堆浸体系中的多尺度效应与多过程耦合作用研究-矿业114网 
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堆浸体系中的多尺度效应与多过程耦合作用研究
2010-04-15
作为一种较为成熟的技术,堆浸工艺已广泛应用于各种低品位矿石的浸出,但基础理论方面的研究 还很不完善。首先对堆浸过程中矿岩散体进行研究尺度的划分,提出基于显微影像分析技术、CT技术和图像处理 技术等对矿岩散体多尺度空间结构实现可视化,并通过对浸出体系中多相多场耦合作用和跨尺度关联问题的深入 分析,提出了现阶段研究中一系列有待解决的问题。然后,详细论述了多过程耦合数值模拟的研究内容。结合国 外微生物浸矿机理的研究成果,以原生黄铜矿为研究对象,总结出微生物堆浸研究的工作重点。最后,在介绍国内 外堆浸技术研究进展的基础上,重点阐述了堆浸理论的研究难点。
SAerpireislꢀNo2.041006ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 20总10第年 4第064期期 METAL MINE · 采 矿 工 程 · 堆浸体系中的多尺度效应与多过程耦合作用研究 姚 高 辉 ꢀ 吴 爱 祥 ꢀ 王 洪 江 ( 北 京 科 技 大 学 ) 摘 ꢀ 要 ꢀ 作 为 一 种 较 为 成 熟 的 技 术 , 堆 浸 工 艺 已 广 泛 应 用 于 各 种 低 品 位 矿 石 的 浸 出 , 但 基 础 理 论 方 面 的 研 究 还 很 不 完 善 。 首 先 对 堆 浸 过 程 中 矿 岩 散 体 进 行 研 究 尺 度 的 划 分 , 提 出 基 于 显 微 影 像 分 析 技 术 、 CT 技 术 和 图 像 处 理 技 术 等 对 矿 岩 散 体 多 尺 度 空 间 结 构 实 现 可 视 化 , 并 通 过 对 浸 出 体 系 中 多 相 多 场 耦 合 作 用 和 跨 尺 度 关 联 问 题 的 深 入 分 析 , 提 出 了 现 阶 段 研 究 中 一 系 列 有 待 解 决 的 问 题 。 然 后 , 详 细 论 述 了 多 过 程 耦 合 数 值 模 拟 的 研 究 内 容 。 结 合 国 外 微 生 物 浸 矿 机 理 的 研 究 成 果 , 以 原 生 黄 铜 矿 为 研 究 对 象 , 总 结 出 微 生 物 堆 浸 研 究 的 工 作 重 点 。 最 后 , 在 介 绍 国 内 外 堆 浸 技 术 研 究 进 展 的 基 础 上 , 重 点 阐 述 了 堆 浸 理 论 的 研 究 难 点 。 关 键 词 ꢀ 浸 出 体 系 ꢀ 多 尺 度 ꢀ 多 相 多 场 ꢀ 微 生 物 浸 矿 ꢀ 研 究 进 展 Investigation of Multiscale Effect and Multiple Processes Coupling in Leaching System Yao( Gaohuiꢀ Wu Aixiangꢀ Wang Hongjiang University of Science nd Technology Beijing) Abstractꢀ As a kind of mature technology, heap leaching has been widely used to leach lowgrade ore, but its theory research is no perfect. Firstly, study scale partition of orerock granular in heap leaching is carried out. It is proposed that the visualization of multiscale spatial structure of orerock granular can be realized based on microscopic image analysis technology, CT technology and image processing technology. Through indepth analysis of linking scale, multiphase and multifield coupling, a series of problems to be solved at this stage are presented. Then, a number of researches about cou pled numerical simulation of multiple processes are discussed in detail. With foreign research results on mechanism of mi crobial leaching, some research on microbial heap leaching is brought forward which regards native chalcopyrite as the re search object. Finally, based on introduction of heap leaching technology at home and abroad, research difficulties of heap leaching theory are emphasized. Keywordsꢀ Leaching system, Multiscale, Multiphase and multifield, Microbial leaching, Research progress ꢀ ꢀ 堆 浸 主 要 是 指 原 矿 堆 浸 和 废 石 堆 浸 。 废 石 堆 浸 尺 度 关 联 。 用 于 处 理 含 矿 废 石 、 低 品 位 矿 石 或 尾 矿 。 原 矿 堆 浸 用 于 处 理 新 开 采 的 中 等 品 位 的 氧 化 矿 、 次 生 硫 化 矿 , 往 往 需 要 将 矿 石 先 行 破 碎 , 然 后 筑 堆 浸 出 。 