電場(chǎng)改善細(xì)粒級(jí)尾礦浸出滲透效果試驗(yàn)研究

胡凱建，吳愛(ài)祥，尹升華，黃明清，王少勇，熊有為

(1. 北京科技大學(xué) 金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2. 北京科技大學(xué) 土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京，100083)

近年來(lái)，我國(guó)礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中尾礦的排放量逐年增多，也帶來(lái)了大量的問(wèn)題[1]：尾礦給周?chē)h(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的污染；尾礦的堆存存在巨大的安全隱患；尾礦的丟棄造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。目前，尾礦的二次開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)受到廣泛重視，這不僅可以解決污染問(wèn)題、改善生態(tài)環(huán)境及消除安全隱患，而且可以提高資源利用率，緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程的資源壓力，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)從20世紀(jì)90年代開(kāi)始使用堆浸技術(shù)處理低品位尾礦資源。堆浸技術(shù)以其投資少、成本低、易實(shí)施等特點(diǎn)在我國(guó)尾礦資源豐富的地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用[2]。在對(duì)尾礦進(jìn)行堆浸回收有價(jià)金屬時(shí)，一般需對(duì)尾礦進(jìn)行制粒處理，通過(guò)制粒提高浸堆的滲透性以達(dá)到提高浸出率、縮短浸礦周期的目的。但是，制粒浸出也會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題[3]，制粒后的尾礦粒團(tuán)要求有一定的抗壓強(qiáng)度，筑堆后粒團(tuán)間存在一定間隙；在筑堆過(guò)程中粒團(tuán)可能由于強(qiáng)度低出現(xiàn)破碎，導(dǎo)致細(xì)粒級(jí)尾礦在某一區(qū)域集中，特別是礦堆底部，影響浸堆滲透性。針對(duì)以上問(wèn)題，本文作者以電滲理論為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以研究在外加電場(chǎng)條件下細(xì)粒級(jí)尾礦浸出的滲透性改善情況，從而為尾礦浸出工程實(shí)踐提供理論依據(jù)。

1 電滲理論

在外加電場(chǎng)作用下，溶液中的電荷必然發(fā)生運(yùn)動(dòng)。在滲流體系中，土顆粒表面帶有負(fù)電荷，吸引空隙液中的陽(yáng)離子在固?液界面附近聚集，形成不動(dòng)的離子吸附層和可動(dòng)的擴(kuò)散層，稱(chēng)為雙電層[4]。液體中的帶電粒子尤其是固液界面上雙電層中的帶電粒子在外加電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)，帶電孔隙中的液體形成電滲[5?7]。早期我國(guó)學(xué)者進(jìn)行了電滲降水加固土體的試驗(yàn)研究，取得了良好的效果；電場(chǎng)強(qiáng)化滲流也多用于石油開(kāi)采工藝中，如張繼紅等[8?9]研究了直流電場(chǎng)作用下水驅(qū)油藏多孔介質(zhì)中流體的滲流速度、阻力系數(shù)、儲(chǔ)層滲透率等變化特性，研究表明：電動(dòng)力為流體滲流的主要驅(qū)動(dòng)力，多孔介質(zhì)中的流體的滲流速度、有效滲透系數(shù)等參數(shù)隨正向電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而明顯增大。

與水力學(xué)壓力流動(dòng)相比，電滲流動(dòng)具有如下優(yōu)勢(shì)：(1) 電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)滲流力的方向與電場(chǎng)方向一致，可有效地提高某一方向的滲透效率[10]；(2) 普通滲流體系內(nèi)滲流速度與滲流孔隙的半徑的平方成反比，而電滲流速在很大的尺寸范圍內(nèi)不受滲流孔隙半徑影響；(3) 電滲效果與土體本身的滲透系數(shù)無(wú)關(guān)，與土體的電滲系數(shù)有關(guān)。近年來(lái)，針對(duì)黏土孔隙電滲以及電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)固液分離的研究較多，典型的技術(shù)如高效毛細(xì)管電泳及電色譜技術(shù)[11?12]等，這些為研究電場(chǎng)改善細(xì)粒尾礦浸出體系微孔隙滲流效果提供了理論基礎(chǔ)。在尾礦浸出過(guò)程中，由于尾礦粒級(jí)小，滲透性差，浸堆中存在溶浸液無(wú)法到達(dá)的區(qū)域，稱(chēng)為“浸出盲區(qū)”[13]，而電滲流動(dòng)可以很好地改善微孔隙滲流特性，甚至可以到達(dá)一些壓力流無(wú)法奏效的“盲區(qū)”。

