原地浸矿工艺在我国南方离子吸附型稀土资源的回收利用中已实现大规模工业化应用,然而,经过多年的现场实践表明,在实际开采中该工艺仍存在一系列亟待解决的核心问题。其一,由于矿体复杂的区域地质条件,导致浸矿液渗透不均匀,严重降低了稀土资源的回收率;其二,由于持续注液压力的作用下,矿体内部渗流通道不顺畅,极易引发山体滑坡等次生地质灾害。由此可见,原地浸矿工艺推广应用所面临的技术难题,均与浸矿液在矿体内部是否能够实现全面良好运移渗透息息相关。因此,本研究以南方离子吸附型稀土矿为研究对象,采用表面活性剂复配浸矿溶液形式,结合室内实验与理论分析,探究表面活性剂种类及其浓度变化对矿土颗粒结构及浸矿过程中矿体渗透性变化规律及影响机理,主要研究内容和结论如下: (1)通过硫酸镁溶液与清水对照柱浸试验表明,在使用硫酸镁溶液浸矿的过程中,试样矿体的渗透性在有效浸矿时间内持续下降。结合核磁共振测试结果,发现使用硫酸镁溶液柱浸时,试样矿体内部发生了离子交换反应,且在离子交换反应区域出现了颗粒聚集现象。进一步结合矿体的微观图像,可以看出使用硫酸镁溶液浸矿后,矿体颗粒表面形成了大量的片状结构物,堵塞了浸矿液的孔隙通道,从而导致试样矿体孔隙度的持续下降。基于DLVO(Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek)理论分析认为,硫酸镁溶液浸矿过程中,离子交换反应引起了稀土矿体颗粒的团聚,不利于浸矿液在矿体内部的渗透。 (2)为了探明表面活性剂类型及其浓度变化对矿土颗粒结构的影响,选用粒径小于1 mm的矿土颗粒为研究对象,将不同质量浓度的十二烷基硫酸钠(SDS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、椰油酰胺丙基羟磺酸甜菜碱(CHSB)和吐温40(Tween40)四种表面活性剂溶液分别与质量浓度为2%的硫酸镁溶液进行复配,结合激光粒度分析仪开展表面活性剂对矿体颗粒分散行为的影响试验。结果表明,四种表面活性剂复配溶液均具有分散稀土矿体颗粒的特性,且当添加浓度在0.01~0.07%时,Tween40的复配溶液分散效果较好,SDS次之,CTAB的分散效果最差;而当添加浓度大于0.07%时,Tween40的复配溶液分散效果较好,SDS次之,CTAB的分散效果仍然是最差的。 (3)基于四种表面活性剂对稀土矿土颗粒存在分散的特性,将四种表面活性剂再次与质量浓度为2%的硫酸镁溶液进行复配,以复配溶液作为浸矿液开展室内柱浸试验,并以单纯硫酸镁溶液浸矿组作为对照试验,探究表面活性剂在柱浸过程中对稀土矿体渗透性的影响。结果表明,四种表面活性剂复配溶液均可以在一定程度上缩短试样矿体内部稳定流场形成所需时间,相较于单纯使用质量浓度为2%硫酸镁溶液浸矿时,形成稳定流场时间至少能够提前2~3小时,因此,四种表面活性剂复配溶液均能在一定程度上缩短试样矿体内部稳定流场形成所需的时间。与单独使用质量浓度为2%硫酸镁溶液浸矿相比,四种复配溶液能够将稳定流场的形成时间提前至少2~3小时。且四种表面活性剂复配溶液的助浸效果随其浓度变化规律与其分散能力一致,分散能力越强,其形成稳定流场所需时间越短,对离子型稀土矿体的助浸作用越显著。分析认为,四种表面活性剂复配溶液对离子型稀土矿体助浸作用最佳复配质量浓度均在0.05~0.07%。在此浓度下,可有效加快试样矿体稳定流场形成,且减少浸矿剂的消耗量。 (4)基于四种表面活性剂复配溶液的助浸特性,选择质量浓度为0.05%的表面活性剂与硫酸镁溶液进行复配,为探究表面活性剂对不同粒级矿土助浸作用,利用不同粒径级配的试样开展柱浸试验,通过核磁共振及扫描电镜等测试分析手段,分析表面活性剂对不同粒径级配试样内部矿土颗粒的影响,结合DLVO理论分析其内在作用机理。结果表明,采用四种复配溶液浸矿,均可加快溶液渗流速度,缩短形成稳定流场所需时间,但不同粒径级配试样表面活性剂的分散能力与强化效果有所不同,与其对矿体颗粒界面性质的改变协同相互作用有关。且浸矿溶液中的阳离子对离子型稀土矿物表面结构存在较大影响,其中,清水柱浸下稀土矿物表面赋存大量针状物结构,而使用浸矿溶液浸矿时,随着浸矿溶液分散能力越强,针状物质数量越少;反之,团聚效果越好,针状物质赋存数量越多。