1ꢀ 堆 浸 的 多 尺 度 特 征 1. 1ꢀ 矿 岩 散 体 的 多 尺 度 结 构 堆 浸 系 统 中 的 矿 岩 散 体 是 由 不 同 尺 寸 且 形 状 极 其 不 规 则 的 矿 石 颗 粒 堆 积 而 成 的 松 散 多 孔 介 质 , 所 形 成 的 孔 隙 结 构 非 常 复 杂 。 在 堆 浸 过 程 中 , 矿 岩 散 体 受 到 温 度 场 、 渗 流 场 、 应 力 场 等 多 场 耦 合 的 作 用 , 其 内 部 发 生 的 溶 液 渗 流 、 扩 散 、 对 流 及 相 应 的 化 学 生 物 反 应 的 效 果 直 接 影 响 到 有 用 金 属 的 浸 出 率 和 浸 出 速 率 , 而 这 些 过 程 都 与 其 空 间 多 尺 度 特 性 存 在 紧 密 的 联 系 。 作 为 一 种 较 为 成 熟 的 工 艺 技 术 , 堆 浸 已 广 泛 应 用 于 各 种 低 品 位 铜 矿 石 ( 包 括 难 选 氧 化 铜 矿 、 铜 矿 山 贫 矿 、 含 铜 废 石 、 低 品 位 矿 床 、 残 存 矿 柱 、 选 铜 尾 矿 、 冶 金 铜 渣 等 ) 中 铜 的 浸 出 , 其 配 套 工 艺 ( 萃 取 — 电 积 ) 及 其 设 备 等 也 日 臻 完 善 。 但 是 , 对 于 堆 浸 的 基 础 理 论 研 究 很 多 方 面 还 不 完 善 , 原 因 在 于 堆 浸 浸 出 机 理 涉 及 到 散 体 力 学 、 物 理 化 学 、 传 热 学 、 渗 流 力 学 及 微 生 物 学 等 多 学 科 交 叉 , 研 究 的 客 体 存 在 不 同 尺 度 上 物 理 机 制 的 耦 合 和 关 联 。 只 考 虑 单 个 尺 度 上 某 个 物 理 机 制 , 不 可 能 描 述 整 个 系 统 的 复 杂 现 象 。 因 此 , 堆 浸 理 论 研 究 的 核 心 问 题 是 多 过 程 耦 合 和 跨  国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 项 目 ( 编 号 : 50934002) , 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 ( 编 号 : 50774011) 。 姚 高 辉 ( 1983— ) , 男 , 北 京 科 技 大 学 , 博 士 研 究 生 , 100083 北 京 市 海 # 淀 区 学 院 路 北 京 科 技 大 学 394 信 箱 。 · 1· 总 第 406 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2010 年 第 4 期 因 此 , 堆 浸 理 论 的 研 究 应 该 从 微 观 、 细 观 和 宏 观 3 个 尺 度 层 次 出 发 , 如 图 1 所 示 。 严 格 地 说 , 微 观 应 该 指 原 子 层 次 , 比 如 颗 粒 内 部 原 子 间 的 链 接 作 用 。 但 对 堆 浸 体 系 来 说 , 微 观 尺 度 应 该 是 组 成 矿 岩 散 体 的 基 本 单 元 , 即 单 颗 粒 ; 宏 观 尺 度 是 指 能 够 表 征 浸 堆 宏 观 力 学 特 性 的 结 构 体 系 , 例 如 实 验 室 小 规 模 柱 浸 试 验 或 现 场 大 规 模 堆 浸 ; 细 观 尺 度 则 是 指 由 基 本 单 元 组 成 的 较 为 稳 定 的 结 构 体 , 它 对 宏 观 尺 度 的 行 为 有 较 大 影 响 , 显 然 它 既 大 于 基 本 单 元 的 微 观 尺 度 , 又 小 于 宏 观 尺 度 , 在 堆 浸 体 系 中 这 一 细 观 尺 度 就 是 矿 岩 散 体 颗 粒 群 。 图 2ꢀ 基 于 多 种 成 像 技 术 的 矿 岩 可 视 化 ( 3) Siemens Somatom Plus 型 X 射 线 螺 旋 CT [ 2] 。 其 空 间 分 辨 率 为 0. 35 mm × 0. 35 mm, 可 识 机 3 别 的 最 小 体 积 为 0. 12 mm ( 层 厚 最 小 为 1 mm) , 但 无 法 分 辨 矿 岩 颗 粒 在 生 物 化 学 作 用 下 孔 隙 或 微 裂 隙 的 结 构 变 化 。 图 1ꢀ 矿 岩 散 体 介 质 的 多 尺 度 空 间 结 构 散 体 宏 观 力 学 行 为 是 微 细 观 特 性 变 化 引 起 的 结 果 , 将 堆 浸 体 系 中 矿 岩 散 体 多 孔 介 质 的 研 究 尺 度 分 为 微 观 、 细 观 和 宏 观 , 更 深 入 地 进 行 实 验 研 究 和 理 论 分 析 , 对 于 进 一 步 探 明 溶 浸 液 在 散 体 多 孔 介 质 中 的 流 动 机 理 和 建 立 相 应 的 较 为 准 确 的 数 学 模 型 有 一 定 指 导 意 义 。 ( 3] 。 该 试 验 机 由 中 国 工 程 物 理 研 究 院 与 太 原 理 4) μCT225kVFCB 型 高 精 度 显 微 CT 试 验 系 [ 统 工 大 学 共 同 研 制 , 最 大 功 率 为 320 W, 放 大 倍 数 为 1 ~ 400 倍 , 可 分 辨 1 ~ 2 μm 大 小 的 孔 隙 及 微 裂 隙 , 为 矿 岩 散 体 的 微 细 观 试 验 分 析 提 供 了 更 高 精 度 的 试 验 设 备 。 1 . 2ꢀ 散 体 多 孔 介 质 微 细 观 结 构 的 可 视 化 由 于 浸 出 体 系 中 矿 岩 散 体 空 间 结 构 从 宏 观 尺 度 2 2 2 ꢀ 多 相 多 场 耦 合 作 用 和 跨 尺 度 关 联 到 微 观 尺 度 跨 度 较 大 , 通 过 肉 眼 观 察 已 经 不 能 捕 捉 微 细 观 结 构 变 化 特 性 , 如 微 生 物 化 学 反 应 对 矿 岩 散 体 的 溶 解 蚀 变 作 用 ; 而 显 微 镜 实 时 观 测 与 CT 实 时 扫 描 等 试 验 是 揭 示 浸 出 过 程 中 微 细 结 构 演 化 规 律 的 一 种 有 效 手 段 ( 如 图 2 所 示 1] ) 。 . 1ꢀ 堆 浸 体 系 中 的 多 相 多 场 耦 合 作 用 . 1. 1ꢀ 多 相 多 场 条 件 下 浸 出 响 应 机 制 研 究 微 生 物 堆 浸 过 程 是 多 相 、 多 场 、 多 因 素 与 浸 出 体 系 直 接 或 间 接 交 互 作 用 的 影 响 过 程 , 是 一 个 复 杂 的 生 物 化 学 反 应 体 系 , 存 在 固 、 液 、 气 、 菌 、 热 5 个 要 素 , 分 别 对 应 于 矿 物 、 溶 浸 液 、 O 及 CO 、 细 菌 、 反 应 热 [ 目 前 实 验 室 研 究 矿 岩 散 体 多 尺 度 结 构 可 视 化 的 主 要 设 备 有 以 下 4 种 。 2 2 量 , 五 要 素 均 在 堆 内 孔 裂 隙 网 络 中 起 作 用 , 从 而 决 定 了 浸 出 效 果 。 一 个 良 好 的 浸 出 环 境 应 该 是 固 、 液 、 气 、 热 与 细 菌 互 相 协 调 的 环 境 。 上 述 五 要 素 决 定 了 堆 浸 体 系 是 一 个 多 相 共 存 体 系 , 即 包 括 气 相 、 固 相 、 液 相 。 菌 存 在 于 固 相 与 液 相 中 , 热 赋 存 于 气 、 固 、 液 三 相 中 , 例 外 堆 浸 体 系 也 是 一 个 多 场 共 存 的 体 系 , 主 要 包 括 温 度 场 、 浓 度 场 、 渗 流 场 。 孔 裂 隙 网 络 是 矿 岩 固 有 的 结 构 特 征 , 是 溶 浸 液 通 达 有 用 矿 物 并 实 现 矿 物 有 效 浸 出 的 基 本 前 提 。 因 此 , 矿 岩 孔 裂 隙 网 络 结 ( 1) 影 像 式 光 学 显 微 镜 。 利 用 光 学 原 理 , 把 人 眼 所 不 能 分 辨 的 微 小 物 体 放 大 成 像 , 以 供 提 取 物 体 表 面 的 微 细 结 构 信 息 , 其 分 辨 率 一 般 为 0. 2 μm, 实 验 室 主 要 用 来 观 察 矿 岩 散 体 的 表 面 结 构 特 征 。 ( 2) 扫 描 电 镜 。 目 前 主 要 是 利 用 二 次 电 子 信 号 成 像 来 观 察 矿 岩 散 体 颗 粒 在 浸 出 前 后 表 面 形 态 ( 微 裂 隙 及 孔 隙 ) 的 演 化 规 律 , 但 不 能 深 入 到 颗 粒 内 部 , 一 般 二 次 电 子 像 的 分 辨 率 约 为 5 ~ 10 nm。 · 2· ꢀ ꢀ ꢀ 姚 高 辉 等 : 堆 浸 体 系 中 的 多 尺 度 效 应 与 多 过 程 耦 合 作 用 研 究 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2010 年 第 4 期 构 特 征 是 多 相 多 场 条 件 下 浸 出 体 系 响 应 机 制 研 究 的 关 键 科 学 问 题 。 目 前 , 针 对 多 相 多 场 耦 合 作 用 主 要 从 以 下 3 个 方 面 开 展 工 作 。 2. 1. 3ꢀ 矿 岩 颗 粒 与 溶 浸 液 的 固 - 液 耦 合 研 究 矿 岩 的 微 观 浸 出 机 理 , 必 须 了 解 单 颗 粒 的 基 本 特 征 : ①孔 隙 或 微 裂 隙 尺 寸 小 ( 如 图 4 所 示 ) ; ②渗 流 吸 附 速 率 缓 慢 ; ③在 颗 粒 内 部 有 生 物 化 学 反 应 和 物 质 交 换 。 ( 1) 测 定 浸 堆 中 气 - 固 - 液 三 相 热 力 学 参 数 , 研 究 温 度 对 溶 液 粘 度 、 矿 岩 渗 透 性 、 溶 质 迁 移 和 浸 矿 反 应 速 率 的 影 响 规 律 , 探 讨 矿 物 浸 出 行 为 对 温 度 的 响 应 机 制 。 ( 2) 研 究 浸 出 体 系 溶 质 的 迁 移 方 式 和 扩 散 速 率 , 探 明 浓 度 场 在 浸 矿 体 系 中 的 分 布 特 征 及 变 化 规 律 ; 分 析 溶 液 pH 值 、 反 应 物 和 生 成 物 浓 度 对 微 生 物 浸 矿 规 律 的 影 响 。 ( 3) 深 入 分 析 温 度 场 、 浓 度 场 、 渗 流 场 之 间 的 耦 合 机 理 , 探 讨 交 叉 梯 度 ( 热 梯 度 、 浓 度 梯 度 ) 作 用 下 溶 质 的 扩 散 迁 移 规 律 ; 进 行 多 相 多 场 条 件 下 的 矿 岩 浸 出 试 验 , 揭 示 应 力 场 、 浓 度 场 、 渗 流 场 与 矿 岩 浸 出 率 之 间 的 关 系 。 图 4ꢀ 矿 岩 颗 粒 内 部 浸 出 反 应 示 意 由 于 矿 岩 颗 粒 中 部 分 微 孔 隙 或 微 裂 隙 从 表 面 转 入 矿 块 内 部 , 位 于 表 面 微 损 伤 结 构 处 的 矿 物 最 易 被 浸 出 剂 作 用 , 溶 液 极 易 渗 入 延 伸 至 颗 粒 表 面 的 微 孔 裂 隙 中 。 正 是 这 些 与 表 面 相 连 的 微 孔 裂 隙 为 溶 液 沿 颗 粒 表 面 及 内 部 迅 速 分 布 创 造 了 有 利 条 件 。 2 . 1. 2ꢀ 散 体 颗 粒 群 细 观 渗 流 机 理 研 究 经 典 的 渗 流 力 学 已 形 成 了 较 完 善 的 理 论 体 系 和 独 特 的 研 究 方 法 , 但 由 于 是 在 达 西 定 理 基 础 上 发 展 起 来 的 , 基 于 连 续 和 均 匀 介 质 假 说 之 上 的 唯 象 宏 观 渗 流 力 学 , 根 本 不 涉 及 孔 隙 介 质 本 身 的 细 观 空 间 结 构 , 故 在 研 究 细 观 结 构 对 渗 流 形 貌 的 影 响 方 面 无 能 为 力 。 因 此 , 必 须 发 展 细 观 层 次 上 的 渗 流 力 学 理 论 , 即 充 分 考 虑 散 体 多 孔 介 质 细 观 形 貌 对 渗 流 行 为 的 影 响 。 