超声强化离子吸附型稀土矿原位浸出中侧向渗流与传质研究

《Ultrasonics Sonochemistry》：Enhancement of lateral seepage and mass transfer in ionic rare earth ores by ultrasonic stimulation during in-situ leaching

　　

为克服离子吸附型稀土矿（ion-adsorption type rare earth ores，IREOs）原位浸出（in-situ leaching，ISL）过程中由重力驱动的垂直优势流导致的回收率低和开采不均问题，研究人员系统研究了超声（ultrasound/ultrasonic，US）对侧向渗流与传质的增强规律。研究人员构建了超声耦合侧向柱浸系统以模拟原位浸出过程，考察了超声参数（探头位置、功率和作用模式）对侧向渗流速率与浸出效率的影响，并区分了热效应与超声效应对浸出的贡献。结果表明：相较于其他位置，将超声探头置于矿体中部可获得更高的浸出效率与侧向渗流速率；在优化脉冲模式（360 W，5 min开/5 min关，5 h）下，稀土元素（rare earth elements，REEs）浸出效率达94.4%，较温控组提高9%，较常规浸出提高22%；同时平均侧向渗流速率增加0.317 mL/min，浸出时长缩短37.8%。虽5/15模式浸出效率略低，但其更优的能效对工业更具吸引力。表征结果显示，超声诱导颗粒良性细化、表面侵蚀与孔隙发育，比表面积增加42%。动力学分析确认超声将限速步骤由外扩散控制转为化学反应控制，有效消除传质阻力。该增强归因于机械振动与空化效应的协同作用，可重构孔结构并改善反应界面，为解决物理渗流屏障、实现IREOs高效绿色开采提供依据。

研究背景方面，稀土元素（rare earth elements，REEs）包含15种镧系元素及钪（Sc）和钇（Y），离子吸附型稀土矿（ion-adsorption type rare earth ores，IREOs）是中重稀土的重要资源。原位浸出（in-situ leaching，ISL）不破坏地表，但矿体渗透性差会导致周期长、效率低、试剂消耗高。传统化学强化依赖大量试剂，无法从根本上克服致密矿体渗流受阻问题。ISL中湿润区演化具各向异性，重力驱动优势垂直流会产生水平方向死区和盲区，造成回收率低和浸出液泄漏地下水风险。因此，增强侧向渗流与传质是突破IREOs低浸出效率的关键。研究人员开展超声（ultrasound/ultrasonic，US）耦合侧向柱浸实验，探明侧向渗流与传质增强机制，论文发表于《Ultrasonics Sonochemistry》。

关键技术方法方面，样品采自江西某IREOs矿床，经烘干、筛分至小于1 mm后分层装填于内径65 mm、长200 mm的有机玻璃侧向柱中，堆密度约1.3 g/cm³；超声探头直径8 mm、长55 mm、频率25 kHz、功率0–900 W，沿轴向设前、中、后三个作用位；采用恒水头注入、先去离子水饱和再注浸出剂，并设置无超声空白、插入探头但不发声及水浴复现温度的温控对照以区分热效应与非热机械效应；通过ICP-OES测REEs浓度，结合zeta电位、SEM、激光粒度、BET孔径比表面积表征，并借衰减方程与能效指数（Energy Efficiency Index，EEI）分析声场衰减与单位能耗收益。

3.1. Effects of leaching conditions

研究人员通过比较浸出剂类型、MgSO₄浓度与液固比得出：1 wt% Al₂(SO₄)₃浸出效率最高，(NH₄)₂SO₄次之，MgSO₄环境风险最低故被选为主浸出剂；MgSO₄浓度至1.0 wt%后效率趋平，液固比超过1/1后提升放缓，后续超声实验取1 wt% MgSO₄与0.5/1低液固比以凸显超声优势。

3.2. Effects of US parameters on leaching

3.2.1. Effect of US application position

研究人员将探头置于前、中、后位发现，中位时总浸出效率84.9%，高于前位3.0%、后位7.7%；中位平均侧向渗流速率0.499 mL/min，优于前0.475、后0.401及空白0.353 mL/min。原因是中位使声程减半、两端声强提升、空化活跃体积扩大，微射流与冲击波直接作用于主渗路径液固界面，抑制细粒迁移堵孔。

3.2.2. Effect of US power

研究人员将功率由180 W升至360 W，浸出效率从84.9%增至96.8%；450 W、630 W仅达96.3%、96.5%，说明超360 W出现功率饱和。更高功率增强空化能量、降低空化阈值，但过高不再显著提升效率。

3.2.3. Effect of US mode

研究人员比较连续与脉冲模式发现，360 W连续5 h浸出效率高，但5 min开/5 min关脉冲模式在94.4%附近且能效更优；5/15模式浸出效率略低而单位能耗收益更具工业吸引力，表明脉冲模式可兼顾效率与能耗。

表征与机制部分，研究人员通过zeta电位、SEM、粒度、BET分析获知，超声使颗粒良性细化、表面侵蚀、介孔发育，比表面积增42%；动力学上限速步由外扩散控制转为化学反应控制，传质阻力被消除。该增强来自机械振动与空化效应协同重构孔结构、改善反应界面。

讨论与结论翻译：超声应用于矿体中部可最优增强侧向渗流与REEs浸出；优化脉冲模式（360 W，5 min on/5 min off，5 h）下REEs浸出效率达94.4%，较温控组高9%、较常规浸出高22%，平均侧向渗流速率增0.317 mL/min，浸出周期缩短37.8%；5/15模式虽效率略低但能效更适于工业。超声诱导颗粒细化、表面侵蚀与孔隙发育，比表面积提升42%，并将限速步骤由外扩散控制转向化学反应控制。机械振动与空化效应协同重构孔隙结构、改善反应界面，可克服IREOs物理渗流屏障，为实现高效绿色开采提供新见解。