尹升华等：硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟 497. 1.2试验原理 本次试验预先在制粒材料中添加适量的 NaCL,拟用NaCI溶解于水的过程模拟浸矿过程， 即金属铜从固态矿粒转移至液态溶液中.在实际 的硫化铜矿石溶浸过程中，往往使用酸性溶剂进 行溶浸，硫化铜溶解在酸性溶液中，而矿石其他成 分无法溶解，经固液分离即可达到提取铜的目的： 在本试验中，将制备好的矿粒溶浸在水中时， 图2试验矿粒.(a)溶浸时：(b)晾干后 NaCI极易溶解在水中，而矿粉等材料是不溶于水 Fig.2 Photographs of mineral agglomerate used in the test:(a)during 的.以上两个“溶解”过程就矿粒结构变化而言是 leaching;(b)after drying 相同的 三维扫描成像系统(nano Voxel3502E)获取矿粒各 基于NaCI的溶解作用，矿粒内部会产生新的 切面扫描图像，试验保证溶浸前后两次CT扫描各 孔隙并发生一系列变化.一方面，附着在NaCl上 参数完全相同.扫描原图如图3所示，其中，黑色 的矿石颗粒随NaCI溶解离开矿粒，掉落下来；另 部分代表矿粒内部的孔隙，白色部分表示矿粒中 一方面，矿粒表面及孔隙周围的矿石颗粒受溶液 的金属成分，灰色部分表示矿粒中的矿石 渗流流动压力的作用发生掉落.在试验溶浸过程 中，由于固态NaCl溶解和矿石颗粒的掉落，矿粒 (a) (b) 内部结构及孔隙结构发生变化，溶液渗流受路径 及场所变化的影响发生变化，用以模拟硫化铜矿 石溶浸过程中发生的变化. 1.3试验方案 选择合适的制粒黏结剂与试验矿粉混合均 匀，并添加质量分数为30%的NaCL,在100g的制 粒材料中加入30g水进行制粒，后经干燥熟化等 图3扫描原图.(a)浸出前：(b)浸出后 工序制好矿粒.选择一个形态较好的矿粒进行第 Fig.3 Original CT scan images of mineral agglomerate:(a)before 一次CT扫描.将试验矿粒放置在塑料圆桶中，添 leaching.(b)after leaching 加去离子水直至没过矿粒，浸泡矿粒，7d后取出 由CT扫描原图对比可得，经过7d时间的溶 矿粒并晾干，将矿粒进行第二次CT扫描.基于此， 浸，矿粒的整体形态发生了变化，溶浸前矿粒呈较 得到矿粒两次CT扫描的图像 为规整的椭圆形，内部孔隙（黑色部分）较少，且分 布较为分散：溶浸后矿粒整体形态极其不规则，孔 2分析与讨论 隙数目增多，且面积增大.这说明经过溶浸，矿粒 2.1矿粒的制备 内部的孔隙明显增多.基于CT扫描得到的数据， 以硫化铜矿石为试验原料，开展制粒试验，探 可得溶浸前后矿粒3个方向上的尺寸，浸矿前为 究最佳黏结剂及最佳制粒条件.通过比较相同试 23.08mm×24.73mm×26.38mm.浸矿后为24.76mm× 验条件下矿粒平均粒径以及酸浸下发生破裂的时 24.76mm×27.41mm,矿粒的三维尺寸均增大了，即 间，综合考虑制粒黏结效果、黏结剂的易得性及成 矿粒发生了膨胀.矿粒发生膨胀是由以下3个方 本等因素，选择SFS-2作为本次试验的制粒黏结 面的变化引起的：(1)矿粒中的固态NaCI溶解在 剂，SFS-2黏结剂中包括：硅酸钠、生石灰、粉煤 水中，矿粒内孔隙增大、增多，导致矿粒体积增大； 灰及水泥：通过比较矿粒湿强度、矿粒抗压强度和 (2)由于NaCI的溶解，紧紧附着其上的矿粉颗粒 酸浸时间，确定制粒最佳条件为：黏结剂添加量为 掉落至水中，矿粒内部结构发生了较大变化，矿石 16g,熟化加酸量为25kgt,制粒喷水量占矿粉质 颗粒之间的排列分布发生了变化，导致整体矿粒 量的30%.基于以上制粒试验结果，制备浸出试验 膨胀：(3)黏结剂中的生石灰与水发生反应，生成 所用矿粒，如图2所示 了Ca(OH)2沉淀附着在矿粒上，导致矿粒体积增 2.2孔隙模型重构 大，整体效果表现为膨胀 本次试验，采用北京科技大学高分辨X射线 首先对CT扫描原图像进行图像预处理，以消1.2    试验原理 本次试验预先在制粒材料中添加适量 的 NaCl，拟用 NaCl 溶解于水的过程模拟浸矿过程， 即金属铜从固态矿粒转移至液态溶液中. 