离子型稀土矿浸出过程的渗流—反应—应力耦合研究

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稀土元素都具有较高的经济价值,随着如今科技的高速发展,在新材料、新能源等领域的应用逐渐广泛,世界各国对稀土资源的需求日益增长,已经成为各国的战略资源。因此对于稀土矿的开采与利用国内外的学者已经做了大量的研究,在原地浸矿工艺流程中得出了很多有益的结论,但目前的原地浸矿技术依然存在浸出周期长、回收率不高等问题,对于稀土产业可持续性发展有所制约。而考虑到原地浸出工艺的原理,浸出过程就是化学反应参与,同时伴随着多种物理场的作用的渗流过程,为了能够反映复杂的浸出过程,结合岩土力学,化学反应动力学,多孔介质中的流体力学以及溶质运移等方面设计应力渗透浸出试验,通过渗透仪器控制不同注液压,轴压围压来模拟原地浸出在注液过程中受到应力作用的环境,以此来探究浸出过程中注液压,轴压,围压,对渗流运动和浸出规律的影响;同时通过COMSOL Multiphysics软件将多孔介质流体动力学、化学反应动力学和岩土力学相结合,建立渗流-反应-应力耦合数值模型,分别研究注液压、轴压、围压三种不同载荷对柱浸过程中渗流场、浓度场和应力场分布的时空演化规律。以下为主要研究结论:(1)首先对于柱浸过程中,浸取剂流入矿柱受到不同大小的注液压作用,在三轴渗透实验的结果中观察可知,当注液压为10 k Pa时,浸出液到达峰值浓度的时间为339min,当注液压增大至50 k Pa时达峰时间为79 min,且10 k Pa的峰值浓度大于50 k Pa时的浓度,说明增大注液压能够增加流体在矿体孔隙中的渗流速度,有利于减少浸出周期;但分析流出矿体的浸出液中的RE3+峰值浓度数据可以得出,注液压的增大使得浸出液的RE3+峰值浓度有较小程度降低。(2)矿柱在受到轴向应力时,矿体会在轴向产生应变,矿柱形状的改变使得内部的孔隙分布变得更加紧密,在对浸出实验的结果中分析可以看出增大轴压使得矿柱的渗透系数有所减小,当轴压为50 k Pa时,浸出液到达峰值浓度的时间为186 min,当轴压增大至50 k Pa时达峰时间为271 min,阻碍了浸取剂在稀土矿中的渗流运动,从而浸出周期有所延长;在模拟计算中矿柱的几何模型随着轴压的增大,纵向高度逐渐减小,矿柱内的浸出液位置分布差距较小,而浸出液RE3+峰值浓度随着轴压的增大有所增大,轴压为50 k Pa和250 k Pa的峰值浓度差为0.36 g/L,说明增大轴压对稀土浸出率有所提高。(3)对于围压作用于矿柱的浸出过程,其机理同轴压相似,在径向改变矿柱的几何形状和孔隙结构,减小矿柱的渗透系数,当围压为50 k Pa时,浸出液到达峰值浓度的时间为132 min,当围压增大至50 k Pa时达峰时间为339 min,较轴压作用对浸取剂的渗流运动影响程度更大,同时对模拟结果进行分析可知,围压为50 k Pa和250 k Pa的RE3+峰值浓度差为0.51 g/L,增大围压对浸出液浓度峰值的增大效果较轴压更大,说明增大围压能在较大程度上提高浸出率。
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