某離子型稀土礦柱浸試驗與注收液系統優化

李昭湟

（寧化日昌升新材料有限公司，福建 寧化 365400）

在離子型稀土礦開采過程中，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、山體滑坡等環境問題［1］。為滿足國家對環境保護的要求，實現離子型稀土礦綠色高效開采的可持續發展。國內眾多的學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行了深入研究。周賀鵬等［2］以江西龍南足洞風化離子型稀土礦為研究對象，采用室內柱式溶浸法模擬原地溶浸工藝過程，開展離子型稀土礦溶浸過程影響規律研究，得出了最佳浸出條件參數。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運移過程，得出了實現最高溶質運移效率的最佳浸出條件。龍平等［4］利用Kerr模型模擬風化殼淋積型稀土礦一維注浸過程，通過分批浸出實驗確定了浸出過程的離子交換模型。李曉波等［5］通過對表土層浸礦孔注入裝置的改進和優化，解決了工程實際中注液井的塌陷問題以及減少了稀土母液中的雜質含量。林洪德［6］通過對注收液工程布置進行施工優化設計，提高了全覆式礦床的綜合回收率。李春等［7］通過對浸礦劑滲透規律及負壓收液機理的研究，優化收液方式和條件，得出了最佳的收液方式，提高了離子型稀土浸取率。怎樣結合柱浸試驗優化注收液系統，提高福建礦區原地浸礦工藝離子型稀土浸取率與回收率，還需進行系統研究。

結合福建某離子型稀土礦山開采情況，以浸礦劑用量、浸礦劑濃度、浸礦劑液固比、注液強度、浸礦劑及壓頂水pH值對稀土浸出率的影響作為考察指標，進行單因子變量實驗。并結合探礦資料，運用軟件分析，有針對性地對注收液系統進行優化設計。試驗對福建離子型稀土礦的開采有指導意義。

1 試驗礦塊地質

礦區內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化殼中，剖面上形態較簡單，總體隨地形起伏而呈似層狀產出，礦體傾角基本與地形坡角相同，坡度一般15～25°，本區屬中低山地貌類型，區內小沖溝發育、地形較平坦，礦區水文地質條件屬簡單類型。利用MapGIS軟件計算地質儲量，并將MapGIS中的數據導入3DMine三維軟件中核驗，最終分析得出該礦區有經濟開采價值的2個礦體（命名為2#、3#礦體），資源儲量情況見表1。本區礦石為中釔富銪型稀土，屬于典型的中重稀土，且品位較高，具有較高經濟價值。

2 柱浸試驗

2.1 柱浸試驗設計

本次柱浸試驗采用單因子變量法，并另設3組綜合條件試驗，選取對礦山主要技術經濟指標影響較大的變量（浸礦劑用量、浸礦劑濃度、浸礦劑液固比、注液強度、浸礦劑及壓頂水pH值）作為考察指標，以硫酸銨作為浸礦劑。為使試驗過程盡量接近真實的礦山生產環境，采用除雜沉淀后的上清液或浸礦劑配置壓頂水進行連續回灌。柱浸試驗最終數據還要結合工業小試實驗以修正試驗數據，修正后的數據將用于指導礦山生產。試驗裝置見圖1。

2.2 單因子變量試驗

（1）浸礦劑用量試驗：設置不同的硫酸銨/稀土質量比，同時對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：試驗采用4%硫酸銨溶液作為浸礦劑。

（3）浸礦劑濃度試驗：設計4%、3%、2%三組對比試驗。

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

（5）注液強度試驗：設計8 mL/min、6 mL/min、5 mL/min、3 mL/min 4組對比試驗。

（6）浸礦劑pH值試驗：設計pH值分別為2、3、4.5、5.8、7、8的6組硫酸銨溶液進行對比試驗。

2.3 試驗結果與分析

2.3.1 浸礦劑用量對浸出過程的影響

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

2.3.2 浸礦劑濃度對浸出過程的影響

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能力越強。通過不同浸礦劑濃度對比試驗，得出浸礦劑濃度對稀土浸出率的變化曲線見圖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到相同浸出率所用時間越短。同一濃度下，前期浸出率增長較快，后期浸出率逐漸趨于穩定值。據此規律，礦山生產期間，前期可以適當增加硫酸銨濃度，減少稀土離子的反吸附，縮短生產周期，后期適當減少硫酸銨濃度，降低硫酸銨用量，節約成本，減少浸出母液雜質含量。由固定浸礦劑用量變濃度試驗數據繪制固定浸礦劑用量變濃度稀土浸出率變化曲線見圖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值且峰值更大。稀土浸出率達到95%，非恒定浸礦劑濃度只需450 min，恒定浸礦劑濃度需要650 min。這是因為前期高濃度（NH4）2SO4，迅速補充了離子交換而導致的濃度降低，減少稀土離子的反吸附現象，加快稀土離子隨溶浸液向下滲流，縮短了生產周期［10］。

