CN117167010A - 一种采用直流电开采稀土矿的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种采用直流电开采稀土矿的方法及系统，其中系统包括：注液孔，在开采区域布置至少3排和至少1列的注液孔；电极，在所述注液孔内布置电极，每排电极并联连接通电控制系统；浸取剂，向注液孔内添加浸取剂；通电控制系统，将开采区划分为M等份(M为正整数)，采用1至M的周期轮换通电方法给电极通电。优选的，M≥2(M为正整数)，在第N(N≤M)个通电周期时，将所有第M╳n+N(n＝0,1,2,3,……)排电极接通电源正极，将所有M╳n+N+1(n＝0,1,2,3,……)排电极接通电源负极；相比于给所有区域持续通电，周期性轮换通电方法至少节约了(M‑1)/M的耗电量，且稀土开采效率提高。
Description
技术领域
本发明涉及离子型稀土开采技术领域，尤其涉及一种采用直流电开采稀土矿的方法及系统。
背景技术
CN109402417A中提出采用电法开采，主要包括在稀土矿山体分别插入阳极注液管和阴极集液管，且阴极集液管的插入位置低于阳极注液管的插入位置；在阳极注液管和阴极集液管之间通直流电；以提高稀土提取率和缩短开采时间。
然而，实际的矿山规模较大，需要给多组电极同时通电工作，电极布置及通电方案存在很大问题，且所需耗电量较大、变压器功率大。
此外，在持续通电的过程中，会在电极表面积累过剩的电荷，阻碍通电开采稀土。
另一方面，由于水被电解，在阳极产生H+减弱电渗流，在阴极产生OH-，导致稀土离子沉淀，二者均降低稀土开采效率且污染土壤。
更不利的是，持续通电减少了浸取剂和稀土离子交换的时间，降低了稀土浸出率。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种采用直流电开采稀土矿的方法及系统，其旨在改善现有的通电开采稀土矿的方法中持续通电造成的电极极化、电解产生酸碱，降低通电开采效率，以及功率需求高、能耗大等问题。
本发明采用如下技术方案：
一种采用直流电开采稀土矿的方法，包括：
步骤1.在开采区域布置至少3排和至少1列的注液孔，并在所述注液孔内布置电极，将每排电极并联后分别连接到通电控制系统上；
步骤2.向注液孔内添加浸取剂，而后采用通电控制系统依据设定的通电方式在所述电极之间施加直流电；
其中，通电方式为周期性轮换通电；
所述周期性轮换通电是指，将所述开采区域划分为M等份(M为正整数)，采用通电控制系统进行1至M的周期轮换通电。
优选的，M≥2(M为正整数)，在第N(N≤M)个通电周期时，将所有第M╳n+N(n＝0,1,2,3，……)排电极接通电源正极，将所有M╳n+N+1(n＝0,1,2,3，……)排电极接通电源负极。
在本申请的一实施例中，所述周期性轮换通电至少大于2周期。
在本申请的一实施例中，所述注液孔的排数依据开采区域面积决定，所述每排注液孔的间距为0.5-3米。
可选的，每排注液孔的间距为1米。
在本申请的一实施例中，所述注液孔的列数依据开采区域面积决定，所述每列注液孔的间距为0.5-3米。
可选的，每列注液孔的间距为1米。
在本申请的一实施例中，所述注液孔的深度依据风化壳的厚度决定。
可选的，所述注液孔的深度为5-50米。
在本申请的一实施例中，所述电极的布置深度依据注液孔的深度决定。
可选的，所述电极布置的深度为5-50米。
可选的，所述浸取剂包括硫酸铵、氯化铵、乙酸铵、柠檬酸铵、氯化钙、硫酸镁、硫酸钾、硫酸钠、氯化钾、氯化钠中的至少一种。
在本申请的一实施例中，所述正负电极之间施加电压使矿体中的电压梯度为10-200V/m。
在本申请的一实施例中，每周期通电时间为0.1-24小时。
一种采用直流电开采稀土矿的系统，包括：
注液孔，在开采区域布置至少3排和至少1列的注液孔；
电极，在所述注液孔内布置电极，每排电极并联连接通电控制系统；
浸取剂，向注液孔内添加浸取剂；
通电控制系统，将开采区划分为M等份(M为正整数)，采用1至M的周期轮换通电方法给电极通电。
优选的，M≥2(M为正整数)，在第N(N≤M)个通电周期时，将所有第M╳n+N(n＝0,1,2,3，……)排电极接通电源正极，将所有M╳n+N+1(n＝0,1,2,3，……)排电极接通电源负极。
