本發(fā)明涉及離子型稀土原地浸礦硫酸銨注液質(zhì)量濃度的計(jì)算方法，適用于原地浸礦浸取劑溶液的參數(shù)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

原地浸礦工藝具有資源回收率高、綠色、環(huán)保、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對于成礦面積非常大和單位面積內(nèi)資源量非常小的離子型稀土資源，原地浸礦工藝具有難以被其它工藝完全替代的優(yōu)勢，已成為國家大力推廣應(yīng)用的離子型稀土礦開采工藝。原地浸礦的工藝是在稀土礦體區(qū)域內(nèi)按照一定的孔網(wǎng)參數(shù)布置注液孔，通過注液孔向礦體注入浸取劑溶液，使其與稀土離子發(fā)生交換反應(yīng)，再在注液孔注入上清液，稀土離子進(jìn)入上清液中形成稀土母液，稀土母液從收液工程流出，用沉淀劑沉淀母液中的稀土，實(shí)現(xiàn)資源回收的目的。

顯然注液時(shí)浸取劑濃度對原地浸礦的資源回收率具有重要影響，主要包括兩方面：一方面，注入的浸取劑濃度過低，在礦土中的浸取劑含量就較低，不能與礦土中的稀土離子發(fā)生充分反應(yīng)，礦土中剩余大量可以被交換出來的稀土離子，降低了資源回收率；同時(shí)過低的注液濃度導(dǎo)致在礦層下端溶液中硫酸銨含量偏低，易引起礦體對母液中稀土離子產(chǎn)生再吸附作用，降低資源回收率；較低的注液濃度意味著較長的注液時(shí)間，會(huì)影響工程的工期，增加生產(chǎn)成本。另一方面，加入的浸取劑濃度過大，既浪費(fèi)了生產(chǎn)原料，增加了生產(chǎn)成本，也會(huì)造成更多的氨氮等廢水在礦土中的殘留，破壞生態(tài)環(huán)境。

原地浸礦過程是一個(gè)浸礦劑遷移進(jìn)入礦體、離子交換和稀土離子遷移流出地表的過程。目前的研究表明，浸取劑的濃度既決定了浸礦速度的快慢，也決定了母液中稀土離子的含量，同時(shí)還會(huì)影響浸取劑的消耗量。浸取劑濃度高，浸礦速率快，母液中稀土離子含量高，浸取劑消耗量大；浸取劑濃度低，浸礦速率慢，母液中稀土離子含量低，浸取劑消耗量低。

原地浸礦的離子交換過程是可逆反應(yīng)，將具體某一地方的離子型稀土礦土作為一個(gè)整體，得到浸取劑(用銨鹽表示)與稀土離子的反應(yīng)方程式：

關(guān)系式(1)中：b·re(ads)為吸附態(tài)的稀土離子化合物；為溶液中的銨根離子；nh4(ads)為吸附態(tài)的銨根離子；為溶液中的稀土離子；n為反應(yīng)物的摩爾比。

化學(xué)平衡常數(shù):

關(guān)系式(2)中：k為化學(xué)平衡常數(shù)；為溶液中游離的稀土離子摩爾濃度，單位：mol/l；為溶液中銨根離子摩爾濃度，單位：mol/l；為吸附態(tài)的稀土離子摩爾濃度，單位：mol/l；為吸附態(tài)的銨根離子摩爾濃度，單位：mol/l。