在实际 的硫化铜矿石溶浸过程中，往往使用酸性溶剂进 行溶浸，硫化铜溶解在酸性溶液中，而矿石其他成 分无法溶解，经固液分离即可达到提取铜的目的； 在本试验中 ，将制备好的矿粒溶浸在水中时 ， NaCl 极易溶解在水中，而矿粉等材料是不溶于水 的. 以上两个“溶解”过程就矿粒结构变化而言是 相同的. 基于 NaCl 的溶解作用，矿粒内部会产生新的 孔隙并发生一系列变化. 一方面，附着在 NaCl 上 的矿石颗粒随 NaCl 溶解离开矿粒，掉落下来；另 一方面，矿粒表面及孔隙周围的矿石颗粒受溶液 渗流流动压力的作用发生掉落. 在试验溶浸过程 中，由于固态 NaCl 溶解和矿石颗粒的掉落，矿粒 内部结构及孔隙结构发生变化，溶液渗流受路径 及场所变化的影响发生变化，用以模拟硫化铜矿 石溶浸过程中发生的变化. 1.3    试验方案 选择合适的制粒黏结剂与试验矿粉混合均 匀，并添加质量分数为 30% 的 NaCl，在 100 g 的制 粒材料中加入 30 g 水进行制粒，后经干燥熟化等 工序制好矿粒. 选择一个形态较好的矿粒进行第 一次 CT 扫描. 将试验矿粒放置在塑料圆桶中，添 加去离子水直至没过矿粒，浸泡矿粒，7 d 后取出 矿粒并晾干，将矿粒进行第二次 CT 扫描. 基于此， 得到矿粒两次 CT 扫描的图像. 2    分析与讨论 2.1    矿粒的制备 以硫化铜矿石为试验原料，开展制粒试验，探 究最佳黏结剂及最佳制粒条件. 通过比较相同试 验条件下矿粒平均粒径以及酸浸下发生破裂的时 间，综合考虑制粒黏结效果、黏结剂的易得性及成 本等因素，选择 SFS–2 作为本次试验的制粒黏结 剂，SFS–2 黏结剂中包括：硅酸钠、生石灰、粉煤 灰及水泥；通过比较矿粒湿强度、矿粒抗压强度和 酸浸时间，确定制粒最佳条件为：黏结剂添加量为 16 g，熟化加酸量为 25 kg·t−1，制粒喷水量占矿粉质 量的 30%. 基于以上制粒试验结果，制备浸出试验 所用矿粒，如图 2 所示. 2.2    孔隙模型重构 本次试验，采用北京科技大学高分辨 X 射线 三维扫描成像系统（nano Voxel 3502E）获取矿粒各 切面扫描图像，试验保证溶浸前后两次 CT 扫描各 参数完全相同. 扫描原图如图 3 所示，其中，黑色 部分代表矿粒内部的孔隙，白色部分表示矿粒中 的金属成分，灰色部分表示矿粒中的矿石. 由 CT 扫描原图对比可得，经过 7 d 时间的溶 浸，矿粒的整体形态发生了变化，溶浸前矿粒呈较 为规整的椭圆形，内部孔隙（黑色部分）较少，且分 布较为分散；溶浸后矿粒整体形态极其不规则，孔 隙数目增多，且面积增大. 这说明经过溶浸，矿粒 内部的孔隙明显增多. 基于 CT 扫描得到的数据， 可得溶浸前后矿粒 3 个方向上的尺寸，浸矿前为 23.08 mm×24.73 mm×26.38 mm，浸矿后为 24.76 mm× 24.76 mm×27.41 mm，矿粒的三维尺寸均增大了，即 矿粒发生了膨胀. 矿粒发生膨胀是由以下 3 个方 面的变化引起的：（1）矿粒中的固态 NaCl 溶解在 水中，矿粒内孔隙增大、增多，导致矿粒体积增大； （2）由于 NaCl 的溶解，紧紧附着其上的矿粉颗粒 掉落至水中，矿粒内部结构发生了较大变化，矿石 颗粒之间的排列分布发生了变化，导致整体矿粒 膨胀；（3）黏结剂中的生石灰与水发生反应，生成 了 Ca(OH)2 沉淀附着在矿粒上，导致矿粒体积增 大，整体效果表现为膨胀. 首先对 CT 扫描原图像进行图像预处理，以消 (a) (b) 图 2    试验矿粒. （a）溶浸时；（b）晾干后 Fig.2    Photographs of mineral agglomerate used in the test: (a) during leaching; (b) after drying (a) (b) 图 3    扫描原图. （a）浸出前；（b）浸出后 Fig.3     Original  CT  scan  images  of  mineral  agglomerate:  (a)  before leaching; (b) after leaching 尹升华等： 硫化铜矿粒孔隙模型重构与溶液渗流模拟 · 497 ·