周期性轮换通电至少大于2周期。
本发明的有益效果：
相比于给所有开采区域同时通电，该轮换通电方案减少了开采过程的用电功率需求，降低了变压器等建设成本。在周期性轮换通电的过程中，每一排电极均被轮流通电源正极和负极，出现电极转换现象，例如在3等份3周期(M＝3)通电过程中，第1(N＝1)个周期时其中的1电极接正极，2排电极通负电，……；第2个周期，2排电极通正电，3排电极通负电，……；第3个周期，3排电极通正电，4排电极通负电，……。该电极转换现象一方面有利于消除极化，降低持续通电过程产生的电荷积累，防止影响开采效率，另一方面能够自动中和电解产生的H+和OH-，防止土壤污染。同时，在周期性轮换通电的过程中，未通电区域浸取剂和土壤中的稀土离子能够发生充分交换，从而提高稀土浸取率。相比于给所有区域持续通电，周期性轮换通电方法不仅节约了耗电量，且稀土开采率提高。
附图说明
图1为实施例1所采取的3周期轮换通电方案示意图；
图2为实施例1与对比例1耗电量对比图；
图3示出了实施例1与对比例1稀土提取率对比图；
图4示出了实施例2所采取的4周期轮换通电方案示意图；
图5示出了实施例2与对比例2耗电量对比图；
图6示出了实施例2与对比例2稀土提取率对比图；
图7为本发明的步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图7所示，一种采用直流电开采稀土矿的方法，包括：
在开采区域布置至少3排和至少1列的注液孔，并在所述注液孔内布置电极；将每排电极并联后分别连接到通电控制系统上；
向注液孔内添加浸取剂，而后采用通电控制系统依据设定的通电方案在所述电极之间施加直流电。
其中，所述通电方案为周期性轮换通电；
所述周期性轮换通电包括将通电开采区域划分为M等份，采用通电控制系统进行1至M周期轮换通电。
优选的，所述将通电开采区域划分为M等份，M≥2，所述通电开采区域可划分为2，3，4，5，……等份。
其中，所述采用通电控制系统进行1至M周期轮换通电，在N(1≤N≤M)个通电周期，将所有第M×n+N(n＝0，1，2，3，……)排电极接通电源正极，将所有第M×n+N+1(n＝0，1，2，3，……)排电极接通电源负极。
作为示例地，在3周期轮换通电的第2个周期时(即总共通电3次，第2次的情况)，通电控制系统会将第给第2、5、8、11、14、……、3n+2排电极接通电源正极，给第3、6、9、12、15、……、3n+2+1排接通电源负极。
又例如，在4周期轮换通电的第3个周期(即总共通电4次，第3次通电的情况)，通电控制系统会将第3、7、11、15、19、……、4n+3排电极接通电源正极，将4、8、12、16、20、……、4n+3+1排接通电源负极。
在开采区域布置至少3排的注液孔，例如注液孔可以为3排、4排、5排、50排、1000排等，注液孔的排数依据开采区域面积决定，每排注液孔的间距为0.5-3米，例如可以为0.5米、1米、2米或者3米。
注：注液孔至少为3排的原因是最低需要执行2周期轮换通电，2排注液孔实际上仅有1个周期，不存在轮换通电的概念。
在开采区域布置至少1列的注液孔，例如注液孔可以为1列、4列、5列、50列、1000列等，注液孔的列数依据开采区域面积决定，每列注液孔的间距为0.5-3米，例如可以为0.5米、1米、2米或者3米。当存在多列注液孔时，可以将至少1列的注液孔内电极并联。具体地，可以为3列并联、5列并联、10列并联、50列并联等，并联的列数依据并联电缆能承受的电流大小决定。
在注液孔内布置电极。
本发明的方法不限定每个注液孔内电极的正负极，当通电控制系统实现正负极自由切换时，同一个注液孔内的电极会从用作电源正极变化为用作电源负极。或者从用作电源负极变化为用作电源正极。这减少了通电控制系统所需的分电源数量，例如，原通电过程10排注液孔需要9个独立电源才能实现12、23、34、……910排的通电控制，但在本通电控制系统中，由于正负极可转换，仅需要5个分电源即可提供10排接线。