对 于 绝 大 部 分 矿 岩 颗 粒 来 说 , 浸 润 和 散 流 都 进 行 得 比 较 充 分 , 浸 润 不 仅 表 现 在 散 流 , 而 且 也 表 现 在 靠 近 孔 隙 表 面 部 分 的 浸 透 和 毛 细 管 裂 隙 中 球 状 弯 月 面 的 形 成 。 在 矿 块 表 面 浸 润 的 同 时 , 溶 液 沿 微 裂 隙 和 矿 物 孔 隙 渗 入 矿 块 内 , 由 于 毛 细 管 作 用 , 溶 液 进 入 裂 隙 空 间 及 距 离 很 近 的 颗 粒 表 面 间 的 自 由 空 间 。 矿 石 颗 粒 微 观 浸 出 机 理 的 主 要 研 究 内 容 有 : 测 定 溶 浸 液 蚀 后 矿 岩 成 份 及 力 学 特 性 , 分 析 颗 粒 在 生 物 化 学 作 用 、 界 面 作 用 和 渗 透 压 力 作 用 下 的 分 解 、 聚 合 作 用 ; 以 流 - 固 相 单 颗 粒 反 应 动 力 学 为 理 论 基 础 , 建 立 单 颗 粒 细 观 反 应 速 率 模 型 ; 开 展 矿 岩 颗 粒 浸 出 过 程 原 位 扫 描 试 验 , 利 用 高 精 度 显 微 CT、 图 像 处 理 和 三 维 重 构 等 手 段 , 构 建 孔 裂 隙 网 络 空 间 模 型 , 探 明 生 物 化 学 作 用 下 矿 石 颗 粒 微 孔 裂 隙 结 构 变 化 的 规 律 , 并 揭 示 不 同 浸 出 阶 段 矿 石 颗 粒 渗 吸 - 溶 解 边 缘 形 貌 的 演 化 规 律 。 矿 岩 散 体 介 质 细 观 渗 流 是 指 细 观 尺 度 上 溶 浸 液 在 颗 粒 间 的 渗 流 性 状 , 如 图 3 所 示 。 传 统 的 渗 流 是 研 究 宏 观 特 性 , 即 统 计 平 均 特 性 , 不 能 确 切 了 解 散 体 多 孔 介 质 局 部 的 物 理 化 学 过 程 及 渗 流 机 理 。 细 观 与 宏 观 研 究 相 互 补 充 可 使 对 渗 流 的 认 识 更 加 透 彻 。 细 观 渗 流 研 究 的 内 容 包 括 : 颗 粒 群 本 身 的 特 性 , 如 拓 扑 结 构 、 孔 隙 和 微 裂 隙 的 分 布 情 况 、 孔 隙 表 面 的 粗 糙 度 、 孔 隙 度 和 渗 透 率 等 ; 散 体 多 孔 介 质 与 流 体 之 间 的 关 系 , 如 表 面 润 湿 性 、 吸 附 和 解 吸 特 性 、 饱 和 度 分 布 和 各 相 之 间 的 分 布 细 节 等 。 2 . 2ꢀ 微 细 观 尺 度 与 宏 观 尺 度 的 关 联 堆 浸 散 体 多 孔 介 质 的 宏 观 特 性 , 如 渗 流 性 能 、 浸 出 率 及 浸 出 速 率 等 , 通 常 都 受 到 细 观 或 微 观 参 数 的 影 响 , 如 矿 岩 颗 粒 群 的 结 构 特 征 , 单 颗 粒 矿 岩 微 孔 裂 隙 分 布 规 律 等 , 并 通 过 跨 尺 度 的 非 线 性 关 联 发 展 而 诱 发 宏 观 变 化 , 微 小 尺 度 上 的 某 些 结 构 演 化 效 应 或 无 序 反 应 可 能 被 强 烈 放 大 , 上 升 为 显 著 的 大 尺 度 效 应 , 是 一 种 跨 尺 度 演 化 过 程 。 因 此 , 要 从 不 同 尺 度 来 图 3ꢀ 溶 浸 液 在 颗 粒 间 渗 流 状 态 · 3· 总 第 406 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2010 年 第 4 期 对 矿 岩 散 体 的 孔 隙 结 构 展 开 研 究 , 从 而 探 明 微 细 观 浸 出 机 理 与 宏 观 浸 出 率 的 关 联 。 浸 堆 由 于 其 本 身 颗 粒 粒 径 分 布 的 不 均 匀 以 及 筑 堆 过 程 中 普 遍 出 现 的 偏 析 现 象 , 从 上 至 下 是 一 个 非 均 质 的 体 系 。 随 着 浸 出 过 程 的 进 行 , 堆 浸 散 体 介 质 会 发 生 结 构 变 形 , 细 颗 粒 会 发 生 运 移 和 沉 积 , 另 外 还 伴 随 化 学 溶 解 与 沉 淀 以 及 微 生 物 的 沉 积 与 吸 附 , 因 此 介 质 的 非 均 质 性 会 更 加 严 重 。 如 果 不 考 虑 堆 浸 散 图 5ꢀ 细 菌 作 用 机 理 成 熟 。 如 果 能 在 黄 铜 矿 石 上 取 得 重 大 突 破 , 那 必 定 体 非 均 质 性 及 内 部 结 构 特 征 的 变 化 而 只 关 注 其 宏 观 参 数 的 变 化 , 必 然 无 法 了 解 浸 堆 内 部 发 生 的 复 杂 过 为 世 界 铜 矿 石 资 源 的 高 效 回 收 利 用 带 来 一 场 革 命 。 程 和 相 关 规 律 。 对 于 堆 浸 散 体 的 渗 流 问 题 必 须 考 虑 目 前 , 微 生 物 堆 浸 研 究 重 点 主 要 表 现 在 : 多 尺 度 的 结 合 , 在 细 观 层 次 要 弄 清 颗 粒 间 、 孔 隙 体 系 ( 1) 研 究 O2 和 CO2 浓 度 对 浸 出 体 系 中 微 生 物 内 各 相 流 体 间 、 流 体 与 孔 隙 固 壁 间 各 种 物 理 过 程 和 化 学 作 用 的 机 理 以 及 流 体 的 运 动 细 节 , 而 在 宏 观 层 次 上 要 归 纳 与 之 相 对 应 的 渗 流 场 参 数 变 化 规 律 , 其 中 对 微 细 观 孔 隙 结 构 的 量 化 分 析 自 然 成 为 其 研 究 基 础 和 理 论 前 提 。 因 此 , 把 堆 浸 散 体 微 细 观 孔 隙 结 构 参 数 与 宏 观 特 性 关 联 起 来 , 是 堆 浸 理 论 研 究 的 发 展 趋 势 。 生 长 和 化 学 反 应 的 影 响 规 律 , 探 讨 其 对 矿 岩 浸 出 速 率 的 影 响 机 制 。 ( 2) 研 究 温 度 对 微 生 物 活 性 和 浸 矿 行 为 的 影 响 , 分 析 温 度 对 浸 出 速 率 的 影 响 规 律 , 并 探 究 热 量 在 浸 矿 体 系 内 的 传 递 规 律 。 ( 3) 研 究 浸 矿 微 生 物 的 吸 附 、 迁 移 、 解 吸 规 律 ; 探 讨 微 生 物 在 固 - 液 作 用 下 的 生 长 、 繁 殖 、 浸 矿 规 律 , 分 析 微 生 物 堵 塞 对 矿 岩 孔 隙 、 溶 液 渗 流 的 影 响 特 征 。 3 ꢀ 微 生 物 浸 矿 作 用 机 理 研 究 自 20 世 纪 50 年 代 发 现 浸 矿 细 菌 以 来 , 微 生 物 矿 物 作 用 机 理 一 直 是 人 们 力 图 解 决 的 基 础 课 题 , - 4 ꢀ 多 过 程 耦 合 数 值 模 拟 研 究 传 统 的 堆 浸 理 论 研 究 , 往 往 把 整 个 浸 堆 看 作 是 目 前 主 要 存 在 直 接 作 用 、 间 接 作 用 和 复 合 作 用 3 种 [ 4] 。 直 接 作 用 就 是 指 浸 矿 细 菌 附 假 说 , 如 图 5 所 示 一 个 “ 黑 箱 ” , 只 考 虑 其 宏 观 参 数 的 变 化 , 由 于 受 到 试 验 条 件 的 限 制 , 要 从 宏 观 体 系 的 研 究 深 入 到 体 系 内 部 的 微 细 观 研 究 几 乎 是 不 可 能 。 另 外 , 在 进 行 堆 浸 过 程 中 渗 流 数 值 的 模 拟 时 , 所 建 立 的 散 体 孔 隙 物 理 模 型 通 常 是 假 设 的 , 无 法 获 得 真 实 的 物 理 模 型 , 这 对 模 拟 结 果 的 真 实 性 和 有 效 性 必 然 产 生 很 大 影 响 。 以 CT 技 术 为 试 验 手 段 , 以 数 字 图 像 技 术 为 基 础 构 建 真 实 孔 隙 物 理 模 型 , 通 过 建 立 多 场 耦 合 作 用 下 的 孔 隙 演 化 数 值 模 型 及 渗 流 动 态 数 值 模 型 , 利 用 多 物 理 场 数 值 模 拟 软 件 COMSOL Multiphysics 进 行 堆 浸 过 程 散 体 介 质 微 细 观 渗 流 三 维 数 值 模 拟 , 探 明 溶 浸 液 渗 流 速 度 、 饱 和 度 等 参 数 的 空 间 分 布 特 征 , 实 现 同 一 对 象 的 研 究 尺 度 从 宏 观 到 微 观 层 面 的 深 入 , 量 化 水 平 更 高 , 并 且 可 以 实 现 研 究 对 象 的 可 视 化 。 在 探 明 多 相 多 因 素 条 件 下 浸 矿 体 系 的 响 应 机 制 的 基 础 上 , 逐 步 建 立 浸 矿 体 系 孔 隙 发 育 、 溶 质 迁 移 、 热 量 传 递 、 气 体 对 流 的 数 学 模 型 , 借 助 多 场 耦 合 软 件 , 确 定 孔 隙 率 、 溶 液 流 速 、 温 度 、 气 体 浓 度 等 因 素 的 影 响 水 平 , 提 出 微 细 观 浸 出 环 境 的 优 化 调 控 措 施 , 实 着 在 矿 石 表 面 , 与 矿 石 中 的 硫 化 矿 发 生 关 系 , 分 泌 出 一 系 列 多 糖 化 合 物 与 矿 物 起 作 用 , 使 矿 物 氧 化 溶 解 。 [ 5] 通 过 实 验 证 明 了 细 菌 对 1 963 年 Sutton 等 人 CuFeS 的 直 接 浸 蚀 作 用 ; Escobar 等 人 6] 则 应 用 放 [ 2 射 学 研 究 了 氧 化 亚 铁 硫 杆 菌 在 矿 物 表 面 上 的 吸 附 过 程 及 吸 附 特 征 , 进 一 步 验 证 了 细 菌 的 直 接 作 用 。 间 接 作 用 是 指 通 过 细 菌 的 代 谢 产 物 ( 硫 酸 高 铁 、 过 氧 化 物 、 硫 酸 及 其 它 有 机 酸 ) 溶 解 矿 石 、 释 放 金 属 离 子 的 过 程 。 Brierly 认 为 虽 然 细 菌 可 直 接 分 解 矿 物 , 但 3 + 细 菌 氧 化 产 生 的 Fe 是 硫 化 矿 浸 出 的 关 键 ; Mcdo nald 等 人 研 究 了 Fe + 对 黄 铜 矿 的 氧 化 浸 出 3 [ 7] , 认 为 3 + Fe 对 黄 铜 矿 具 有 较 好 的 浸 出 作 用 。 复 合 作 用 是 指 细 菌 直 接 作 用 和 化 学 氧 化 间 接 作 用 共 同 存 在 的 情 况 , 在 实 际 情 况 下 直 接 作 用 和 间 接 作 用 同 时 存 在 , 有 时 以 直 接 作 用 为 主 , 有 时 以 间 接 作 用 为 主 。 尽 管 不 少 学 者 在 微 生 物 作 用 机 理 方 面 做 了 一 些 工 作 , 但 是 原 生 黄 铜 矿 石 微 生 物 堆 浸 仍 处 于 试 验 阶 段 。 以 黄 铜 矿 为 主 的 原 生 矿 约 占 世 界 现 保 有 铜 储 量 的 70% , 但 现 场 大 规 模 微 生 物 堆 浸 工 艺 的 应 用 还 不 · 4· ꢀ ꢀ ꢀ 姚 高 辉 等 : 堆 浸 体 系 中 的 多 尺 度 效 应 与 多 过 程 耦 合 作 用 研 究 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2010 年 第 4 期 现 对 矿 岩 浸 出 过 程 的 优 化 调 控 。 用 到 溶 浸 采 矿 基 础 理 论 的 研 究 中 , 国 外 也 是 近 年 来 根 据 矿 岩 散 体 颗 粒 溶 解 机 制 , 对 单 颗 粒 的 溶 解 过 程 进 行 合 理 简 化 和 假 设 , 在 此 基 础 上 , 考 虑 微 孔 裂 隙 溶 解 和 渗 透 性 变 化 的 耦 合 条 件 , 建 立 生 物 化 学 作 用 下 的 渗 吸 - 溶 解 耦 合 模 型 。 对 特 定 条 件 下 的 矿 岩 颗 粒 渗 吸 - 溶 解 耦 合 过 程 进 行 室 内 试 验 研 究 , 并 应 用 耦 合 模 型 进 行 模 拟 分 析 与 验 证 。 