离子型稀土原地浸矿再吸附铵根离子临界浓度的计算方法与流程

本发明涉及离子型稀土原地浸矿再吸附铵根离子临界浓度的计算方法，适用于原地浸矿注液浸取剂溶液的参数设计和母液回收过程工艺的监控。

背景技术：

原地浸矿工艺具有资源回收率高、绿色、环保、适应性强等优点，对于成矿面积非常大和单位面积内资源量非常小的离子型稀土资源，原地浸矿工艺具有难以被其它工艺完全替代的优势，已成为国家大力推广应用的离子型稀土矿开采工艺。原地浸矿工艺是在稀土矿区内按照一定的孔网参数布置注液孔，通过注液孔向矿体内注入浸取剂溶液，使其与稀土离子发生交换反应，再通过注液孔注入上清液，稀土离子进入上清液中形成稀土母液，稀土母液从收液工程流出，用沉淀剂沉淀母液中的稀土，实现资源回收的目的。

显然，影响稀土资源回收的因素很多，主要包括浸取剂的性质，注液系统的布置，收液系统的布置，以及稀土母液在矿土流动过程中发生的再吸附作用。在这些因素中大部分可以通过工程直接控制浸取剂的效果，只有再吸附作用发生在工程内部，只能通过监控推测相应的效果。

前人已通过研究发现，再吸附作用的影响因素主要包括：矿土原矿品位，母液中稀土离子浓度和铵根离子浓度。认为当矿土原矿品位和稀土离子浓度为定值时，铵根离子浓度必须要大于某一值，否则母液中的稀土离子会再次吸附到矿土中去，这种现象称之为原地浸矿再吸附现象，此时铵根离子浓度的值，称之为再吸附作用铵根离子临界浓度。

母液中的稀土离子在矿土中发生再吸附作用的实质是：稀土离子与铵根离子发生置换反应，当铵根离子浓度较高时，稀土矿体表面的稀土离子被铵根离子置换下来，进入到母液中；当铵根离子浓度较低时，母液中的稀土离子进入到稀土矿土表面，发生再吸附现象。整个再吸附过程是一个可逆发应过程。本文明将某一具体地方的离子型稀土矿土作为一个整体，得到浸取剂(用铵盐表示)与稀土离子的反应方程式：

关系式(1)中：b·re(ads)为吸附态的稀土离子化合物；为溶液中的铵根离子；nh4(ads)为吸附态的铵根离子；为溶液中的稀土离子；n为反应物的摩尔比。

化学平衡常数:

关系式(2)中：k为化学平衡常数；为溶液中游离的稀土离子摩尔浓度，单位：mol/l；为溶液中铵根离子摩尔浓度，单位：mol/l；为吸附态的稀土离子摩尔浓度，单位：mol/l；为吸附态的铵根离子摩尔浓度，单位：mol/l。

可以通过关系式(2)的化学平衡常数，计算某一具体离子型稀土矿在进行原地浸矿过程中的发生再吸附作用时的铵根离子临界浓度。

在推广原地浸矿工艺的10余年中，工程技术人员根据他们的工作经验总结了关于在原地浸矿过程中避免出现再吸附现象的经验：①注液时硫酸铵的质量浓度维持在2％～4％，可以保证出液时母液中含有较高质量浓度的铵根离子；②在收液尾期，注顶水冲洗矿土时，顶水中仍然含有一定量的铵根离子，避免浸出液中的稀土离子再吸附到矿土中。但在整个工艺工程中，缺少了监控环节，无法知道稀土离子是否发生再吸附过程，同时也缺少对铵根离子浓度的量化标准，无法明确工艺参数。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种离子型稀土原地浸矿再吸附铵根离子临界浓度的计算方法。

本发明的技术方案：一种离子型稀土原地浸矿再吸附铵根离子临界浓度的计算方法，包括以下步骤：

第一步：杯浸试验；

测试稀土原矿品位α，取稀土原矿置于反应器皿中，按液固体积比4—6加入硫酸铵溶液，在温度20℃时，搅拌反应24小时，测试浸出液中稀土离子摩尔浓度和铵根离子摩尔浓度；

第二步：计算矿体化学平衡常数k和反应物的摩尔比n；

根据杯浸试验结果，对关系式(2)，即进行公式转化后取对数，得到关系式(3)，对关系式(3)进行线性拟合，得到化学平衡常数k和反应物的摩尔比n，

第三步：测试土体参数；

用现有常规手段测试土体的密度ρ和孔隙比e；

第四步：测试浸取液中稀土离子浓度；

通过现有偶氮砷iii比色法，测试浸取液中稀土离子的摩尔浓度

第五步：理论铵根离子临界摩尔浓度计算；

取稀土矿土置于反应器皿中，按液固体积比4—6加入含有稀土离子的硫酸铵溶液进行浸矿反应；此时，矿土稀土品位对应的稀土离子摩尔浓度可由关系式(4)表示：

关系式(4)中：vl-s为液固体积比；为矿土中稀土品位对应的摩尔浓度，单位：mol/l；为稀土氧化物相对分子量；α为原矿品位，单位：％；ρ为稀土矿密度，单位：kg/m³；

将关系式(4)代入关系式(2)，整理得到理论铵根离子临界摩尔浓度的表达式(5)

