本文是一篇土木工程论文，本文针对离子型稀土矿浸矿过程中稀土离子的浸出规律，设计了二维浸矿模型，选择MgSO4溶液进行浸矿试验研究。
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
离子吸附型稀土矿于1969年在中国江西足洞首次发现和确定，因此也叫江西稀土矿、南方稀土矿，在生产和科研上普遍以离子吸附型稀土矿和风化壳淋积型稀土矿命名[1]，是稀土矿床重要类型之一，国外鲜有发现，是我国重要的优质稀土资源，具有重要的经济价值。其成因是由富含稀土的原岩矿床在湿热的气候、有利的地貌条件下经物理风化、弱酸性地下水腐蚀作用后风化形成如高岭石等粘土矿物，易风化的粘土矿物不断风化解离，转变为带羟基的水合稀土离子在淋滤作用下发生迁移，进入到地下水系统中，最后在随地下水迁移的过程中被吸附于风化壳中下部的黏土矿物表面，形成独具特征的离子型稀土矿床[2-3]。离子吸附型稀土矿原矿中的稀土元素以离子相形态吸附于粘土矿物上，形成水合或羟基水合的稀土离子，需利用离子交换原理，采用盐类电解质溶液淋洗的方式提取[4]。
由于当前我国针对离子型矿山的保护性开采规划，曾经未被开采的贫矿、浸取效果差的废弃矿山被重新开采利用[5]。兼顾考虑回收率、回采成本及环境保护等因素，目前推广应用离子型稀土原地浸析采矿法回收资源[6-8]。而离子吸附型稀土资源开发与利用中存在的主要问题在于稀土回收率不够高和环境影响较大，需进一步加强采矿方式的研究。从国内外研究现状来看，多数学者和研究人员认为影响稀土浸取效率的因素除了浸取剂的浸取能力以外，主要就是浸取剂在矿体内的渗流效果，实现溶液在矿体内的有效渗流是稀土矿高效浸出的前提。然而由于缺乏对矿山的了解，浸矿存在盲目性，再加上矿体的不透明性、宏观构造和微观结构的复杂性、土体渗透高度的不均匀性和各向异性，导致溶液渗流效果不佳、稀土回收率低。因此研究浸矿过程中溶液渗流特征和稀土离子浸出规律，可以为原地浸矿注液、收液工程的布置提供理论基础，同时对于了解浸矿废弃地中残存稀土分布规律、指导废弃地复灌具有重要意义。
1.2 国内外研究现状
现阶段针对离子吸附型稀土矿的研究工作主要围绕“高效、绿色”这一主旨展开，研究方向主要是针对浸矿剂的遴选和稀土离子的浸出行为的研究。多年以来，众多学者对离子吸附型稀土浸取相关的研究主要以工艺试验为主，但是由于对不同浸出体系下稀土的浸出行为特征缺乏更深入、细致的理解，因此国内外众多学者对其展开了一系列的基础理论研究。
1.2.1 离子吸附型稀土矿基础理论研究
经研究发现，稀土离子的浸出过程是一个可逆的化学平衡反应，可引用化学反应平衡模型进行计算。李永绣[9]等采用化学平衡理论进行稀土浸出试验，以硫酸铵和醋酸铵作为浸矿剂，发现在浸矿过程，离子交换反应是稀土离子和碳酸根、醋酸根等配位体形成的正二价络合物与铵根离子发生的交换反应。田君、肖燕飞、李王莹婷[10-11]等通过柱浸和静态浸出的方式对离子吸附型稀土浸出动力学展开了研究，研究表明，浸出过程达到反应平衡的时间很短，浸出过程受固膜扩散控制，符合“收缩未反应芯模型”。根据“收缩未反应芯模型”可将离子吸附型稀土浸取动力学过程分为四个部分控制：化学反应过程、外扩散过程、内扩散过程和混合控制。孙园园等[12]采用低浓度(NH4)2SO4对离子吸附型稀土矿的浸出动力学展开研究，发现浸矿时稀土离子的浸取效率主要受内扩散控制，内层稀土的解吸需要更高浓度的浸矿剂。龙平等[13]考虑了离子交换过程的可逆性以及浸矿过程中矿体颗粒大小不变，对收缩未反应芯模型进行了改进，改进后的模型能对铵离子浸取稀土离子的全过程进行描述，模型误差不到5%。收缩未反应芯模型在浸取离子吸附型稀土矿方面的应用确定了注液速率和矿石颗粒大小是影响稀土浸出速率的主要因素，有助于理解稀土的浸出过程。而离子吸附型稀土矿其表面带负电荷，在自然状态下存在固定的表面静电势，因而吸附稀土后形成双电层[14]。
第二章 单孔注液稀土离子浸出及溶液渗流特征
2.1 试验条件及试验方案
2.1.1 试验条件
（1）试验矿样
本论文所有试验研究中使用的矿样均采自江西省赣州市某离子型稀土矿区。试验矿样具体处理流程为：①除杂。将矿山取回的稀土矿样进行简单的物理除杂，尽可能剔除土样中的草根、碎屑等杂质物质。②烘干。将除杂后的矿样经露天晾晒风干后碾碎其中混杂的大团聚体，再用烘干箱65度烘干，收集备用，最终试验所用矿样见图2.1。
2.2 单孔注液溶液二维入渗特征
溶液在矿体内的入渗过程与矿体内孔隙通道和颗粒尺寸分布有关，也和矿体初始含水率有关，当土壤初始含水率低时，优先流的非均匀程度更高[47]。本试验采用干燥的、粒径分布范围广的矿体进行浸矿试验，采用滴管在矿体中心进行注液，观察矿体润湿形态随注液入渗时间的变化，研究溶液在非饱和二维矿体内的入渗特征。
2.2.1 单孔注液溶液入渗过程