才 开 始 探 索 。 美 国 犹 他 大 学 的 C. L. Lin 和 J. D. [ 17] Miller , 借 助 CT 技 术 揭 示 了 浸 出 过 程 中 矿 岩 散 体 孔 隙 率 的 空 间 变 化 规 律 , 但 是 并 没 有 揭 示 在 物 理 化 学 和 生 物 等 多 因 素 耦 合 作 用 下 矿 岩 散 体 介 质 微 细 观 孔 隙 的 演 化 机 理 。 在 国 内 , 杨 保 华 等 18] 首 次 采 用 毫 米 级 CT 扫 描 机 对 矿 岩 散 体 进 行 了 浸 出 前 后 细 观 孔 隙 演 化 规 律 的 研 究 , 但 由 于 其 空 间 分 辨 率 有 限 , 所 采 集 图 像 不 可 避 免 地 会 出 现 一 些 误 差 , 因 此 采 用 微 米 级 CT 探 究 矿 岩 颗 粒 浸 出 前 后 微 观 孔 隙 演 化 规 律 的 研 究 工 作 有 待 进 一 步 展 开 。 [ 5 ꢀ 堆 浸 技 术 研 究 进 展 在 堆 浸 工 艺 方 面 , 国 内 外 为 改 进 溶 浸 液 的 渗 透 效 果 均 做 了 大 量 的 工 作 , 比 如 含 泥 粉 矿 的 制 粒 8] 、 [ 合 理 的 筑 堆 方 式 、 合 理 的 布 液 方 式 、 矿 堆 中 设 置 渗 透 [ 9] 、 添 加 防 垢 剂 [ 10] 等 措 施 , 提 高 了 金 属 浸 出 率 、 缩 器 总 之 , 堆 浸 理 论 的 研 究 对 实 际 堆 浸 工 艺 有 着 重 要 的 指 导 作 用 , 我 国 在 这 方 面 的 研 究 还 很 不 够 , 特 别 是 对 浸 堆 体 系 中 多 尺 度 耦 合 效 应 的 研 究 还 不 够 深 入 , 对 提 高 金 属 浸 出 率 既 缺 乏 系 统 的 基 础 理 论 体 系 , 又 缺 少 有 效 的 技 术 措 施 , 需 要 进 一 步 加 强 。 研 究 的 难 点 主 要 表 现 在 : 短 了 浸 出 周 期 。 王 洪 江 等 11] 以 德 兴 铜 矿 排 土 场 细 菌 浸 出 为 工 程 实 例 , 开 展 细 菌 强 化 浸 出 机 理 研 究 工 作 , 提 出 了 排 土 场 强 化 浸 出 新 工 艺 。 [ 建 立 堆 浸 模 型 是 堆 浸 理 论 研 究 的 重 要 部 分 。 目 前 , 在 这 方 面 的 研 究 工 作 还 较 少 , 由 于 理 论 研 究 的 困 难 较 大 , 很 多 数 据 都 难 以 获 得 。 国 外 虽 然 开 展 了 一 些 工 作 , 但 结 果 具 有 很 大 的 局 限 性 。 而 国 内 关 于 这 ( 1) 浸 出 体 系 孔 裂 隙 结 构 形 态 复 杂 , 属 于 动 态 不 稳 定 结 构 , 实 现 定 量 描 述 比 较 困 难 。 方 面 研 究 工 作 的 公 开 报 道 也 比 较 少 。 ( 2) 气 液 两 相 渗 流 特 性 复 杂 , 且 固 液 间 物 质 交 换 过 程 复 杂 , 导 致 浸 出 速 度 控 制 步 骤 难 以 确 定 。 ( 3) 浸 出 体 系 温 度 、 浓 度 、 流 速 的 空 间 分 布 复 杂 , 且 易 受 外 部 环 境 影 响 , 造 成 多 场 耦 合 机 理 揭 示 困 难 。 1 986 年 , John C. Box 和 Alan P. Prosser 12] 提 出 [ 了 混 合 矿 物 与 混 合 溶 剂 的 浸 出 模 型 ; Bartlett 在 1992 年 提 出 了 简 单 扩 散 模 型 ; Dixson 和 Hendrix 在 1993 年 提 出 了 从 球 形 颗 粒 中 浸 出 多 种 固 体 反 应 物 的 数 学 模 型 ; 王 昌 汉 等 13] 根 据 能 斯 特 原 理 , 考 虑 溶 质 扩 散 速 度 和 溶 液 渗 流 速 度 的 关 系 , 即 由 浓 度 变 化 引 起 的 溶 浸 液 过 程 平 衡 条 件 的 破 坏 , 应 满 足 流 动 液 中 函 数 的 微 分 方 程 , 建 立 了 浸 出 动 力 学 方 程 ; E. Cariaga 等 [ ( 4) 气 相 、 固 相 、 液 相 及 温 度 场 、 浓 度 场 、 渗 流 场 直 接 或 间 接 交 互 作 用 , 浸 出 过 程 响 应 特 征 复 杂 。 ( 5) 浸 出 过 程 受 孔 隙 发 育 、 溶 液 流 动 、 溶 质 迁 移 、 沉 淀 等 过 程 控 制 , 耦 合 模 型 涵 盖 孔 隙 率 、 流 速 、 温 度 、 浓 度 等 多 个 变 量 , 函 数 关 系 难 以 确 定 。 [ 14] 学 者 同 时 考 虑 到 非 饱 和 堆 浸 体 系 中 溶 浸 液 和 空 气 的 两 相 流 动 , 建 立 了 描 述 堆 浸 过 程 两 相 流 动 的 数 学 方 程 。 国 内 也 有 人 对 堆 浸 的 渗 透 模 型 进 行 研 究 , 如 青 岛 建 筑 工 程 学 院 的 陈 喜 山 等 15] 应 用 渗 流 理 论 对 堆 浸 工 艺 中 溶 浸 液 在 矿 堆 中 的 渗 流 过 程 进 行 了 分 析 , 并 导 出 了 在 浸 润 面 上 、 饱 和 区 和 非 饱 和 区 内 溶 浸 液 的 渗 流 模 型 。 刘 金 枝 16] 等 研 究 了 倾 斜 底 垫 堆 场 渗 流 理 论 , 建 立 了 描 述 浸 润 面 形 态 的 数 学 模 型 方 程 , 并 通 过 数 值 计 算 和 数 据 拟 合 , 得 出 浸 润 面 为 椭 圆 抛 物 面 的 结 论 , 为 合 理 利 用 饱 和 区 和 堆 浸 筑 堆 提 供 指 导 。 