一种符合收缩核模型的柱浸方法
【技术领域】
[0001]本发明属于液固反应体系矿物浸出动力学领域，具体地，本发明涉及一种符合收缩核模型的柱浸方法。
【背景技术】
[0002]收缩核模型是冶金过程中液(气)/固反应动力学的基础，利用收缩核模型求解动力学参数是最为实用的方法之一，因而在研究液(气)/固反应动力学过程中广泛使用。对于致密固体反应物，化学反应由固体表面向内逐渐进行，反应物和产物间有明显界限，随反应进行，产物层厚度逐渐增加而固体反应物核心逐渐缩小，直到最后消失，这就是“收缩核模型”。堆浸是工业上常见的浸出方式，在铜、金和铀等的矿物浸出中均有广泛应用。矿堆是一个复杂的非均相系统，堆内的反应条件往往随位置不同而呈现较大差异，堆顶和堆底的浸出条件差异可能更大，物理、化学、生物等因素均会影响矿堆的浸出效率。现有资料报道的矿物浸出动力学通常采用搅拌浸出的方式，利用收缩核模型拟合求解关键动力学参数。收缩核模型要求均一稳定的反应条件，通常搅拌浸出的化学条件较为均一，很容易满足收缩核模型的要求，但与与工业实际相差较远，不能真实的模拟工业堆浸。柱浸是一种常用的、模拟堆浸实际的实验室方法，浸出柱通常根据不同的矿石粒度而采用不同的尺寸，有时为了模拟工业上高达几十米的矿石层，还可采用多个浸出柱串联操作。柱浸试验因与工业操作条件相近，故可获得目的矿物的浸出率及浸出速率，pH值及Eh变化等可靠数据，为工业实践提供参考。
[0003]现有资料鲜有报道柱浸条件下利用收缩核模型研究矿物浸出的动力学，通常浸出柱内的化学条件不均一，顶部和底部的反应条件差别更大，很难满足收缩核模型中关于均一稳定反应条件的要求。即使满足也往往需要很长时间，故很难被利用求解关键动力学参数。针对以上方法的不足，亟需开发一种新的柱浸方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于,提供一种符合收缩核模型的柱浸方法，该方法既能模拟工业堆浸，又能较快速的满足收缩核模型，可利用其求解有关矿物浸出的关键动力学参数。
[0005]为实现以上目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]一种符合收缩核模型的柱浸方法，所述方法包括以下步骤:
[0007]1)利用恒温恒电位柱浸装置，先将上层填料层和下层填料层分别采用PVC壳盛装，中间矿层和中间填料层盛装于同一个PVC壳中，再按照上层填料层、中间矿层、中间填料层和下层填料层依次填充于浸矿柱体中；
[0008]2)喷淋液喷淋上层填料层，经过上层填料的均匀再分布后，与中间矿层接触反应，反应后经过中间填料层和下层填料层后流入集液瓶中，集液瓶中的恒温、恒电位和恒pH值的溶液经循环泵再次作为喷淋液从顶部喷淋头中喷淋上层填料层；
[0009]所述步骤1)中PVC壳内径为4?6cm，中间矿层中纯矿物加入量为1?2g ;
[0010]所述步骤2)中纯矿物加入量与喷淋液的用量比为1:100?1:300，喷淋液浓度为5?20g/L，喷淋速率为3?10mL/min。
[0011]优选地，所述中间矿层高度< 0.5cm，中间矿层和中间填料层总高度在0.8?1.5cm。本领域技术人员还可以根据需要选择其他数值。
[0012]优选地，所述上层填料层和下层填料层的高度均为3?7cm。本领域技术人员还可以根据需要选择其他数值。
[0013]优选地，所述上层填料层、中间填料层和下层填料层中的填料为玻璃珠或石英砂。本领域技术人员还可以根据需要选择其他的惰性填料。
[0014]本发明中，通过氧化还原电位在线监控装置和双氧水控制喷淋液的氧化还原电位，控制氧化还原电位波动范围为±10mV。
[0015]本发明中，通过pH计间歇测量集液瓶中溶液的pH，并通过酸碱溶液调节pH使其波动范围控制为±0.05。
[0016]本发明中，通过水浴加热夹套层保持浸出柱内的温度恒定，通过油浴加热保持集液瓶中溶液的温度恒定。
[0017]本发明中，所述集液瓶中的温度维持在30?60°C。
[0018]本发明中，所述PVC壳的筛板9上设置若干个圆形筛孔8。
[0019]本发明的柱浸方法能够显著减少喷淋液在矿层中分布的浓度差，满足收缩核模型的要求，收缩核模型的验证方法如下:
[0020]1)每隔1?12h在集液瓶中进行取样，用ICP-OES测定浸出液中金属离子Mn+浓度，按照下式计算出Μ的浸出率X:
[0021 ] X = C*V/(G*a)*100% ；
[0022]其中，C为Mn+浓度，单位为g/L ；V为溶液体积，单位为L ；G为浸矿柱中纯矿物加入量，单位为g ；a为纯矿物品位；