2 材料與方法

2.1 尾礦級(jí)配特征

試驗(yàn)所用的尾礦來(lái)自云南某高山礦區(qū)的銅尾礦，其顆粒級(jí)配如圖1所示。粒級(jí)組成的不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)和平均粒徑由下式計(jì)算：

式中：Cu為不均勻系數(shù)；Cc為曲率系數(shù)；d10，d30和d60指篩下累計(jì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%，30%和60%時(shí)礦樣平均粒徑，mm，dcp為平均粒徑，mm；wi為第i級(jí)顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；di為第i級(jí)顆粒的粒徑，mm。

圖1 試驗(yàn)用尾礦樣級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distribution of ore sample

礦顆粒級(jí)配特征值如表1所示，尾礦級(jí)配均勻，顆粒細(xì)小，粉粒范疇(d＜0.074 mm)的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。

2.2 試驗(yàn)裝置及原理

試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，主要包括M8813型直流電源、直徑為30 mm的石墨電極片、厚度為3 mm的石墨電極、燒杯、量筒、秒表、電子稱(chēng)、試驗(yàn)柱(高500 mm，直徑60 mm，橫截面積28.26 cm2)等。

表1 礦顆粒級(jí)配特征Table 1 Gradation character of ore sample

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test device

由于尾礦滲透體系滲透性差，故采用變水頭法[14]測(cè)量體系的滲透系數(shù)，滲透系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：K為滲透系數(shù)，cm/h；L為礦樣長(zhǎng)度，cm；L0為試驗(yàn)柱上、下表面之間的長(zhǎng)度，cm；L1為起始液面至試驗(yàn)柱上表面長(zhǎng)度，cm；L2為最終液面至試驗(yàn)柱上表面長(zhǎng)度，cm；Δt為液面從L1到L2經(jīng)歷的時(shí)間，h。

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)柱內(nèi)尾礦高100 mm，試驗(yàn)柱上下表面高500 mm，起始液面至試驗(yàn)柱上表面高170 mm。2個(gè)電極片分別置于尾礦柱的底部和頂部，底部電極片接負(fù)極，頂部電極片接正極，使用M8813型直流電源為尾礦滲透體系施加直流電場(chǎng)。在本次試驗(yàn)中，以水為浸出液考察滲透效果的改善情況。在有機(jī)柱體上貼上坐標(biāo)紙以觀察液面高度，另外考慮到加電滲透過(guò)程部分水會(huì)被分解，為了更精確地計(jì)算體系的滲透系數(shù)，通過(guò)測(cè)量滲出水的體積計(jì)算體系的滲透系數(shù)。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

(1) 分別在置入電極片不通電和通電 2種條件下對(duì)尾礦滲透體系進(jìn)行滲透效果對(duì)比試驗(yàn)，分析不同條件下影響滲透效果的因素。

(2) 為了研究電壓對(duì)尾礦滲透體系滲透效果的影響，在電極片兩端分別加10，20，30，40和50 V的固定電壓進(jìn)行滲透試驗(yàn)，探討電壓與體系滲透系數(shù)的關(guān)系。

(3) 考慮到加電過(guò)程中部分水會(huì)被電解，產(chǎn)生的氣泡在細(xì)粒級(jí)滲透體系中不容易被排出，隨著氣泡的增多，必然會(huì)導(dǎo)致滲流通道被氣泡占據(jù)、堵塞，滲透效果將受到負(fù)面影響，并且電滲的固結(jié)作用[15]會(huì)使體系中的細(xì)顆粒固結(jié)、排列更加緊密，對(duì)尾礦滲流體系產(chǎn)生影響，影響效果有待考察。因此，在試驗(yàn)過(guò)程(1)和(2)的基礎(chǔ)上，在電極片兩端加脈沖電壓進(jìn)行滲透試驗(yàn)，考察體系滲透效果的改善情況。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同條件下尾礦體系的滲透效果

通過(guò)測(cè)量滲出液的體積來(lái)反映在置入電極片不通電、電極片兩端加50 V電壓條件下體系的滲透效果，如圖3所示。由圖3可見(jiàn)：在相同時(shí)間內(nèi)置入電極片，不通電時(shí)滲出液體積較小，滲透性較差；通電后，相同時(shí)間內(nèi)滲出液的體積明顯升高。

