一種符合收縮核模型的柱浸方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于液固反應體系礦物浸出動力學領域，具體地，本發明涉及一種符合收縮核模型的柱浸方法。
【背景技術】
[0002]收縮核模型是冶金過程中液(氣)/固反應動力學的基礎，利用收縮核模型求解動力學參數是最為實用的方法之一，因而在研究液(氣)/固反應動力學過程中廣泛使用。對于致密固體反應物，化學反應由固體表面向內逐漸進行，反應物和產物間有明顯界限，隨反應進行，產物層厚度逐漸增加而固體反應物核心逐漸縮小，直到最后消失，這就是“收縮核模型”。堆浸是工業上常見的浸出方式，在銅、金和鈾等的礦物浸出中均有廣泛應用。礦堆是一個復雜的非均相系統，堆內的反應條件往往隨位置不同而呈現較大差異，堆頂和堆底的浸出條件差異可能更大，物理、化學、生物等因素均會影響礦堆的浸出效率。現有資料報道的礦物浸出動力學通常采用攪拌浸出的方式，利用收縮核模型擬合求解關鍵動力學參數。收縮核模型要求均一穩定的反應條件，通常攪拌浸出的化學條件較為均一，很容易滿足收縮核模型的要求，但與與工業實際相差較遠，不能真實的模擬工業堆浸。柱浸是一種常用的、模擬堆浸實際的實驗室方法，浸出柱通常根據不同的礦石粒度而采用不同的尺寸，有時為了模擬工業上高達幾十米的礦石層，還可采用多個浸出柱串聯操作。柱浸試驗因與工業操作條件相近，故可獲得目的礦物的浸出率及浸出速率，pH值及Eh變化等可靠數據，為工業實踐提供參考。
[0003]現有資料鮮有報道柱浸條件下利用收縮核模型研究礦物浸出的動力學，通常浸出柱內的化學條件不均一，頂部和底部的反應條件差別更大，很難滿足收縮核模型中關于均一穩定反應條件的要求。即使滿足也往往需要很長時間，故很難被利用求解關鍵動力學參數。針對以上方法的不足，亟需開發一種新的柱浸方法。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于,提供一種符合收縮核模型的柱浸方法，該方法既能模擬工業堆浸，又能較快速的滿足收縮核模型，可利用其求解有關礦物浸出的關鍵動力學參數。
[0005]為實現以上目的，本發明采用以下技術方案:
[0006]一種符合收縮核模型的柱浸方法，所述方法包括以下步驟:
[0007]1)利用恒溫恒電位柱浸裝置，先將上層填料層和下層填料層分別采用PVC殼盛裝，中間礦層和中間填料層盛裝于同一個PVC殼中，再按照上層填料層、中間礦層、中間填料層和下層填料層依次填充于浸礦柱體中；
[0008]2)噴淋液噴淋上層填料層，經過上層填料的均勻再分布后，與中間礦層接觸反應，反應后經過中間填料層和下層填料層后流入集液瓶中，集液瓶中的恒溫、恒電位和恒pH值的溶液經循環泵再次作為噴淋液從頂部噴淋頭中噴淋上層填料層；
[0009]所述步驟1)中PVC殼內徑為4?6cm，中間礦層中純礦物加入量為1?2g ;
[0010]所述步驟2)中純礦物加入量與噴淋液的用量比為1:100?1:300，噴淋液濃度為5?20g/L，噴淋速率為3?10mL/min。
[0011]優選地，所述中間礦層高度< 0.5cm，中間礦層和中間填料層總高度在0.8?1.5cm。本領域技術人員還可以根據需要選擇其他數值。
[0012]優選地，所述上層填料層和下層填料層的高度均為3?7cm。本領域技術人員還可以根據需要選擇其他數值。
[0013]優選地，所述上層填料層、中間填料層和下層填料層中的填料為玻璃珠或石英砂。本領域技術人員還可以根據需要選擇其他的惰性填料。
[0014]本發明中，通過氧化還原電位在線監控裝置和雙氧水控制噴淋液的氧化還原電位，控制氧化還原電位波動范圍為±10mV。
[0015]本發明中，通過pH計間歇測量集液瓶中溶液的pH，并通過酸堿溶液調節pH使其波動范圍控制為±0.05。
[0016]本發明中，通過水浴加熱夾套層保持浸出柱內的溫度恒定，通過油浴加熱保持集液瓶中溶液的溫度恒定。
[0017]本發明中，所述集液瓶中的溫度維持在30?60°C。
[0018]本發明中，所述PVC殼的篩板9上設置若干個圓形篩孔8。
[0019]本發明的柱浸方法能夠顯著減少噴淋液在礦層中分布的濃度差，滿足收縮核模型的要求，收縮核模型的驗證方法如下:
[0020]1)每隔1?12h在集液瓶中進行取樣，用ICP-OES測定浸出液中金屬離子Mn+濃度，按照下式計算出Μ的浸出率X:
[0021 ] X = C*V/(G*a)*100% ；
[0022]其中，C為Mn+濃度，單位為g/L ；V為溶液體積，單位為L ；G為浸礦柱中純礦物加入量，單位為g ；a為純礦物品位；