[0023]2)以时间t为横坐标，分别以收缩核模型中的反应控制、内扩散控制、混合控制的动力学方程为纵坐标作图，利用数据拟合软件对得到的散点图进行线性拟合，比较拟合得到的直线，线性相关系数R2最高且>0.98且经过原点的直线拟合效果最好。
[0024]其中，收缩核模型中的反应控制、内扩散控制、混合控制的动力学方程分别为l-(l-X)1/3、3-2X-3(l-X)2/3、l-(l-X)1/3+B[3-2X-3(l-X)2/3]，B = Kc/Kp，为无量纲常数。Kc 为化学速率常数，单位为min \ Kp为扩散速率常数，单位为min \
[0025]本发明采用浸矿柱体的“四层结构”，将浸矿柱体分为上层填料层、中间矿层、中间填料层和下层填料层。其中上层填料层和下层填料层装盛渗透性好的惰性填料；中间填料层可装填石英砂，中间矿层装填粒度小且粒级窄的纯矿物，并与石英砂混合。
[0026]本发明采用大的喷淋速率，利于喷淋液在上层填料层中分布均匀，喷淋液中的液相反应剂浓度高，保证反应过程中反应剂大大过量，其浓度可视为不变，满足了收缩核模型中对于液相反应剂浓度恒定的要求；上层填料层能对喷淋头中淋滤下来的溶液进行均匀再分布，保证与中间矿层接触的溶液的化学条件均一；中间矿层使用纯矿物与石英混合，高度小，通过控制喷淋速率，反应剂浓度及中间矿层的高度来减小反应剂在中间矿层内的浓度差；所使用的纯矿物粒度小，粒级窄，满足了收缩核模型中对于固体反应物粒径的要求；中间填料层能有效阻止由于大的喷淋速率造成的矿物流失，下层填料层能进一步阻止矿物流失。上下两层均采用渗透性好的惰性填料，显著减少了填料中溶液的吸附量，有助于更准确计算目的矿物的浸出率；使用PVC壳装盛，便于矿物与填料层的分离和矿物浸渣的分析。
[0027]本发明通过利用恒温恒电位的装置，循环体系中的溶液保持了均一稳定的化学条件，浸出柱的“四层结构”能够较好的满足收缩核模型的要求。通过该方法，既模拟了工业堆浸，又能利用收缩核模型求解影响纯矿物浸出的关键动力学因素，为工业实践提供参考。
[0028]本发明处理对象为纯矿物，通过“四层设计”及对反应条件(喷淋速率，喷淋液浓度)的控制可以较快、较好的满足收缩核模型的要求。
【附图说明】
[0029]图1为本发明中恒温恒电位柱浸装置的结构示意图；
[0030]图2为本发明中浸矿柱的装填结构示意图；
[0031]图3为本发明中PVC壳俯视图；
[0032]图4为实施例1中收缩核模型的反应控制拟合图；
[0033]图5为实施例1中收缩核模型的内扩散控制拟合图；
[0034]图6为实施例1中收缩核模型的混合控制拟合图；
[0035]图7为实施例2中收缩核模型的反应控制拟合图；
[0036]图8为实施例2中收缩核模型的内扩散控制拟合图；
[0037]图9为实施例2中收缩核模型的混合控制拟合图；
[0038]图10为实施例3中收缩核模型的反应控制拟合图；
[0039]图11为实施例3中收缩核模型的内扩散控制拟合图；
[0040]图12为实施例3中收缩核模型的混合控制拟合图；
[0041]图13为实施例4中Arrhenius方程拟合图；
[0042]附图标记:1、上层填料；2、中间矿层；3、中间填料；4、下层填料；5、喷淋头；6、支座；7、PVC壳；8、筛孔；9、筛板；10、循环水进水管；11、循环水出水管；12、夹套；13、磁力搅拌子；14、集液式磁力搅拌器；15、集液瓶出液口 ；16、循环泵；17、0RP电极；18、0RP控制器；19、电位控制液储存瓶；20、加药蠕动泵；21、浸出液排液口 ；22、恒温水浴槽；23、集液瓶。
【具体实施方式】
[0043]下面以附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0044]如图1所示，本发明所采用的恒温恒电位柱浸装置，所述装置包括浸矿柱和恒电位系统；
[0045]所述浸矿柱顶部设置喷淋头5，并在柱上设置夹套12，夹套12上设置循环水进水管10和循环水出水管11，循环水进水管10和循环水出水管11分别与恒温水浴槽22相连；
[0046]所述浸矿柱底部的浸出液排液口 21与集液瓶23的瓶口相连通，集液瓶23内置磁力搅拌子13，并放置于集液式磁力搅拌器14上；
[0047]所述恒电位系统包括0RP电极17、0RP控制器18、加药蠕动泵20和电位控制液储存瓶19 ；0RP控制器18的信号输入端与0RP电极17相连，0RP控制器18的信号输出端与加药蠕动泵20相连，所述电位控制液储存瓶19经加药蠕动泵后向集液瓶中输送电位控制液；
[0048]集液瓶23中的集液瓶出液口 15经循环泵16后与柱浸柱顶端的喷淋头5相连通。
[0049]如图2和图3所示，本发明利用恒温恒电位柱浸装置，先将上层填料层1和下