李昭湟

（寧化日昌升新材料有限公司，福建 寧化 365400）

在離子型稀土礦開(kāi)采過(guò)程中，常常伴隨著土壤鹽堿化、地表水和地下水污染、植被破壞、水土流失、山體滑坡等環(huán)境問(wèn)題［1］。為滿(mǎn)足國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，實(shí)現(xiàn)離子型稀土礦綠色高效開(kāi)采的可持續(xù)發(fā)展。國(guó)內(nèi)眾多的學(xué)者就如何提高離子型稀土原地浸礦工藝的浸取率與回收率進(jìn)行了深入研究。周賀鵬等［2］以江西龍南足洞風(fēng)化離子型稀土礦為研究對(duì)象，采用室內(nèi)柱式溶浸法模擬原地溶浸工藝過(guò)程，開(kāi)展離子型稀土礦溶浸過(guò)程影響規(guī)律研究，得出了最佳浸出條件參數(shù)。何正艷等［3］采用色譜板理論研究了柱浸中稀土和鋁的溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程，得出了實(shí)現(xiàn)最高溶質(zhì)運(yùn)移效率的最佳浸出條件。龍平等［4］利用Kerr模型模擬風(fēng)化殼淋積型稀土礦一維注浸過(guò)程，通過(guò)分批浸出實(shí)驗(yàn)確定了浸出過(guò)程的離子交換模型。李曉波等［5］通過(guò)對(duì)表土層浸礦孔注入裝置的改進(jìn)和優(yōu)化，解決了工程實(shí)際中注液井的塌陷問(wèn)題以及減少了稀土母液中的雜質(zhì)含量。林洪德［6］通過(guò)對(duì)注收液工程布置進(jìn)行施工優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了全覆式礦床的綜合回收率。李春等［7］通過(guò)對(duì)浸礦劑滲透規(guī)律及負(fù)壓收液機(jī)理的研究，優(yōu)化收液方式和條件，得出了最佳的收液方式，提高了離子型稀土浸取率。怎樣結(jié)合柱浸試驗(yàn)優(yōu)化注收液系統(tǒng)，提高福建礦區(qū)原地浸礦工藝離子型稀土浸取率與回收率，還需進(jìn)行系統(tǒng)研究。

結(jié)合福建某離子型稀土礦山開(kāi)采情況，以浸礦劑用量、浸礦劑濃度、浸礦劑液固比、注液強(qiáng)度、浸礦劑及壓頂水pH值對(duì)稀土浸出率的影響作為考察指標(biāo)，進(jìn)行單因子變量實(shí)驗(yàn)。并結(jié)合探礦資料，運(yùn)用軟件分析，有針對(duì)性地對(duì)注收液系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)對(duì)福建離子型稀土礦的開(kāi)采有指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)礦塊地質(zhì)

礦區(qū)內(nèi)離子吸附型稀土礦為全覆式稀土礦，礦體呈似層狀賦存于黑云母花崗巖風(fēng)化殼中，剖面上形態(tài)較簡(jiǎn)單，總體隨地形起伏而呈似層狀產(chǎn)出，礦體傾角基本與地形坡角相同，坡度一般15～25°，本區(qū)屬中低山地貌類(lèi)型，區(qū)內(nèi)小沖溝發(fā)育、地形較平坦，礦區(qū)水文地質(zhì)條件屬簡(jiǎn)單類(lèi)型。利用MapGIS軟件計(jì)算地質(zhì)儲(chǔ)量，并將MapGIS中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入3DMine三維軟件中核驗(yàn)，最終分析得出該礦區(qū)有經(jīng)濟(jì)開(kāi)采價(jià)值的2個(gè)礦體（命名為2#、3#礦體），資源儲(chǔ)量情況見(jiàn)表1。本區(qū)礦石為中釔富銪型稀土，屬于典型的中重稀土，且品位較高，具有較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 柱浸試驗(yàn)

2.1 柱浸試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次柱浸試驗(yàn)采用單因子變量法，并另設(shè)3組綜合條件試驗(yàn)，選取對(duì)礦山主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響較大的變量（浸礦劑用量、浸礦劑濃度、浸礦劑液固比、注液強(qiáng)度、浸礦劑及壓頂水pH值）作為考察指標(biāo)，以硫酸銨作為浸礦劑。為使試驗(yàn)過(guò)程盡量接近真實(shí)的礦山生產(chǎn)環(huán)境，采用除雜沉淀后的上清液或浸礦劑配置壓頂水進(jìn)行連續(xù)回灌。柱浸試驗(yàn)最終數(shù)據(jù)還要結(jié)合工業(yè)小試實(shí)驗(yàn)以修正試驗(yàn)數(shù)據(jù)，修正后的數(shù)據(jù)將用于指導(dǎo)礦山生產(chǎn)。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