圖3 不同條件下體系滲出液體積與時(shí)間的關(guān)系Fig.3 Relationship between extravasate volume and time under different conditions

在置入電極片后，體系的滲透結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，置入電極片的位置部分滲流通道被截?cái)啵瑵B流液只能從電極片周?chē)目紫吨辛飨?。由尾礦的級(jí)配特征可知本試驗(yàn)尾礦粒級(jí)小，滲流性差，雙電層對(duì)這種粒級(jí)小、滲透性差的體系的滲透效果影響尤為明顯，雙電層特別是不可動(dòng)吸附層的存在減小了滲流通道的截面積，降低了體系的滲透效果。在未通電的條件下，吸附在尾礦顆粒表面的不可動(dòng)電子層減小了有效滲流通道的截面積，通電后，在電場(chǎng)作用下不可動(dòng)電子層中的離子沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)液體沿孔隙流動(dòng)，導(dǎo)致不可動(dòng)層厚度減小，不動(dòng)層部分變?yōu)榭蓜?dòng)層，有效滲流通道的截面積增大；同時(shí)，在某些滲流“盲區(qū)”內(nèi)，離子及水分子在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)，沖破“盲區(qū)”，形成新的滲流通道；離子在電場(chǎng)作用下帶動(dòng)液體在孔隙中流動(dòng)形成電滲流。滲流的速度與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，通電后滲流速度增加?？梢?jiàn)：電場(chǎng)作用下體系的有效滲流通道截面積的增大、新通道的形成、滲流速度的增加改善體系的滲透效果，體系的滲透性增強(qiáng)。

3.2 電壓與尾礦體系滲透系數(shù)的關(guān)系

由于加電過(guò)程中產(chǎn)生的氣體對(duì)體系的滲透性有影響，而氣體的排出速率低于氣體的產(chǎn)生速率，加電時(shí)間越長(zhǎng)，體系內(nèi)積壓的氣體越多，對(duì)滲透性的影響越大，電壓對(duì)滲透性的影響越不顯著。本試驗(yàn)時(shí)間定為900 s，以避免時(shí)間過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生的氣體過(guò)多地對(duì)試驗(yàn)效果產(chǎn)生影響。滲出2.826 mL的水相當(dāng)于柱內(nèi)液面下降1 mm，將某一時(shí)間段內(nèi)滲出液的體積換算為液面下降的高度，將參數(shù)代入式(1)計(jì)算相同時(shí)間內(nèi)不同電壓下尾礦滲流體系的滲透系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 電壓與體系滲透系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between voltage and permeability coefficient

由圖4可知：在某一時(shí)間段內(nèi)，體系的滲透系數(shù)隨電壓的增大而增大；在某一固定電壓下，體系的滲透系數(shù)隨著通電時(shí)間的持續(xù)而不斷降低，電壓越高，降低的幅度越明顯。微觀方面，由于表面張力的作用，滲流液中的離子在電場(chǎng)作用下和滲流通道移動(dòng)過(guò)程中會(huì)形成同心的電毛細(xì)曲面[16]，曲面向陰極移動(dòng)帶動(dòng)流體一起運(yùn)動(dòng)；在體系電阻率變化不大的情況下，隨著電壓的增大，離子運(yùn)動(dòng)速度加快，電毛細(xì)曲面帶動(dòng)水流加速移動(dòng)，宏觀表現(xiàn)為體系的滲透性提升，但這一過(guò)程與尾礦體系本身的低滲透性無(wú)關(guān)。在某一固定電壓下，隨著時(shí)間的推移，體系的滲透系數(shù)呈下降趨勢(shì)。這是由于通電過(guò)程中不斷產(chǎn)生的氣體對(duì)滲流產(chǎn)生了阻礙導(dǎo)致滲透性下降；電壓越高，體系中水的電解反應(yīng)速率越高，產(chǎn)生的氣體量越大，若長(zhǎng)時(shí)間通電，勢(shì)必對(duì)體系滲流造成嚴(yán)重影響。

3.3 脈沖試驗(yàn)滲透效果分析

脈沖電壓作用分為4個(gè)階段：第1階段為0～900 s，電壓為50 V；第2階段為900～1 800 s，電壓為0 V；第3階段為1 800～2 700 s，電壓為50 V；第4階段為2 700～4 200 s，電壓為0 V。每隔300 s記錄1次，表2所示為試驗(yàn)過(guò)程中體系滲出液體積隨時(shí)間的變化情況。