[0023]2)以時間t為橫坐標，分別以收縮核模型中的反應控制、內擴散控制、混合控制的動力學方程為縱坐標作圖，利用數據擬合軟件對得到的散點圖進行線性擬合，比較擬合得到的直線，線性相關系數R2最高且>0.98且經過原點的直線擬合效果最好。
[0024]其中，收縮核模型中的反應控制、內擴散控制、混合控制的動力學方程分別為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，為無量綱常數。Kc 為化學速率常數，單位為min \ Kp為擴散速率常數，單位為min \
[0025]本發明采用浸礦柱體的“四層結構”，將浸礦柱體分為上層填料層、中間礦層、中間填料層和下層填料層。其中上層填料層和下層填料層裝盛滲透性好的惰性填料；中間填料層可裝填石英砂，中間礦層裝填粒度小且粒級窄的純礦物，并與石英砂混合。
[0026]本發明采用大的噴淋速率，利于噴淋液在上層填料層中分布均勻，噴淋液中的液相反應劑濃度高，保證反應過程中反應劑大大過量，其濃度可視為不變，滿足了收縮核模型中對于液相反應劑濃度恒定的要求；上層填料層能對噴淋頭中淋濾下來的溶液進行均勻再分布，保證與中間礦層接觸的溶液的化學條件均一；中間礦層使用純礦物與石英混合，高度小，通過控制噴淋速率，反應劑濃度及中間礦層的高度來減小反應劑在中間礦層內的濃度差；所使用的純礦物粒度小，粒級窄，滿足了收縮核模型中對于固體反應物粒徑的要求；中間填料層能有效阻止由于大的噴淋速率造成的礦物流失，下層填料層能進一步阻止礦物流失。上下兩層均采用滲透性好的惰性填料，顯著減少了填料中溶液的吸附量，有助于更準確計算目的礦物的浸出率；使用PVC殼裝盛，便于礦物與填料層的分離和礦物浸渣的分析。
[0027]本發明通過利用恒溫恒電位的裝置，循環體系中的溶液保持了均一穩定的化學條件，浸出柱的“四層結構”能夠較好的滿足收縮核模型的要求。通過該方法，既模擬了工業堆浸，又能利用收縮核模型求解影響純礦物浸出的關鍵動力學因素，為工業實踐提供參考。
[0028]本發明處理對象為純礦物，通過“四層設計”及對反應條件(噴淋速率，噴淋液濃度)的控制可以較快、較好的滿足收縮核模型的要求。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明中恒溫恒電位柱浸裝置的結構示意圖；
[0030]圖2為本發明中浸礦柱的裝填結構示意圖；
[0031]圖3為本發明中PVC殼俯視圖；
[0032]圖4為實施例1中收縮核模型的反應控制擬合圖；
[0033]圖5為實施例1中收縮核模型的內擴散控制擬合圖；
[0034]圖6為實施例1中收縮核模型的混合控制擬合圖；
[0035]圖7為實施例2中收縮核模型的反應控制擬合圖；
[0036]圖8為實施例2中收縮核模型的內擴散控制擬合圖；
[0037]圖9為實施例2中收縮核模型的混合控制擬合圖；
[0038]圖10為實施例3中收縮核模型的反應控制擬合圖；
[0039]圖11為實施例3中收縮核模型的內擴散控制擬合圖；
[0040]圖12為實施例3中收縮核模型的混合控制擬合圖；
[0041]圖13為實施例4中Arrhenius方程擬合圖；
[0042]附圖標記:1、上層填料；2、中間礦層；3、中間填料；4、下層填料；5、噴淋頭；6、支座；7、PVC殼；8、篩孔；9、篩板；10、循環水進水管；11、循環水出水管；12、夾套；13、磁力攪拌子；14、集液式磁力攪拌器；15、集液瓶出液口 ；16、循環泵；17、0RP電極；18、0RP控制器；19、電位控制液儲存瓶；20、加藥蠕動泵；21、浸出液排液口 ；22、恒溫水浴槽；23、集液瓶。
【具體實施方式】
[0043]下面以附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明。
[0044]如圖1所示，本發明所采用的恒溫恒電位柱浸裝置，所述裝置包括浸礦柱和恒電位系統；
[0045]所述浸礦柱頂部設置噴淋頭5，并在柱上設置夾套12，夾套12上設置循環水進水管10和循環水出水管11，循環水進水管10和循環水出水管11分別與恒溫水浴槽22相連；
[0046]所述浸礦柱底部的浸出液排液口 21與集液瓶23的瓶口相連通，集液瓶23內置磁力攪拌子13，并放置于集液式磁力攪拌器14上；
[0047]所述恒電位系統包括0RP電極17、0RP控制器18、加藥蠕動泵20和電位控制液儲存瓶19 ；0RP控制器18的信號輸入端與0RP電極17相連，0RP控制器18的信號輸出端與加藥蠕動泵20相連，所述電位控制液儲存瓶19經加藥蠕動泵后向集液瓶中輸送電位控制液；
[0048]集液瓶23中的集液瓶出液口 15經循環泵16后與柱浸柱頂端的噴淋頭5相連通。
[0049]如圖2和圖3所示，本發明利用恒溫恒電位柱浸裝置，先將上層填料層1和下