2.2 單因子變量試驗(yàn)

（1）浸礦劑用量試驗(yàn)：設(shè)置不同的硫酸銨/稀土質(zhì)量比，同時(shí)對(duì)比沉淀上清液與清水作為壓頂水的浸出差異。

（2）浸礦劑液固比試驗(yàn)：試驗(yàn)采用4%硫酸銨溶液作為浸礦劑。

（3）浸礦劑濃度試驗(yàn)：設(shè)計(jì)4%、3%、2%三組對(duì)比試驗(yàn)。

（4）固定浸礦劑用量變濃度試驗(yàn)：設(shè)計(jì)恒定硫酸銨濃度為3%與變硫酸銨濃度（濃度采用4%與2%，用量平分）的兩組對(duì)比試驗(yàn)。

（5）注液強(qiáng)度試驗(yàn)：設(shè)計(jì)8 mL/min、6 mL/min、5 mL/min、3 mL/min 4組對(duì)比試驗(yàn)。

（6）浸礦劑pH值試驗(yàn)：設(shè)計(jì)pH值分別為2、3、4.5、5.8、7、8的6組硫酸銨溶液進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 浸礦劑用量對(duì)浸出過(guò)程的影響

離子型稀土礦浸礦的實(shí)質(zhì)是一些電解質(zhì)中的陽(yáng)離子具有比這些離子相稀土更活潑的化學(xué)性質(zhì)，可與這些離子相稀土發(fā)生交換而使其進(jìn)入溶液中［8］。浸出劑用量過(guò)少，NH4+濃度偏低，稀土離子不能完全交換，造成溶浸過(guò)程浸出率下降：而浸出劑用量過(guò)大，雖然浸出率大幅提高，但浸出液中的稀土離子濃度偏低，不利于后續(xù)作業(yè)的稀土再富集回收，同時(shí)造成礦體殘留藥劑嚴(yán)重［9］。根據(jù)浸礦劑用量試驗(yàn)與浸礦劑液固比試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，分別建立浸礦劑用量與稀土浸出率變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2；不同固液比稀土浸出率變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。稀土浸出率基本都隨硫酸銨/稀土質(zhì)量比的增加有一個(gè)增大的趨勢(shì)，而且700 min前浸出率增長(zhǎng)較快，后期趨于平穩(wěn)。當(dāng)浸出率同為91%左右時(shí)，采用清水作為壓頂水的硫酸銨/礦石質(zhì)量比需要1/124，而采用循環(huán)式的沉淀上清液作為壓頂水的硫酸銨/礦石質(zhì)量比只需要1/135，可節(jié)約25%左右的硫酸銨用量。隨著浸礦劑液固比的增大，稀土浸出率先增長(zhǎng)較快，后趨于平緩，而稀土平均濃度則一直呈下降趨勢(shì)。選取浸礦后期壓頂水液固體積質(zhì)量比為0.3（m3/t）最合適，稀土浸取率達(dá)到94.33%，濃度為1.59 g/l。

2.3.2 浸礦劑濃度對(duì)浸出過(guò)程的影響

浸礦劑離子濃度越高，溶液中NH4+濃度梯度升高，與離子相稀土交換反應(yīng)能力越強(qiáng)。通過(guò)不同浸礦劑濃度對(duì)比試驗(yàn)，得出浸礦劑濃度對(duì)稀土浸出率的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。隨著浸礦劑硫酸銨濃度的增加，離子相稀土的浸出率也隨之增加且達(dá)到相同浸出率所用時(shí)間越短。同一濃度下，前期浸出率增長(zhǎng)較快，后期浸出率逐漸趨于穩(wěn)定值。據(jù)此規(guī)律，礦山生產(chǎn)期間，前期可以適當(dāng)增加硫酸銨濃度，減少稀土離子的反吸附，縮短生產(chǎn)周期，后期適當(dāng)減少硫酸銨濃度，降低硫酸銨用量，節(jié)約成本，減少浸出母液雜質(zhì)含量。由固定浸礦劑用量變濃度試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制固定浸礦劑用量變濃度稀土浸出率變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。在非恒定浸礦劑濃度（4%與2%濃度）條件下的浸出率比恒定浸礦劑濃度（3%濃度）的浸出率更快趨于平穩(wěn)值且峰值更大。稀土浸出率達(dá)到95%，非恒定浸礦劑濃度只需450 min，恒定浸礦劑濃度需要650 min。這是因?yàn)榍捌诟邼舛龋∟H4）2SO4，迅速補(bǔ)充了離子交換而導(dǎo)致的濃度降低，減少稀土離子的反吸附現(xiàn)象，加快稀土離子隨溶浸液向下滲流，縮短了生產(chǎn)周期［10］。