在实际的矿山开采过程中，由于矿山规模较大，需要给多组电极同时通电工作。传统的通电开采过程中注液孔内的电极固定连接电源正极或者负极，持续通电的过程中，会在电极表面积累过剩的电荷，阻碍通电开采稀土。另一方面，由于水电解，在阳极产生H+减弱电渗流，在阴极产生OH-，导致稀土离子沉淀，二者均降低稀土开采效率，且污染土壤。此外，持续通电减少了浸取剂和稀土离子交换的时间，降低稀土浸出率。
周期性轮换通电次数至少大于2个周期，例如可以为2周期轮换通电、3周期轮换通电、4周期轮换通电。对应地，2周期轮换通电、3周期轮换通电、4周期轮换通电将通电开采区域划分成了2等份，3等份和4等份。
相比于给所有开采区域同时通电，该周期性轮换通电方案将电动开采划分为了2等份、3等份、4等份、……，每周期通电过程减少了电动开采的用电功率需求，降低了变压器建设成本、电极布置复杂要求(需要根据实际勘测找出阳极电极位置和阴极电极位置，现不需要这样设计)和电线电缆长度(原电极固定为阳极分布在山顶，而阴极分布在山腰，现在全部分布在山顶即可，电线电缆的长度可减少)。同时，在周期性轮换通电的过程中，未通电区域浸取剂和土壤中的稀土离子能够发生充分交换，从而提高稀土浸取率。
每周期通电区域划分及正负极接通电极依据本发明公式示出：
在第N(1≤N≤M)个通电周期，将所有第M×n+N(n＝0，1，2，3，……)排电极接通电源正极，将所有第M×n+N+1(n＝0，1，2，3，……)排电极接通电源负极。
在该通电方案中，每一排电极均被轮流接通电源正极和负极，出现电极转换现象，一方面有利于消除极化，降低持续通电过程产生的电荷积累，防止影响通电开采效率，另一方面能够自动中和电解产生的H+和OH-，防止土壤污染。值的注意的是，本发明通电方案的电极反转并非传统意义的两组固定电极之间的电极对换，而是跨电源电极反转。即上一组电源的负极变为正极，下一组电源的正极变为负极，上一组电源和下一组电源之间重新形成一组新的电源。
依据本发明通电方案，在任意周期内稀土离子的迁移方向总是一致的，不会出现电流方向倒转，稀土离子反向迁移的情况。如脉冲通电时在固定电源两级之间将正负极对换，虽然能有效缓解电极极化，但是在反向通电时间内会导致部分离子反向扩散，降低稀土迁移效率。
同时，相比于给所有区域持续通电，不仅稀土开采效率得到了提高，在3周期性轮换通电方案的实施例中节约了2/3的耗电量，在4周期性轮换通电方案的实施例中节约了3/4的耗电量。
注液孔的深度依据风化壳厚度决定，其深度范围为地表到半风化层上方，可以为5米、10米、20米或者30米。
本发明电极布置的深度则依据注液孔的深度决定，其深度范围为注液孔内富矿层范围，可以为5米、10米、20米或者30米。
本发明方法所使用的浸取剂包括铵盐、钙盐、镁盐、钠盐或者钾盐；进一步地，本实施例中浸取剂包括硫酸铵、氯化铵、乙酸铵、柠檬酸铵、氯化钙、硫酸镁、硫酸钾、硫酸钠、氯化钾、氯化钠中的至少一种。
在两极之间施加电压，土壤中的稀土离子在电场作用下发生定向迁移，基于实验结果，矿体中的电压梯度为10-200V/m时，有利于稀土离子的向阴极流动。矿体中电压梯度可以为10V/m、20V/m、50V/m、60V/m、100V/m、150V/m或者200V/m等等。
如上所述，周期性轮换通电，每周期通电时间为0.1-24小时，如每周期可以通电0.1小时、1小时、2小时、4小时、8小时、12小时、16小时、20小时、24小时，通电过程可监测阳极和阴极pH，当阴极pH呈碱性，稀土离子开始沉淀时，可以切换到下一周期通电。
本申请还提供一种采用直流电开采稀土矿的系统，包括在开采区域布置至少3排和至少1列的注液孔，并在所述注液孔内布置电极；将每排电极并联后分别连接到通电控制系统上；
向注液孔内添加浸取剂，而后采用通电控制系统依据设定的周期性轮换通电在所述电极之间施加直流电。
其中，所述周期性轮换通电包括将通电开采区域划分为M(M≥2)等份，采用控制系统进行1至M周期轮换通电。如可以将通电开采区域划分为2，3，4，……等份。则对应地，需要执行2周期轮换通电、3周期轮换通电、4周期轮换通电或者5周期轮换通电。