以 上 模 型 均 是 基 于 宏 观 统 计 连 续 介 质 假 设 , 反 映 的 是 堆 浸 体 系 中 宏 观 渗 流 特 性 , 即 将 浸 堆 中 的 渗 流 视 为 黑 箱 问 题 , 通 过 输 入 和 输 出 结 果 建 立 渗 流 控 制 方 程 , 无 法 确 切 了 解 微 细 观 的 机 理 和 规 律 。 6ꢀ 结 ꢀ 论 ( 1) 应 对 堆 浸 体 系 中 矿 岩 散 体 的 多 尺 度 空 间 结 构 及 演 化 特 征 进 行 研 究 , 将 现 代 计 算 机 技 术 、 CT 技 术 和 图 像 处 理 技 术 应 用 到 传 统 采 矿 行 业 中 , 使 堆 浸 基 础 理 论 研 究 深 入 到 微 细 观 层 次 , 促 进 溶 浸 采 矿 研 究 手 段 和 方 法 的 新 发 展 。 [ [ ( 2) 深 入 分 析 堆 浸 过 程 中 多 因 素 耦 合 和 跨 尺 度 关 联 机 制 , 形 成 多 相 多 场 条 件 下 浸 出 体 系 的 响 应 机 理 , 将 进 一 步 丰 富 和 拓 展 溶 浸 采 矿 学 的 新 理 论 。 ( 3) 应 通 过 对 堆 浸 体 系 中 多 尺 度 效 应 和 多 过 程 耦 合 作 用 的 深 入 系 统 研 究 , 建 立 多 相 多 场 条 件 下 浸 出 体 系 的 动 态 响 应 模 型 , 提 出 微 细 观 浸 出 环 境 的 优 化 调 控 措 施 , 为 解 决 我 金 属 矿 溶 浸 开 采 回 收 率 低 、 浸 把 CT 技 术 与 数 字 图 像 处 理 技 术 相 结 合 , 并 应 出 周 期 长 等 难 题 提 供 技 术 指 导 。 ( 下 转 第 40 页 ) · 5· 总 第 406 期 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 金 ꢀ ꢀ 属 ꢀ ꢀ 矿 ꢀ ꢀ 山 ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ ꢀ 2010 年 第 4 期 有 限 特 殊 试 验 给 出 过 大 致 的 试 验 结 果 7] 。 因 此 , 对 [ 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 于 岩 石 弄 清 这 个 问 题 还 需 要 做 很 多 工 作 。 [ [ [ 1] ꢀ Sharon E, Fineberg J. Universal features of the microbranching in stability in dynamic fracture[ J] . Philos. Mag. B. , 1998, 78: 243 4 ꢀ 结 ꢀ 论 ( 1) 裂 纹 扩 展 速 度 高 速 阶 段 , 断 口 上 穿 晶 ( 如 台 2 51. 阶 、 河 流 状 、 羽 状 花 纹 ) 成 分 居 多 , 造 成 了 相 对 丰 富 的 花 样 细 节 ; 而 低 速 阶 段 , 因 为 耦 合 断 裂 模 式 中 沿 晶 成 分 更 明 显 , 形 成 的 断 口 形 貌 要 相 对 简 单 。 2] ꢀ Fineberg J, Gross S, Sharon E. Microbranching as an instability in dynamic fracture[ C] / / Nonlinear Analysis of Fracture. Kluwer Ac ademic: Dordrecht, 1997: 177189. 3] ꢀ RaviChandar K, Yang B. On the role of microcracks in the dynam ic fracture of brittle materials[ J] . J. Mech. Phys. Solids. , 1997, ( 2) 随 裂 纹 扩 展 速 度 增 大 , 试 样 表 面 主 裂 纹 侧 翼 形 成 的 微 开 裂 花 样 越 复 杂 : 高 速 阶 段 为 沿 晶 占 优 的 耦 合 断 裂 裂 纹 模 式 ; 较 低 速 度 为 较 单 一 的 微 裂 纹 , 以 晶 界 裂 纹 为 主 。 4 5: 535563. [ 4] ꢀ Brian N C, Gao Huajian, Dietmar Gross, et al. Modern topics and challenges in dynamic fracture[ J] . Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2005, 53: 565596. ( 3) 随 着 裂 纹 扩 展 速 度 增 大 , 裂 纹 扩 展 变 得 愈 [ 5] ꢀ 刘 彩 平 , 段 庆 全 . 焦 散 线 法 对 岩 石 类 介 质 的 实 用 性 研 究 [ J] . 金 属 矿 山 , 2009( 7) : 143146. 发 不 稳 定 , 裂 纹 扩 展 单 位 长 度 消 耗 的 能 量 ( 表 观 断 裂 能 ) 与 静 态 加 载 断 裂 情 形 有 差 异 。 从 能 量 角 度 解 释 了 随 着 裂 纹 扩 展 速 度 增 大 , 表 面 粗 糙 程 度 提 高 , 穿 晶 断 裂 成 分 比 例 增 大 , 裂 纹 微 分 叉 增 多 的 现 象 。 [ 6] ꢀ 谢 和 平 . 分 形 - 岩 石 力 学 导 论 [ M] . 北 京 : 科 学 出 版 社 , 1996: 1 90198. [ 7] ꢀ Sharon E, Fineberg J. Confirming the continuum theory of dynamic brittle fracture for fast cracks[ J] . Nature, 1999, 397: 333335. ( 收 稿 日 期 ꢀ 20100207) 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪[ 檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 10] ꢀ 邱 ꢀ 欣 , 池 奴 安 , 徐 盛 明 , 等 . 