2.3.3 浸礦劑注液強(qiáng)度對(duì)浸出過(guò)程的影響

浸礦劑注液強(qiáng)度對(duì)稀土離子浸出過(guò)程影響較大。浸礦劑流速過(guò)大，（NH4）2SO4溶液無(wú)法向礦粒內(nèi)擴(kuò)散，難以與礦石中的RE3+離子接觸和發(fā)生交換作用，易造成溝流或浸出“死區(qū)”；浸礦劑流速過(guò)小，被交換浸出的稀土離子不能及時(shí)進(jìn)入浸出液，將與原吸附的載體礦物發(fā)生再吸附，降低稀土的浸出效率，致使浸出周期變長(zhǎng)。通過(guò)注液強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，繪制出不同注液強(qiáng)度稀土浸出率變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。由曲線(xiàn)可知，浸礦劑流速為5 mL/min時(shí)，最快達(dá)到浸出率峰值，而且浸出率峰值最大。

2.3.4 溶液pH值對(duì)浸出過(guò)程的影響

離子型稀土礦多呈弱酸性，H+不僅可將稀土離子交換解析，也可與NH4+發(fā)生交換反應(yīng)，該副反應(yīng)造成溶浸液pH值小于浸出劑初始pH值，進(jìn)而表現(xiàn)出稀土礦石對(duì)不同pH值浸出劑的緩沖效果，產(chǎn)生抑制稀土離子水解的作用，故浸出劑溶液pH值對(duì)稀土浸出過(guò)程影響較大。根據(jù)硫酸銨溶液不同pH值對(duì)比試驗(yàn)，得出不同pH值稀土浸出率變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。由曲線(xiàn)可知，隨著pH值的增大，稀土濃度和浸出率都有先增大，然后趨于平穩(wěn)，最后迅速減小的一個(gè)過(guò)程。當(dāng)浸礦劑pH值在4.5～6之間時(shí)，稀土濃度峰值及浸取率均較高，但硫酸銨溶液自然水解呈弱酸性，所以pH值在4.5～5.5之間時(shí)，硫酸銨溶液在調(diào)配過(guò)程中不需調(diào)節(jié)溶液pH值，便可直接使用。

2.4 綜合條件試驗(yàn)

在上述單因子柱浸工藝優(yōu)化試驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)行3組綜合條件試驗(yàn)，結(jié)果取其平均值。人工配礦4 kg，裝礦高度50 cm，礦石含水率10%，硫酸銨/礦石的質(zhì)量比為1/135，注液濃度調(diào)節(jié)順序?yàn)?%→2%→1%、硫酸銨消耗量比為2∶1∶1，浸礦劑液固體積質(zhì)量比為0.3（m3/t），后期壓頂水液固體積質(zhì)量比為 0.3（m3/t）。浸礦劑注液強(qiáng)度為5 mL/min，浸取液pH值為硫酸銨自然水解值5.8左右。試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)確定的工藝參數(shù)穩(wěn)定可靠，平均浸取率為94.5%，浸出液平均濃度為1.58 g/L。該柱浸最終優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)在工業(yè)實(shí)踐中也效果顯著，工業(yè)實(shí)踐中累計(jì)循環(huán)注液515 561.56 m3，回收471 120.15 m3，母液回收率91.38%，資源回收率87.68%。與之前生產(chǎn)實(shí)踐相比，資源回收率提高10%。為加快浸礦進(jìn)度，生產(chǎn)實(shí)踐中浸礦劑注液強(qiáng)度可以達(dá)到理論的2～3倍，也即12～15 mL/min。浸礦劑采用清水配置，使用沉淀上清液作為壓頂水進(jìn)行循環(huán)使用。