相比于给所有开采区域同时通电，该周期性轮换通电方案将通电开采划分为了2等份、3等份、4等份或者5等份，每周期通电过程减少了通电开采的用电功率需求，降低了变压器建设、电极布置难度和电线电缆长度。同时，在周期性轮换通电的过程中，未通电区域浸取剂和土壤中的稀土离子能够发生充分交换，从而提高稀土浸取率。
每周期通电区域划分及正负极接通电极依据本发明公式示出：
在第N(1≤N≤M)个通电周期，将所有第M×n+N(n＝0，1，2，3，……)排电极接通电源正极，将所有第M×n+N+1(n＝0，1，2，3，……)排电极接通电源负极。
作为示例地，在3周期轮换通电的第2个周期时(即总共通电3次，第2次的情况)，通电控制系统会将第给第2、5、8、11、14、……、3n+2排电极接通电源正极，给第3、6、9、12、15、……、3n+2+1排接通电源负极。
又例如，在4周期轮换通电的第3个周期(即总共通电4次，第3次通电的情况)，通电控制系统会将第3、7、11、15、19、……、4n+3排电极接通电源正极，将4、8、12、16、20、……、4n+3+1排接通电源负极。
在本发明的通电方案中，每一排电极均被轮流接通电源正极和负极，出现电极转化现象，一方面有利于消除极化，降低持续通电过程产生的电荷积累，防止影响通电开采效率，另一方面能够自动中和电解产生的H+和OH-，防止土壤污染。
但是，本发明的电极反转并非传统意义的两组固定电极之间的电极对换，本发明实现的时跨电源电极反转，即上一组电源的负极变为正极，下一组电源的正极变为负极，上一组电源和下一组电源之间重新形成一组新的电源。
依据本通电方案，在任意周期内稀土离子的迁移方向总是一致的，不会出现电流方向倒转，稀土离子反向迁移的情况。如脉冲通电时在固定电源两极之间将正负极对换，虽然能有效缓解电极极化，但是在反向通电时间内会导致部分离子反向扩散，降低稀土迁移效率。
同时，相比于给所有区域持续通电，不仅稀土开采效率提高，耗电量降低了20％-80％。
实施例1
本实施例提供一种采用直流电开采稀土矿的方法，在广东省梅州市仁居矿区进行实验；通电开采稀土矿的方法包括：
(1)布置注液孔和电极：在长15米、宽10米的试验区内均匀布置16排11列共176个注液孔，注液孔上下左右间距均为1米，注液孔深度为24米，每个注液孔内布置12米长的电极，电极深度范围从注液孔最底部向上12米覆盖富矿层，电极上方采用13米电线接出，每排11列的电极并联后连接到控制系统上。
(2)注入浸取剂：向注液孔内通入质量分数为2.5％的硫酸铵溶液，硫酸铵总用量为稀土离子总量的3倍。
(3)通电：采用3周期轮换通电方式进行通电，图1示出了3周期轮换通电方案示意图，表1示出了3周期轮换通电过程中第1周期、第2周期和第3周期电极接通情况，每周期通电时间为1h，电压梯度为60V/m。
表1
(4)收液：在开采区域底部布置千米钻孔用于收集通电开采稀土母液。
通电开采过程功率需求约为4kW，1个月收集了1.56吨稀土，稀土采收率为94％，总耗电为2534kW·h。
对比例1
本对比例提供一种通电开采稀土矿的方法，在广东省梅州市仁居矿区进行实验；该方法与实施例1的区别在于步骤(3)；在本对比例中：(3)按照正负……正负的方式给所有电机持续通电1个月。
该对比例通电开采过程功率需求约为11kW，1个月收集了0.21吨稀土，稀土采收率为13％，总耗电为7603kW·h。
如图2、图3所示，从对比例1与实施例1可以看出，实施例1提供的方法比对比例1稀土采收率提高了81％，耗电量降低了67％，功率需求降低了64％。对比例1由于给所有区域持续通电，长时间通电过程产生了强烈的极化和电解，且正负正的电极布置和通电方案，至少有一半的稀土需克服重力反向迁移至负极，降低了稀土提取率。此外，耗电量增加，功率需求增大。
实施例2
本实施例提供一种通电开采稀土矿的方法，在广东省梅州市仁居矿区进行实验；该方法与实施例1的区别在于步骤(1)、(2)与(3)；在本实施例中：
(1)布置注液孔和电极：在长30米宽24米的试验区内均匀布置21排17列共357个注液孔，注液孔上下左右间距均为1.5米，注液孔深度为15米，每个注液孔内布置8米长的电极，电极深度范围从注液孔最底部向上8米覆盖富矿层，电极上方采用7米电线接出，每排17列的电极并联后连接到控制系统上。
