况下，因为涂料助剂对稀土颗粒拖拽力逐渐增大，颗粒整体迁移运动逐渐明显，不同层次粒径分布差异也逐渐增大，所以，迁移颗粒粒径也会随着水力梯度变化而变化。

3.4 流速对微细颗粒迁移规律造成的影响
涂料助剂流速对稀土离子和电解质阳离子间的互换效率有着直接影响。

流速不够快就会发生已解吸稀土离子长时间滞留在黏土矿物表层，从而导致再次吸附，同时，AI3+和Fe3+等杂质阳离子浸出时间过长容易与电解质产生共吸附现象；流速太快，就导致涂料助剂电解质中阳离子与黏土矿物接触时间不足，离子互换效率低，且颗粒在受到外力影响时极易产生迁移运动，导致矿体结构发生改变。

因此掌握适合涂料助剂流速，不但可以增加浸出效率，还可以增加稀土浸出率。

涂料助剂使用去离子水，矿体含水率为8.1%、矿体高度为300mm、水力梯度恒定为0.82，溶浸后每间隔100mm从上到下对矿体标注取样点进行粒度探索解析，观察稀土微细颗粒迁移运动在不同流速下受到的影响。

经过试验可知，颗粒在孔隙中迁移现象受到涂料助剂流速快慢影响。

在涂料助剂流速不超过3.1ml/min 的情况下，颗粒受到的力小于发生明显迁移所需的力，矿体始终维持原有结构，但如果流速太过缓慢就会导致涂料助剂累积，产生水柱；流速为3.1ml/min的情况下，100㎛粒级上层微细颗粒发生迁移现象，但运动速度缓慢。

涂料助剂流速不超过3.1ml/min的情况下，伴随着涂料助剂流速逐渐提升，微细颗粒迁移运动也越发明显，且100㎛粗粒级开始进行迁移运动，导致不同层次微细颗粒数量差异明显，因此矿体原有结构也发生了变化。

3.5 微细颗粒迁移规律受到矿体高度的影响
矿体高度对粒子互换后再吸收产生很大作用，另外，矿体高程变化还可以使粒子移动过程的渗流过程产生不同深度变化。

试验研究在不同原矿中，矿体高在同一横截面积水溶浸柱上产生的影响，并探讨在不同矿体高对微细晶粒迁移过程中产生的影响，以去离子水作为涂料助剂，流量在2.1ml/min、矿体含水率为8.1%、水力梯度常数为0.82，溶浸后从上到下每间隔100mm对矿体标注取样点。

经过试验得知，颗粒迁移运动受到矿体高度影响较低，但伴随着矿体高度提高，颗粒渗透路径也会随之变长，导致再次吸附，从而发生“运动阻碍”，对溶浸渗透率造成影响。

3.6 矿体含水率对微细颗粒迁移规律造成的影响
离子型稀土是黏土矿物表面富集吸附的离子，黏土矿物拥有较强亲水性。

黏土矿物吸水后，矿物表层和内部会形成层间自由水与结合水，所以颗粒表面与内部形成层的自由水分和结合水，使得粒子表面张力、静电吸附性、空隙度都会随含水量变化而发生变化，从而使得粒子迁移活动受干扰。

为研究等离子型稀土矿不同原矿含水率，在溶浸中对细微颗粒迁移运动所产生的作用，并进行了对细微颗粒迁移运动对不同原矿含水率所产生的作用探讨。

固定涂料阻燃助剂水质控制涂料阻燃助剂流量为2ml/min、质量浓度为4%、涂料助剂为1.6MPa·s硫酸铵液，矿体高度为300mm、水力梯度为0.82，溶浸后从上到下每间隔100mm对矿体标注取样点。

由试验得知，微细颗粒迁移运动显著时，代表含水量较低，当含水量逐渐提升，颗粒迁移运动也会逐渐减少，在含水率高于9.1%时，矿体整体几乎没有迁移运动发生，只有上层部分有少量细颗粒发生轻微迁移。

矿体含水量较小，也就会使得粒子表面结合剂所形成的吸附力较小，微细粒子更容易被涂料助剂黏滞性所带动；随着含水量逐步增加，粒子之间吸附性会随之增加，其线性渗流过程容易给该矿区结合水带来阻碍，导致矿体渗透率小，微细粒子迁移过程不明显。

4 结语
综上所述，微细颗粒迁移运动是影响离子型稀土矿浸出效率的主要原因。

矿体中微细颗粒在多种作用力下导致微细颗粒出现重新排列和迁移，并在离子型稀土矿孔隙之间相互连接较窄的通道处沉淀，并造成堵塞，导致矿体孔隙结构与渗透性造成相应改变，一定程度对离子型稀土浸出效果产生了负面影响。

在控制下涂料助剂流量不超过3ml/min、质量浓度小于4%、涂料助剂黏度不大于1.6MPa·s、原矿含水率等于11%、水力梯度低于0.76%的情况下，由于矿体微细粒径迁移性很小，因此矿体渗透率依旧好，有利于涂料助剂渗流和对稀有分子化学提取。

（作者单位：江西省钨与稀土产品质量监督检验中心
（江西省钨与稀土研究院））
206。