3 注液收液系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 注收液系統(tǒng)設(shè)計(jì)

礦區(qū)內(nèi)回收的2#、3#礦體資源賦存規(guī)律呈現(xiàn)為上貧下富的倒漏斗型分布，大部分鉆孔深度品位均較好，2#礦體滲透性較好，3#礦體礦石粘性大，滲透性差。注收液系統(tǒng)布置形式見(jiàn)圖8。

3.2 注液系統(tǒng)優(yōu)化

為避免注液過(guò)程中出現(xiàn)“管涌”現(xiàn)象［11］，導(dǎo)致雜質(zhì)離子過(guò)多析出，影響浸出率以及由此造成的注液井塌孔增加的邊坡坍塌風(fēng)險(xiǎn)。在注液井設(shè)計(jì)及施工中，地形相對(duì)平緩地區(qū)，注液井直徑為120 mm；較陡區(qū)域，注液井直徑200 mm。在注液淺井中添加輔助滲漏裝置（圖9），輔助滲漏裝置既能減少浸礦劑在無(wú)效礦層中浸泡導(dǎo)致的損失，減少雜質(zhì)離子的析出，又能有效增加注液時(shí)的水頭壓力，利于稀土離子的快速交換。具體的注液井孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：α≤8°的近水平地形，采用1.5 m×1.5 m井網(wǎng)；8°＜α≤25°的緩斜地形，采用2 m×2 m井網(wǎng)；25°＜α≤45°的傾斜地形，采用3 m×3 m井網(wǎng)；α≥45°的急傾斜地形，采用4 m×4 m井網(wǎng)或不布置注液井。

3.3 收液系統(tǒng)優(yōu)化

礦區(qū)內(nèi)稀土礦類(lèi)型為全覆式稀土礦，無(wú)天然底板，需采用人造底板，采用巷道與導(dǎo)流孔、主巷道與副巷道相集合的復(fù)合式收液系統(tǒng)。在滲透性較好的礦塊，在山體邊坡坡腳處及主巷道間隙設(shè)置導(dǎo)流孔以回收稀土母液，在主、副巷道底部設(shè)置10 cm×10 cm×20 cm集液溝。巷道傾斜坡度2.5%～3.0%，通過(guò)自重匯集至母液收集池，經(jīng)水泵送至水冶車(chē)間。在滲透性較好的礦塊外圍，在其巷道或?qū)Я骺紫路皆鲈O(shè)環(huán)山溝，進(jìn)一步回收稀土母液。

4 結(jié) 論

采用室內(nèi)柱浸試驗(yàn)探究了浸礦劑用量、注液濃度、注液強(qiáng)度、溶液pH對(duì)浸出過(guò)程的影響，并結(jié)合礦山現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐優(yōu)化注收液系統(tǒng)。主要得出以下結(jié)論：

（1）在離子型稀土充足條件下，前期適當(dāng)增大浸礦劑（NH4）2SO4溶液濃度，有利于縮短浸出率達(dá)到峰值的時(shí)間，中后期可適當(dāng)減小（NH4）2SO4溶液濃度。這樣既能獲得比較高的浸出率又可以節(jié)約生產(chǎn)成本。

（2）在硫酸銨/礦石的質(zhì)量比為1∶135，注液濃度調(diào)節(jié)順序?yàn)?%→2%→1%，且用量比例為2∶1∶1時(shí)，為加快浸礦進(jìn)度，生產(chǎn)實(shí)踐中浸礦劑注液強(qiáng)度可以達(dá)到理論最優(yōu)值（5 mL/min）的2～3倍，也即12～15 mL/min。實(shí)踐結(jié)果與之前生產(chǎn)實(shí)踐相比，資源回收率提高10%。

（3）結(jié)合工業(yè)實(shí)踐，建議注液濃度調(diào)節(jié)過(guò)程分為4個(gè)階段，第一階段4%濃度，于高品位及高海拔區(qū)域進(jìn)行注液；第二階段2%濃度，從高到低全區(qū)域覆蓋注液；第三階段在第二階段基礎(chǔ)上，采用1%濃度注液；第四階段利用循環(huán)水及清水加酸調(diào)配成壓頂水進(jìn)行注液，此階段為混合銨鹽注液階段，調(diào)配用的酸為硫酸。