(2)注入浸取剂：向注液孔内通入摩尔浓度为0.2M的硫酸铵溶液，硫酸铵总用量为稀土离子总量的4倍。
(3)通电：采用4周期轮换通电方案进行通电，图4示出了4周期轮换通电方案示意图，表2示出了4周期轮换通电过程中第1周期、第2周期、第3周期和第4周期电极接通情况，每周期通电时间为2h，电压梯度为90V/m。
表2
通电开采过程功率需求约为6kW，2个月收集了3.71吨稀土，稀土采收率为91％，总耗电为13320kW·h。
对比例1
本对比例提供一种通电开采稀土矿的方法，在广东省梅州市仁居矿区进行实验；该方法与实施例2的区别在于步骤(3)；在本对比例中；(3)通电：按照正负……正负的方式给所有电极持续通电2个月。
该对比例通电开采过程功率需求约为25kW，2个月收集了1.57吨稀土，稀土采收率为38％，总耗电为36000kW·h。
如图5、图6所示，从对比例2与实施例2可以看出，实施例2提供的方法比对比例2稀土采收率提高了53％，耗电量降低了63％，功率需求降低了76％。
综上可以看出，本发明实施例提供的方法中，采用周期性轮换通电方案能够明显提高稀土采收率、降低耗电量和功率需求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种采用直流电开采稀土矿的方法，其特征在于，包括：
步骤1.在开采区域布置至少3排和至少1列的注液孔，并在所述注液孔内布置电极，将每排电极并联后分别连接到通电控制系统上；
步骤2.向注液孔内添加浸取剂，而后采用通电控制系统依据设定的通电方式在所述电极之间施加直流电；
其中，所述通电方式为周期性轮换通电；
所述周期性轮换通电是指，将所述开采区域划分为M等份，M≥2，M为正整数，采用通电控制系统进行1至M的周期轮换通电；
并且，在第N个通电周期时，其中N≤M，将所有第M╳n+N(n＝0，1,2，3，……)排电极接通电源正极，将所有M╳n+N+1(n＝0，1，2，3，……)排电极接通电源负极。
2.根据权利要求1所述的采用直流电开采稀土矿的方法，其特征在于，所述周期性轮换通电至少大于2周期。
3.根据权利要求1所述的采用直流电开采稀土矿的方法，其特征在于，所述注液孔的排数依据开采区域面积决定，所述每排注液孔的间距为0.5-3米；
可选的，每排注液孔的间距为1米。
4.根据权利要求1所述的采用直流电开采稀土矿的方法，其特征在于，所述注液孔的列数依据开采区域面积决定，所述每列注液孔的间距为0.5-3米。
可选的，每列注液孔的间距为1米。
5.根据权利要求1所述的采用直流电开采稀土矿的方法，其特征在于，所述注液孔的深度依据风化壳的厚度决定；
可选的，所述注液孔的深度为5-50米。
6.根据权利要求1所述的采用直流电开采稀土矿的方法，其特征在于，所述电极的布置深度依据注液孔的深度决定；
可选的，所述电极布置的深度为5-50米。
7.根据权利要求1所述的采用直流电开采稀土矿的方法，其特征在于，所述浸取剂包括硫酸铵、氯化铵、乙酸铵、柠檬酸铵、氯化钙、硫酸镁、硫酸钾、硫酸钠、氯化钾、氯化钠中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的采用直流电开采稀土矿的方法，其特征在于，所述正负电极之间施加电压使矿体中的电压梯度为10-200V/m。
9.根据权利要求1所述的采用直流电开采稀土矿的方法，其特征在于，每周期通电时间为0.1-24小时。
10.一种采用直流电开采稀土矿的系统，其特征在于，包括：
注液孔，在开采区域布置至少3排和至少1列的注液孔；
电极，在所述注液孔内布置电极，每排电极并联连接通电控制系统；
浸取剂，向注液孔内添加浸取剂；
通电控制系统，将开采区划分为M等份，M≥2，M为正整数，采用1至M的周期轮换通电方法给电极通电；
在第N个通电周期时，N≤M，将所有第M╳n+N(n＝0,1,2,3,……)排电极接通电源正极，将所有M╳n+N+1(n＝0,1,2,3,……)排电极接通电源负极；
通电周期至少大于2周期。
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