溶液注入矿体后，在基质吸力和重力作用下沿水平方向和垂直方向进行二维入渗，原本干燥的矿体由非饱和状态逐渐过渡到饱和状态。2% MgSO4浸矿溶液入渗演变过程如图2.3所示。图中的深色区域表示矿体的可视湿润区，称之为湿润体，湿润体与干燥矿体的交界面为湿润锋。
一些研究表明，使用粒径分布范围窄、粒径较小的颗粒作为填充介质进行单孔注液点源入渗时，浸出液体积分布呈正态分布。但是通过对其累积出液量（见2.3.1）进行统计发现，浸矿结束后出液孔累积出液量分布均呈非正态分布，展现了非常不均匀的流动过程和优先流特征。说明矿体湿润锋的均匀扩散掩盖了溶液的真实渗流行为，表面上看起来润湿良好的矿体并不意味着矿体颗粒间不存在优先流。
第三章 多孔注液稀土离子浸出及溶液渗流特征 ...................... 33
3.1 试验条件及方法 ............................ 33
3.1.1 试验条件 ............................... 33
3.1.2 试验方案 ............................ 33
第四章 交替注液方式对稀土浸出的调控结果 ................ 47
4.1 试验条件及调控方法 ........................... 47
4.1.1 试验条件及方案 ............................... 47
4.1.2 调控方法 ................................... 49
第五章 结论与展望 .............................. 59
5.1 结论 .................................. 59
5.2 展望 ............................. 60
第四章 交替注液方式对稀土浸出的调控结果
4.1 试验条件及调控方法
4.1.1 试验条件及方案
本章试验研究条件与第三章试验研究条件相同，具体见3.1.1。本章同样进行多孔注液浸矿试验，试验装置设计与第三章相同，见图3.1。主要是试验方案与第三章试验在注液方式上存在较大的区别。第三章为多孔的持续注液浸矿试验，试验中三个注液孔从开始到结束均保持恒定的水头高度。而本章为多孔的交替注液浸矿试验，注液时同样保持恒定的水头高度，但在时间上，中间注液孔与两侧的注液孔不同时进行注液。在矿体润湿阶段，三个注液孔同时进行浸矿，待干燥的矿体全部润湿后，中间注液孔与两侧的注液孔以24 h为周期轮番交替进行注液浸矿，试验步骤如下：
（1）配制浸矿剂。
称取20.42 g分析纯硫酸镁加入去离子水定容至1L配制2%浓度硫酸镁溶液作为浸矿剂，静置备用。
（2）装填二维矿体。
装矿时将风干后的稀土矿样采用少量多次的添加原则进行二维矿体填充以避免颗粒分离。经多次试验，采用自然装填的方式进行装矿，装矿高度设定为150 mm，一般来说，需试验矿样质量为6500 g。
（3）安装注液井。
注液孔间距及注液井半径的确定依据《离子型稀土矿原地浸出开采技术规范》规范注明离子吸附型稀土矿原地浸矿注液孔直径一般设计为0.15 m-0.3 m，注液孔孔距为1.0 m-2.0 m。结合本试验箱型模型尺寸及底部出液孔设计，最终确定试验注液孔的直径为25 mm，注液孔的孔距为180 mm。分别在3号、6号和9号出液孔正上方安装注液井，此时孔间距正好为180 mm，满足设计要求。注液井中间放置两个小烧杯收集从注液井溢流孔流出的浸矿剂。
第五章 结论与展望
5.1 结论
本文针对离子型稀土矿浸矿过程中稀土离子的浸出规律，设计了二维浸矿模型，选择MgSO4溶液进行浸矿试验研究。首先进行了不同浓度MgSO4的单孔注液浸矿试验，分析了单孔注液过程中稀土离子浸出及溶液渗流规律，揭示了浓度对稀土离子迁移富集程度的影响；其次进行了2%浓度MgSO4三孔持续注液浸矿试验，模拟原地浸矿的多孔注液过程，研究多孔注液过程存在交汇作用时稀土离子的浸出及溶液的渗流特征；最后，基于单孔注液和多孔持续注液的试验结果，设计了多孔交替注液试验，以24 h为注液交替周期进行浸矿试验，分析交替注液过程中稀土离子浸出及溶液渗流规律，考察浸矿剂用量及浸出液稀土浓度变化，浅析交替注液的方式对浸矿效益的影响。通过以上试验，主要得出如下结论：
（1）根据各出液孔累积出液量的差异发现，单孔注液入渗过程中湿润锋的均匀扩散掩盖了溶液的真实渗流过程，矿体内部结构的差异以及浸矿作用导致结构不断发生改变使溶液在矿体内分布不均匀。而不同渗流通道释放溶质的速度差以及溶质滞留的时间存在差异，使稀土离子穿透曲线出现拖尾及双峰现象。通过对矿体不同区域浸出稀土质量的分析发现稀土离子随着溶液向两侧迁移、聚集。迁移距离和浸矿剂浓度对稀土离子迁移影