2.3.3 浸礦劑注液強度對浸出過程的影響

浸礦劑注液強度對稀土離子浸出過程影響較大。浸礦劑流速過大，（NH4）2SO4溶液無法向礦粒內擴散，難以與礦石中的RE3+離子接觸和發生交換作用，易造成溝流或浸出“死區”；浸礦劑流速過小，被交換浸出的稀土離子不能及時進入浸出液，將與原吸附的載體礦物發生再吸附，降低稀土的浸出效率，致使浸出周期變長。通過注液強度對比試驗，繪制出不同注液強度稀土浸出率變化曲線見圖6。由曲線可知，浸礦劑流速為5 mL/min時，最快達到浸出率峰值，而且浸出率峰值最大。

2.3.4 溶液pH值對浸出過程的影響

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+發生交換反應，該副反應造成溶浸液pH值小于浸出劑初始pH值，進而表現出稀土礦石對不同pH值浸出劑的緩沖效果，產生抑制稀土離子水解的作用，故浸出劑溶液pH值對稀土浸出過程影響較大。根據硫酸銨溶液不同pH值對比試驗，得出不同pH值稀土浸出率變化曲線見圖7。由曲線可知，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，最后迅速減小的一個過程。當浸礦劑pH值在4.5～6之間時，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，硫酸銨溶液在調配過程中不需調節溶液pH值，便可直接使用。

2.4 綜合條件試驗

在上述單因子柱浸工藝優化試驗基礎上，進行3組綜合條件試驗，結果取其平均值。人工配礦4 kg，裝礦高度50 cm，礦石含水率10%，硫酸銨/礦石的質量比為1/135，注液濃度調節順序為4%→2%→1%、硫酸銨消耗量比為2∶1∶1，浸礦劑液固體積質量比為0.3（m3/t），后期壓頂水液固體積質量比為 0.3（m3/t）。浸礦劑注液強度為5 mL/min，浸取液pH值為硫酸銨自然水解值5.8左右。試驗結果表明，試驗確定的工藝參數穩定可靠，平均浸取率為94.5%，浸出液平均濃度為1.58 g/L。該柱浸最終優化試驗數據在工業實踐中也效果顯著，工業實踐中累計循環注液515 561.56 m3，回收471 120.15 m3，母液回收率91.38%，資源回收率87.68%。與之前生產實踐相比，資源回收率提高10%。為加快浸礦進度，生產實踐中浸礦劑注液強度可以達到理論的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行循環使用。

3 注液收液系統優化

3.1 注收液系統設計

礦區內回收的2#、3#礦體資源賦存規律呈現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。注收液系統布置形式見圖8。

3.2 注液系統優化

為避免注液過程中出現“管涌”現象［11］，導致雜質離子過多析出，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險。在注液井設計及施工中，地形相對平緩地區，注液井直徑為120 mm；較陡區域，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效礦層中浸泡導致的損失，減少雜質離子的析出，又能有效增加注液時的水頭壓力，利于稀土離子的快速交換。具體的注液井孔網參數設計如下：α≤8°的近水平地形，采用1.5 m×1.5 m井網；8°＜α≤25°的緩斜地形，采用2 m×2 m井網；25°＜α≤45°的傾斜地形，采用3 m×3 m井網；α≥45°的急傾斜地形，采用4 m×4 m井網或不布置注液井。

3.3 收液系統優化

礦區內稀土礦類型為全覆式稀土礦，無天然底板，需采用人造底板，采用巷道與導流孔、主巷道與副巷道相集合的復合式收液系統。在滲透性較好的礦塊，在山體邊坡坡腳處及主巷道間隙設置導流孔以回收稀土母液，在主、副巷道底部設置10 cm×10 cm×20 cm集液溝。巷道傾斜坡度2.5%～3.0%，通過自重匯集至母液收集池，經水泵送至水冶車間。在滲透性較好的礦塊外圍，在其巷道或導流孔下方增設環山溝，進一步回收稀土母液。

4 結 論

采用室內柱浸試驗探究了浸礦劑用量、注液濃度、注液強度、溶液pH對浸出過程的影響，并結合礦山現場實踐優化注收液系統。主要得出以下結論：

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

（2）在硫酸銨/礦石的質量比為1∶135，注液濃度調節順序為4%→2%→1%，且用量比例為2∶1∶1時，為加快浸礦進度，生產實踐中浸礦劑注液強度可以達到理論最優值（5 mL/min）的2～3倍，也即12～15 mL/min。實踐結果與之前生產實踐相比，資源回收率提高10%。

（3）結合工業實踐，建議注液濃度調節過程分為4個階段，第一階段4%濃度，于高品位及高海拔區域進行注液；第二階段2%濃度，從高到低全區域覆蓋注液；第三階段在第二階段基礎上，采用1%濃度注液；第四階段利用循環水及清水加酸調配成壓頂水進行注液，此階段為混合銨鹽注液階段，調配用的酸為硫酸。