可以通過關(guān)系式(2)的化學(xué)平衡常數(shù)，計(jì)算具體某一種離子型稀土原地浸礦過程中的硫酸銨的注液質(zhì)量濃度。

在推廣原地浸礦工藝的10余年中，工程技術(shù)人員根據(jù)他們的工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了關(guān)于硫酸銨注液濃度的規(guī)律：一般原地浸礦的硫酸銨注液質(zhì)量濃度為2％～4％。在實(shí)際的注液過程中硫酸銨的注液濃度更多的依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺少相應(yīng)的理論依據(jù)。因此從理論上建立一套科學(xué)合理的計(jì)算硫酸銨注液質(zhì)量濃度的方法，既可以克服經(jīng)驗(yàn)主義的問題，也能夠?yàn)楣こ痰臉?biāo)準(zhǔn)化提供可靠的依據(jù)，對現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種離子型稀土原地浸礦硫酸銨注液質(zhì)量濃度的計(jì)算方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種離子型稀土原地浸礦硫酸銨注液質(zhì)量濃度的計(jì)算方法，包括以下步驟：

第一步：杯浸試驗(yàn)；

測試稀土原礦品位α，取稀土原礦置于反應(yīng)器皿中，按固液質(zhì)量比1:3加入硫酸銨溶液，在溫度20℃時(shí)，反應(yīng)24小時(shí)，測試浸出液中稀土離子摩爾濃度和銨根離子摩爾濃度；

第二步：計(jì)算礦體化學(xué)平衡常數(shù)k和反應(yīng)物的摩爾比n；

根據(jù)杯浸試驗(yàn)結(jié)果，對關(guān)系式(2),即進(jìn)行公式轉(zhuǎn)化后取對數(shù)，得到關(guān)系式(3)，對關(guān)系式(3)進(jìn)行線性擬合，得到化學(xué)平衡常數(shù)k和反應(yīng)物的摩爾比n，

第三步：測試土體參數(shù)；

用現(xiàn)有常規(guī)手段測試土體的密度ρ、礦土飽和度sr和孔隙比e；

第四步：計(jì)算稀土原礦品位對應(yīng)的稀土離子濃度；

原地浸礦過程中浸取每方礦需要消耗的溶液體積即為每方礦中所含的空隙體積，即體積為v的礦需要消耗vv體積的硫酸銨溶液，原地浸礦過程中的稀土起始摩爾濃度可以用關(guān)系式(4)表示：

關(guān)系式(4)中：為稀土原礦品位對應(yīng)的摩爾濃度，單位：mol/l；α為原礦品位，單位：％；ρ為稀土礦密度，單位：kg/m³；v為稀土礦體積，單位：m³；vv為稀土礦空隙體積，單位：m³；為稀土氧化物相對分子量；e為孔隙比；

第五步：計(jì)算硫酸銨理論注液質(zhì)量濃度；

將關(guān)系式(4)代入關(guān)系式(3)，整理后可得硫酸銨理論注液質(zhì)量濃度關(guān)系式(5)，

關(guān)系式(5)中：為硫酸銨理論注液質(zhì)量濃度，單位：％；為硫酸銨相對分子量；ε為稀土浸取率，單位：％；ρw為浸取液密度，單位：kg/m³；

第六步：計(jì)算硫酸銨實(shí)際注液質(zhì)量濃度；

實(shí)際的離子型稀土礦礦山，礦土中具有含水率，用sr表示，所需注液實(shí)際體積為(1-sr)*vv，因此硫銨實(shí)際注液質(zhì)量濃度可以用關(guān)系式(6)表示：

關(guān)系式(6)中：為硫酸銨實(shí)際注液質(zhì)量濃度，單位：％；sr為礦土飽和度，單位：％。

所述的杯浸試驗(yàn)是取八份稀土原礦，每份10g置于八個(gè)反應(yīng)器皿中，分別加入質(zhì)量濃度為0.05％，0.1％，0.2％，0.3％，0.4％，0.5％，1％，2％的硫酸銨溶液進(jìn)行測試。