关系式(5)中:为铵根离子临界摩尔浓度，单位：mol/l；

第六步：原地浸矿工艺中铵根离子临界摩尔浓度计算；

原地浸矿过程中浸取每方矿需要消耗的溶液体积即为每方矿中所含的空隙体积，即体积为v的矿需要消耗vv体积的硫酸铵溶液；此时，原地浸矿工艺中矿土品位对应的稀土离子摩尔浓度可以用关系式(6)表示：

关系式(6)中：v为稀土矿量，单位：m³；vv为稀土矿空隙体积，单位：m³；e为孔隙比；

将关系式(6)代入关系式(2)，并进行公式转换，得到原地浸矿工艺中铵根离子临界摩尔浓度的表达式(7)：

所述的杯浸试验是取八份稀土原矿，每份10g置于八个反应器皿中，分别加入质量浓度为0.05％，0.1％，0.2％，0.3％，0.4％，0.5％，1％，2％的硫酸铵溶液进行测试。

本发明综合考虑各种情况，以化学反应平衡常数为出发点，考虑现场实际情况，提出了发生再吸附现象时铵根离子临界摩尔浓度的计算方法，为监控原地浸矿过程中稀土离子的运动轨迹提供了可行的方法，同时也为浸取剂的注液浓度提供了科学合理的依据。结果表明，在浸取过程中添加计算的铵根离子临界摩尔浓度时，反应平衡后浸取液中稀土离子浓度与原浓度的变化率小于5％。

具体实施方式

本发明从化学反应平衡这个理论出发，对再吸附作用时硫酸铵溶液的临界浓度进行理论计算，既可以在工程中直观的反映稀土离子的运动轨迹，又可以为注液时硫酸铵溶液的注液浓度提供理论参考，为工程的标准化提供可靠的依据，对现实生产具有重要作用。

本发明在赣南某稀土矿区进行不公开实验，从现场采取不同地点的矿样，进行混合，制备成具有代表性的赣南离子型稀土矿样。对该矿样进行杯浸试验取得反应平衡常数k和反应物的摩尔比n，并以计算的铵根离子临界摩尔浓度为条件进行杯浸试验，验证计算结果的准确性。具体的实施步骤如下：

第一步：杯浸试验

测试得到离子型稀土矿土的品位0.988‰。取八份稀土原矿，每份10g置于八个反应器皿中，分别加入质量浓度为0.05％，0.1％，0.2％，0.3％，0.4％，0.5％，1％，2％的硫酸铵溶液30g，在20℃时，搅拌反应24小时。测试得到浸出液中稀土离子摩尔浓度和铵根离子摩尔浓度。

第二步：计算矿体反应平衡常数k和反应物的摩尔比n

根据关系式(3)，拟合杯浸试验结果，得到反应平衡常数k为0.09629，反应物的摩尔比n为1.8624，相关系数r²为0.9824。

第三步：测试土体参数

用常规手段测试土体参数，得到矿土的密度ρ为1.51g/cm³,孔隙比e为1.01。

第四步：测试浸取液中稀土离子摩尔浓度

通过现有偶氮砷iii比色法，测试浸取液中稀土离子的摩尔浓度为10^-5～10^-2mol/l，原地浸矿过程中不同的出样时间稀土离子摩尔浓度为变量。

第五步：理论铵根离子临界摩尔浓度计算

将稀土品位α为0.988‰的矿土置于实验室反应器皿中，按液固体积比vl-s为4.53加入含有稀土离子摩尔浓度为的硫酸铵溶液进行浸矿反应。将矿土密度ρ为1.51g/cm³，稀土氧化物相对分子量为300，代入公式(4)，此时，矿土稀土品位对应的稀土离子摩尔浓度为：0.0023mol/l。

将反应平衡常数k为0.09629，反应物的摩尔比n为1.8624，矿土密度ρ为1.51g/cm³，矿土品位α为0.988‰，代入关系(5)，得到理论铵根离子临界摩尔浓度用浸取液中稀土离子摩尔浓度表示为：

第六步：原地浸矿工艺中铵根离子临界摩尔浓度计算

将矿土密度ρ为1.51g/cm³，孔隙比e为1.01，矿土品位α为0.988‰，稀土氧化物相对分子量为300，代入公式(6)，得到矿土品位对应的稀土离子摩尔浓度：0.0198mol/l。

将反应平衡常数k为0.09629，反应物的摩尔比n为1.8624，矿土密度ρ为1.51g/cm³，孔隙比e为1.01，矿土品位α为0.988‰，代入关系(7)，得到原地浸矿工艺中铵根离子临界摩尔浓度用浸取液中稀土离子摩尔浓度表示为：

实验效果：

本发明对赣南的矿样进行杯浸试验，验证在铵根离子临界浓度下，溶液中稀土离子浓度的变化情况。试验分a、b、c、d、e五组进行，分别对a、b、c、d、e五组按照浸取液中稀土离子摩尔浓度0.002mol/l，0.004mol/l，0.006mol/l，0.008mol/l，0.01mol/l，液固体积比为vl-s为4.53，计算铵根离子临界摩尔浓度为0.0010mol/l，0.0030mol/l，0.0055mol/l，0.0086mol/l和0.012mol/l进行杯浸验证试验。其他具体参数和试验结果见表1。表1结果表明，将计算的铵根离子临界摩尔浓度为条件进行验证试验，最终溶液中稀土离子的摩尔浓度变化率分别为：0％，2.5％，1.67％，2.5％和2％，均小于5％。说明本发明的计算方法与实际情况较接近，具有较高的实用价值。

表1

。