稀土是国家重要战略资源,离子型稀土是中、重稀土的来源。目前离子型稀土主要采用化学溶浸的方法进行开采,浸矿剂用量是浸出率的主要影响因素。浸矿剂过少导致浸矿效率低,开采周期长;而浸矿剂用量过多,导致产生严重的环境污染以及增加生产成本,所以需要准确控制浸矿剂用量,保证离子型稀土矿绿色高效开采。精确控制浸矿剂用量需要从厘清浸矿机理出发,浸矿的实质是稀土离子在矿物的扩散双电层控制下发生吸附和解吸作用。Donnan模型基于扩散双电层中离子的Boltzmann分布,能解释矿物表面双电层的变化与离子浓度的相互关系。因此通过研究Donnan模型能为离子型稀土矿的浸矿过程提供更为精准的理论依据。 本研究采用不同的比表面积测试方法和电化学特性的测试,通过理论分析和计算验证,确定合适的参数测试方法。通过已知矿物基本参数,研究不同离子强度下Donnan模型参数(包括相对有效电荷系数β、表面电位φ₀、选择系数k)的变化规律,从而建立描述具体浸矿过程的Donnan模型,从而揭示浸矿机理;通过对Donnan模型的公式推导和理论分析,建立浸矿剂用量和浸出率关系的浸矿剂用量计算模型,并通过柱浸实验评价其效果。研究结果表明: (1)通过矿样比表面积测试发现:BET多点法、Langmuir法、亚甲基蓝法和甘油吸附法测得LN矿样、XF矿样、高岭土和蒙脱土的比表面积分别为11.08~39.47、15.78~47.63、13.08~20.67、66.54~862.4 m²/g,由于不同测试方法的吸附假设不同和矿物的晶层膨胀性导致比表面积数据存在明显差异。通过矿样表面电荷密度测试发现:电位滴定法和离子吸附法测得LN矿样、XF矿样、高岭土、蒙脱土表面电荷密度分别为-0.029~-1.188、0.172~-0.664、0.140~-1.059、0.229~-0.302 C/m²,表面电荷密度的变化随着p H、离子强度以及比表面积等因素变化而变化。 (2)研究不同离子强度下Donnan模型参数的变化,发现:用相关性系数R²对比表面积和表面电荷密度的选取进行评价,确定采用BET多点法和离子吸附法进行计算Donnan模型参数;相对有效电荷系数与离子强度呈现对数关系,镧离子相对有效电荷系数趋稳定于0.5,铵根离子稳定趋于1.5,四种矿物的表面电位在-27~-155m V之间变化,比表面积仅影响矿物表面电位的绝对值,不影响其变化趋势;选择系数随着铵根离子活度的增加而呈现反比例下降,采用Donnan模型拟合选择系数,R²均在0.9以上,说明采用Donnan模型能很好刻画离子型稀土矿的浸矿机理。 (3)基于Donnan模型,建立一个新的离子型稀土矿浸矿剂用量计算模型。研究发现,浸矿过程中铵根离子的消耗可以分为两部分(1)铵根离子(m₁)用于维持溶液浓度,形成浓度梯度(2)铵根离子(m₂)发生吸附作用并促进镧离子的解吸。通过对LN矿样和XF矿样的杯浸实验数据,确定Donnan模型中的选择系数(k)和交换比(ω),计算出不同浸取率所需的浸矿剂用量。通过柱浸实验验证表明,目标浸取率与实际浸取率之间的误差小于2%,表明该模型的可靠性。