本發(fā)明綜合考慮各種情況，以化學(xué)平衡常數(shù)為出發(fā)點(diǎn)，考慮現(xiàn)場實(shí)際情況，提出了硫酸銨溶液注液質(zhì)量濃度的計(jì)算方法，為合理添加浸取劑硫酸銨溶液的注液質(zhì)量濃度提供了理論基礎(chǔ)。應(yīng)用本發(fā)明確定的浸取劑硫酸銨溶液注液質(zhì)量濃度科學(xué)合理，與預(yù)計(jì)得到的稀土浸取率誤差僅在5％以內(nèi)。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明在贛南某稀土礦區(qū)進(jìn)行不公開實(shí)驗(yàn)，從現(xiàn)場采取不同地點(diǎn)的礦樣，進(jìn)行混合，制備成具有代表性的信豐離子型稀土礦樣。對該礦樣進(jìn)行杯浸試驗(yàn)取得關(guān)鍵參數(shù)，并以計(jì)算結(jié)果為柱浸試驗(yàn)的條件，驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。具體實(shí)施步驟如下：

第一步：杯浸試驗(yàn)

測試得到稀土原礦品位為0.819‰。取八份稀土原礦，每份10g的稀土原礦置于八個(gè)反應(yīng)器皿中，按固液質(zhì)量比1:3分別加入質(zhì)量濃度為0.05％，0.1％，0.2％，0.3％，0.4％，0.5％，1％，2％的硫酸銨溶液，在20℃時(shí)，反應(yīng)24小時(shí)。測試浸出液中稀土離子摩爾濃度和銨根離子摩爾濃度。

第二步：計(jì)算礦體化學(xué)平衡常數(shù)k和反應(yīng)物的摩爾比n，

根據(jù)關(guān)系式(3)，擬合杯浸試驗(yàn)結(jié)果，得到化學(xué)平衡常數(shù)k為0.09517，反應(yīng)物的摩爾比n為1.8457，相關(guān)系數(shù)r²為0.9983。

第三步：測試土體參數(shù)

用常規(guī)手段測試土體參數(shù)，得到礦土的密度ρs為1.47g/cm、礦土飽和度sr為41.27％、孔隙比e為0.97。

第四步：計(jì)算稀土原礦品位對應(yīng)的稀土離子濃度

將原礦品位α為0.819‰，礦土密度ρ為1.47g/cm，孔隙比e為97％，稀土氧化物的相對分子量為300，代入關(guān)系式(4)，得到稀土原礦品位對應(yīng)的稀土離子摩爾濃度為：0.0163mol/l

第五步：計(jì)算硫酸銨理論注液質(zhì)量濃度

將杯浸試驗(yàn)線性擬合結(jié)果：n＝1.8457，k＝0.09517，原礦品位α為0.819‰，礦土密度ρ為1.47g/cm³，孔隙比e為97％，硫酸銨的相對分子量為132，稀土氧化物的相對分子量為300，液體密度ρw為1g/cm³，代入關(guān)系式(5)，得到用稀土浸取率ε表示的硫酸銨理論注液質(zhì)量濃度為：

第六步：計(jì)算硫酸銨實(shí)際注液質(zhì)量濃度

將礦體飽和度sr為41.27％，代入關(guān)系(6)，計(jì)算硫酸銨實(shí)際注液質(zhì)量濃度為：

實(shí)驗(yàn)效果：

本發(fā)明對贛南的礦樣進(jìn)行柱浸試驗(yàn)，試驗(yàn)分a、b、c三組進(jìn)行，分別對a、b、c三組按照稀土浸取率80％，85％和90％，計(jì)算硫酸銨實(shí)際注液質(zhì)量濃度為2.05％、2.63％和3.58％進(jìn)行柱浸試驗(yàn)。注液方式按液固體積比2:1，硫酸銨溶液用量1967ml，頂水用量10256ml，其他具體參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1結(jié)果表明，按照硫酸銨質(zhì)量濃度計(jì)算值進(jìn)行注液的柱浸試驗(yàn)，實(shí)際浸取率與假定浸取率的誤差分別為2.71％，2.18％和0.83％。說明本發(fā)明的計(jì)算方法與實(shí)際情況較為接近，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

表1