离子型稀土原地浸矿硫酸铵注液质量浓度的计算方法与流程

本发明涉及离子型稀土原地浸矿硫酸铵注液质量浓度的计算方法，适用于原地浸矿浸取剂溶液的参数设计。

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。原地浸矿的工艺是在稀土矿体区域内按照一定的孔网参数布置注液孔，通过注液孔向矿体注入浸取剂溶液，使其与稀土离子发生交换反应，再在注液孔注入上清液，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。

显然注液时浸取剂浓度对原地浸矿的资源回收率具有重要影响，主要包括两方面：一方面，注入的浸取剂浓度过低，在矿土中的浸取剂含量就较低，不能与矿土中的稀土离子发生充分反应，矿土中剩余大量可以被交换出来的稀土离子，降低了资源回收率；同时过低的注液浓度导致在矿层下端溶液中硫酸铵含量偏低，易引起矿体对母液中稀土离子产生再吸附作用，降低资源回收率；较低的注液浓度意味着较长的注液时间，会影响工程的工期，增加生产成本。另一方面，加入的浸取剂浓度过大，既浪费了生产原料，增加了生产成本，也会造成更多的氨氮等废水在矿土中的残留，破坏生态环境。

原地浸矿过程是一个浸矿剂迁移进入矿体、离子交换和稀土离子迁移流出地表的过程。目前的研究表明，浸取剂的浓度既决定了浸矿速度的快慢，也决定了母液中稀土离子的含量，同时还会影响浸取剂的消耗量。浸取剂浓度高，浸矿速率快，母液中稀土离子含量高，浸取剂消耗量大；浸取剂浓度低，浸矿速率慢，母液中稀土离子含量低，浸取剂消耗量低。

原地浸矿的离子交换过程是可逆反应，将具体某一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，计算具体某一种离子型稀土原地浸矿过程中的硫酸铵的注液质量浓度。

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硫酸铵注液浓度的规律：一般原地浸矿的硫酸铵注液质量浓度为2％～4％。在实际的注液过程中硫酸铵的注液浓度更多的依赖技术人员的经验，缺少相应的理论依据。因此从理论上建立一套科学合理的计算硫酸铵注液质量浓度的方法，既可以克服经验主义的问题，也能够为工程的标准化提供可靠的依据，对现实生产具有重要意义。

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硫酸铵注液质量浓度的计算方法。

本发明的技术方案：一种离子型稀土原地浸矿硫酸铵注液质量浓度的计算方法，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，按固液质量比1:3加入硫酸铵溶液，在温度20℃时，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、矿土饱和度sr和孔隙比e；

第四步：计算稀土原矿品位对应的稀土离子浓度；

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，原地浸矿过程中的稀土起始摩尔浓度可以用关系式(4)表示：

关系式(4)中：为稀土原矿品位对应的摩尔浓度，单位：mol/l；α为原矿品位，单位：％；ρ为稀土矿密度，单位：kg/m³；v为稀土矿体积，单位：m³；vv为稀土矿空隙体积，单位：m³；为稀土氧化物相对分子量；e为孔隙比；

第五步：计算硫酸铵理论注液质量浓度；

将关系式(4)代入关系式(3)，整理后可得硫酸铵理论注液质量浓度关系式(5)，

关系式(5)中：为硫酸铵理论注液质量浓度，单位：％；为硫酸铵相对分子量；ε为稀土浸取率，单位：％；ρw为浸取液密度，单位：kg/m³；

第六步：计算硫酸铵实际注液质量浓度；

实际的离子型稀土矿矿山，矿土中具有含水率，用sr表示，所需注液实际体积为(1-sr)*vv，因此硫铵实际注液质量浓度可以用关系式(6)表示：

关系式(6)中：为硫酸铵实际注液质量浓度，单位：％；sr为矿土饱和度，单位：％。

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，以化学平衡常数为出发点，考虑现场实际情况，提出了硫酸铵溶液注液质量浓度的计算方法，为合理添加浸取剂硫酸铵溶液的注液质量浓度提供了理论基础。应用本发明确定的浸取剂硫酸铵溶液注液质量浓度科学合理，与预计得到的稀土浸取率误差仅在5％以内。

具体实施方式

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信丰离子型稀土矿样。对该矿样进行杯浸试验取得关键参数，并以计算结果为柱浸试验的条件，验证计算结果的准确性。具体实施步骤如下：

第一步：杯浸试验

测试得到稀土原矿品位为0.819‰。取八份稀土原矿，每份10g的稀土原矿置于八个反应器皿中，按固液质量比1:3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，在20℃时，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，

根据关系式(3)，拟合杯浸试验结果，得到化学平衡常数k为0.09517，反应物的摩尔比n为1.8457，相关系数r²为0.9983。

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ρs为1.47g/cm、矿土饱和度sr为41.27％、孔隙比e为0.97。

第四步：计算稀土原矿品位对应的稀土离子浓度

将原矿品位α为0.819‰，矿土密度ρ为1.47g/cm，孔隙比e为97％，稀土氧化物的相对分子量为300，代入关系式(4)，得到稀土原矿品位对应的稀土离子摩尔浓度为：0.0163mol/l

第五步：计算硫酸铵理论注液质量浓度

将杯浸试验线性拟合结果：n＝1.8457，k＝0.09517，原矿品位α为0.819‰，矿土密度ρ为1.47g/cm³，孔隙比e为97％，硫酸铵的相对分子量为132，稀土氧化物的相对分子量为300，液体密度ρw为1g/cm³，代入关系式(5)，得到用稀土浸取率ε表示的硫酸铵理论注液质量浓度为：

第六步：计算硫酸铵实际注液质量浓度

将矿体饱和度sr为41.27％，代入关系(6)，计算硫酸铵实际注液质量浓度为：

实验效果：

本发明对赣南的矿样进行柱浸试验，试验分a、b、c三组进行，分别对a、b、c三组按照稀土浸取率80％，85％和90％，计算硫酸铵实际注液质量浓度为2.05％、2.63％和3.58％进行柱浸试验。注液方式按液固体积比2:1，硫酸铵溶液用量1967ml，顶水用量10256ml，其他具体参数和试验结果见表1。表1结果表明，按照硫酸铵质量浓度计算值进行注液的柱浸试验，实际浸取率与假定浸取率的误差分别为2.71％，2.18％和0.83％。说明本发明的计算方法与实际情况较为接近，具有较高的实用价值。

表1