表2 滲出液體積隨時(shí)間的變化情況Table 2 Extravasate volume changes follow time

第1階段，在電場(chǎng)作用下，體系的滲透效果較好，但加電過(guò)程中體系內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生氣體，但氣體排出體系的速率低于產(chǎn)生的速率，在一定程度上影響了滲透效果；第2階段體系的滲出液體積表現(xiàn)為先下降后上升，體系內(nèi)部蘊(yùn)藏氣體不斷排出，氣體占據(jù)的體積減小，在斷電初期滲透性下降，隨著氣體的排出，滲流得以更好的進(jìn)行；第3階段與第1階段相似，電場(chǎng)的作用改善了體系的滲透效果，但是，隨著內(nèi)部積存氣體越來(lái)越多，相鄰2個(gè)時(shí)間點(diǎn)內(nèi)滲出液的體積隨時(shí)間推移越來(lái)越少；第4階段滲透性與第2階段的相似，表現(xiàn)為先下降后上升。

為考察試驗(yàn)過(guò)程中體系滲透效果在每一時(shí)刻的變化趨勢(shì)，以每個(gè)記錄點(diǎn)為起始將試驗(yàn)過(guò)程按每 300 s劃為1個(gè)區(qū)段，考察每個(gè)區(qū)段滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)以考察整個(gè)過(guò)程滲透系數(shù)的變化。圖5所示為每個(gè)區(qū)段對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)的變化。將整個(gè)過(guò)程劃為許多區(qū)段分析，表現(xiàn)為加電時(shí)滲透系數(shù)先上升后下降，不加電時(shí)滲透系數(shù)先下降后上升。將每個(gè)區(qū)段整合為一個(gè)整體分析可見(jiàn)：使用脈沖電壓可以在一定程度上避免體系內(nèi)積累過(guò)多氣體阻礙滲透進(jìn)行，從而使整個(gè)滲透過(guò)程中體系的平均滲透系數(shù)保持在高值，達(dá)到改善體系滲透效果的目的。由圖5可知：第4階段的滲透系數(shù)略高于第2階段的滲透系數(shù)；并滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)明顯升高。將穩(wěn)定后體系的滲透系數(shù)與試驗(yàn)過(guò)程(1)中不加電場(chǎng)條件的進(jìn)行對(duì)比，前者高于后者2倍。加電過(guò)程改變了體系內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，礦顆粒被加固后排列更加緊密，但內(nèi)部滲透孔隙并未被縮小或大部分被堵塞，反而得到了改善，體系滲透效果沒(méi)有降低，而是得到提高。以上結(jié)果表明電場(chǎng)對(duì)尾礦顆粒的固結(jié)作用對(duì)體系滲透效果的改善是有益的。

圖5 試驗(yàn)過(guò)程中滲透系數(shù)變化趨勢(shì)Fig.5 Changes of permeability coefficient during experiment

4 結(jié)論

(1) 電場(chǎng)改變了體系內(nèi)部雙電層結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大了滲流通道；雙電層中的離子在電場(chǎng)作用下加速運(yùn)移帶動(dòng)滲流液運(yùn)動(dòng)，滲流速度加快，同時(shí)打通某些“盲區(qū)”封閉的通道，改善了體系的滲透效果。

(2) 在一定時(shí)間范圍內(nèi)，體系的滲透系數(shù)隨電壓的增大而增大，與尾礦體系本身的滲透系數(shù)無(wú)關(guān)；電壓決定了滲流液中離子的運(yùn)動(dòng)速度，間接影響了滲流速度；隨著時(shí)間的推移，體系內(nèi)產(chǎn)生的氣泡對(duì)滲流有阻礙作用，電壓越高，滲透系數(shù)下降越明顯。

(3) 電滲過(guò)程產(chǎn)生的氣體占據(jù)滲流通道對(duì)滲流產(chǎn)生影響，使用脈沖電場(chǎng)可使產(chǎn)生的氣體及時(shí)排出，降低其對(duì)滲透的影響；與加電前體系的滲透系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，在斷電穩(wěn)定后體系的滲透系數(shù)有很大提高，電滲固結(jié)作用有利于改善滲透效果。

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