堆 浸 工 艺 及 理 论 的 研 究 进 展 J] . 金 属 矿 山 , 2000( 11) : 2023. ( 上 接 第 5 页 ) [ 参 ꢀ 考 ꢀ 文 ꢀ 献 [ [ 11] ꢀ 吴 爱 祥 , 王 洪 江 , 王 ꢀ 稢 . 大 型 排 土 场 细 菌 浸 出 新 工 艺 [ J] . 中 国 有 色 金 属 学 报 , 2006, 16( 6) : 11001107. [ [ 1] ꢀ 吕 兆 兴 , 冯 增 朝 , 赵 阳 升 . 孔 隙 介 质 三 维 逾 渗 机 制 数 值 模 拟 研 究 [ J] . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2007, 26( S2) : 40194022. 12] ꢀ Box J C, Prosser A P. A general model for the reaction of several minerals and several reagents in heap and dump leaching[ J] . Hy drometallurgy, 1986, 16: 7792. 2] ꢀ Wu Aixiang, Yang Baohua, Zhou Xu. Fractal analysis of granular ore media based on computed tomography image processing[ J] . Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2008, 18( 6) : [ [ 13] ꢀ 王 昌 汉 . 溶 浸 液 渗 滤 速 度 与 其 调 整 [ J] . 铀 矿 冶 , 2002, 21( 1) : 7 11. 15231528 14] ꢀ Cariaga E, Concha F, Sepulveda M. Flow through porous media with applications to heap leaching of copper ores[ J] . Chemical En gineering Journal, 2005, 111: 151165. [ 3] ꢀ 赵 阳 升 , 孟 巧 容 , 康 天 合 , 等 . 显 微 CT 试 验 技 术 与 花 岗 岩 热 破 裂 特 征 的 细 观 研 究 [ J] . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2008, 27( 1) : 2834. [ [ 15] ꢀ 陈 喜 山 . 论 堆 浸 工 艺 中 溶 浸 液 的 渗 流 速 度 [ J] . 黄 金 , 1997, 18 [ [ [ 4] ꢀ 尹 升 华 . 低 品 位 矿 石 生 物 浸 出 过 程 溶 质 迁 移 规 律 研 究 [ D] . 长 沙 : 中 南 工 业 大 学 , 2006. ( 12) : 3740. 16] ꢀ Liu Jinzhi, Wu Aixiang. Prediction of leaching rate in heap leac hing process by grey dynamic model GDM ( 1, 1) [ J] . Applied Mathematics and Mechanics: English Edition, 2008, 18: 183191. 17] ꢀ Lin C L, Miller J D, Garcia C. Saturated flow characteristics in column leaching as described by LB simulation[ J] . Minerals Engi neering, 2005, 18( 3) : 10451051. 18] ꢀ Yang Baohua, Wu Aixiang, Jiang Huaichun. Evolvement of perme ability of ore granular media during heap leaching based on image analysis[ J] . Transaction of Nonferrous Metals Society of China, 5] ꢀ 王 ꢀ 军 . 低 品 位 铜 矿 细 菌 浸 出 理 论 与 工 艺 研 究 [ D] . 长 沙 : 中 南 工 业 大 学 , 1999. 6] ꢀ Escoba B J, Jedlicki E T, A method for evaluating the proportion of free and attached bacteria in the bioleaching of chalcopyrite with thiobacillus ferrooxidans[ J] . Hydrometallurgy, 1996, 40: 110. 7] ꢀ McDonald G W, Udovic T J, Dumesic J A, et al. Equilibria associ ated with cupric chloride leaching of chalcopyrite concentrate[ J] . Hydrometallurgy, 1984, 13: 125135. [ [ [ [ [ 8] ꢀ 饶 敦 朴 . 矿 石 的 制 粒 堆 浸 [ J] . 黄 金 , 1992( 2) : 3537. 9] ꢀ 石 ꢀ 星 . 堆 浸 法 处 理 重 泥 质 金 矿 石 的 改 进 [ J] . 黄 金 , 1992 2 008, ( 18) : 426431. ( 收 稿 日 期 ꢀ 20100223) ( 12) : 4446. · 40·
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