离子型稀土矿原地再次溶浸残留稀土的多场耦合动力学机制研究

How to maximize the recovery of residues in ionic-type rare earth mine is a problem to be solved, and its core is the leaching solution of reaction and transport problems, but the key to enhance the leaching solution seepage and leaching properties of regulatory capacity significantly. This project takes as a starting point in multi-field coupling effect, which based in porous media flow-solid coupling theory, the comprehensive utilization of experimental, theoretical analysis, numerical simulation methods of rare earth leach process of basic research. Specific research ideas that reveal leaching agent from the perspective of strengthening the mechanism of molecular dynamics which leach rare earth application of molecular simulation technology to develop a new efficient solution infusion; in triaxial stress seepage leaching test basis, then reveal leaching process flow - stress - reaction and coupling effect caused by the uneven distribution of leaching solution, leaching dead mechanism formation; porous media fluid dynamics, dynamics, and geotechnical ore reaction kinetics which is established by combining the seepage - stress - reaction coupling numerical model, and coupling model for the development of new finite element transplant achieve leachate seepage situ leaching process simulation strengthen the provision of technical parameters and theoretical basis for the development and improvement of leaching solution seepage control technology in order to achieve efficient and clean extraction of rare earth residues, which has important theoretical and practical value.

如何最大限度地采出离子型稀土矿中的残留稀土一直是稀土界亟待解决的难题，其核心是溶浸液的反应及运移问题，而解决此问题的关键是如何大幅提升溶浸液的浸出性能和渗流调控能力。本项目以多场耦合效应为切入点，以多孔介质流—固耦合理论为基础，综合利用实验、理论分析、数值模拟等方法对稀土原地溶浸过程进行基础性研究。具体研究思路是，从分子动力学角度揭示浸出剂强化浸出稀土的作用机理，应用分子模拟技术研发出新型高效溶浸剂；在三轴应力渗流溶浸实验基础上，揭示溶浸过程中渗流—应力—反应耦合效应及造成溶浸液分布不均，形成溶浸死角机制；将多孔介质流体动力学、矿石反应动力学和岩土动力学相结合，建立渗流—应力—反应耦合数值模型，并对新发展的耦合模型进行有限元移植，实现浸出液原地渗流溶浸过程的数值模拟和优化，为发展和完善溶浸液渗流调控技术提供技术参数和理论依据，从而实现残留稀土的高效清洁开采，具有重要的理论和实际应用价值。

最大限度地采出离子型稀土矿中的稀土一直是稀土界亟待解决的难题，其核心是溶浸液的反应及运移问题，而解决此问题的关键是如何大幅提升溶浸液的浸出性能和渗流调控能力。本项目以多场耦合效应为切入点，以多孔介质流—固耦合理论为基础，首先对浸出前后离子型稀土矿工艺矿物学进行了研究，结果表明:离子型稀土矿主要由高岭石、钾长石、石英等矿物组成,稀土含量仅含0.12%左右;浸出后Al、RE、Fe、O元素相对含量下降,K、Si元素含量相对上升；离子交换反应进行的速度很快，随着浸出剂pH的降低，稀土浸出率先升高后降低，当pH=4.5时，稀土浸出率最高。较高pH下稀土运移速度更快但部分稀土离子容易水解导致运移受阻，而较低pH下稀土离子运移受到阻滞更大；采用响应曲面分析法获得的了离子型稀土矿的优化浸出工艺参数为：硫酸铵溶液pH为4.8，浓度为3%，流速为0.73 mL/min。从分子动力学角度阐明浸出剂强化浸出稀土的作用机理，设计合成出QZX-02与硫酸铵（7:3）的复合浸取剂浸出该稀土矿时，稀土浸出率为97.58%，浸出液中铝离子浓度为0.016 g/L，较单一硫酸铵浸出体系的稀土浸出率提高了8.96%，铝离子浓度降低了0.069 g/L。自行设计研制三轴应力渗流溶浸试验系统,开展的渗透浸出试验表明：试验范围内的不同渗透压下矿土的渗透系数处于相同数量级，随着围压逐渐增大，土体渗液能力的降低梯度逐渐减小，轴压力增加，土体的渗透系数减少。借助于COMSOL软件对该浸出过程中的溶质运移模型进行数值模拟分析表明：在浸出过程中孔隙流速的分布十分不均匀，在孔隙处的流体速度要明显高于其他位置流速，稀土柱内浸出剂中的铵根离子和固相中稀土离子的变化规律与稀土在矿石上的解吸过程类似，呈现出分带现象，随着时间的推移，交换带不断下移，最终实现稀土离子的离子交换浸出，结果表明该模型能够较好地反映渗流场、应力场和浓度场分布的时空演化及分布规律。可为发展和完善溶浸液渗流调控技术提供技术参数和理论依据，从而实现稀土的高效清洁开采，具有重要的理论和实际应用价值。