文章编号：1004-0609(2007)03-0471-05
电场作用提高排土场渗透性能的机理
左 恒，王贻明，陈学松，江怀春
(中南大学 资源与安全工程学院，长沙 410083)
摘 要：根据多孔介质中电动力学效应，在排土场浸出过程中，提出利用电场作用强化排土场渗透性能的方法，通过机理分析探讨了电场作用对排土场渗透性能的影响。结果表明：电场作用能有效降低双电层作用对排土场渗透率的影响；在足够大的电场力作用下，孔隙中双电层产生定向迁移，双电层厚度减小，排土场渗透率明显提高；在低渗透排土场中，排土场渗透率因数随电场强度增大而单调递增；而在高渗透排土场中，电场作用对排土场渗透率影响的幅度较小，表明利用电场作用提高低渗透率排土场的渗透性能具有非常大的潜力。
关键词：电场作用；排土场；溶浸液；双电层；渗透性能
中图分类号：TD 98 文献标识码：A
Mechanism of improving permeability in dump by effect of electric field
ZUO Heng, WANG Yi-ming, CHEN Xue-song, JIANG Huai-chun
(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Based on electro-dynamic effect in porous media, the novel method for enhancement of permeability of dump in leaching process by effect of electric field was put forward, and the mechanism of the effect of electric field on the permeability of dump were introduced. The results show that the permeability of ore dump by electronic double layer can be depressed by effect of electric field. The thickness electronic double layer can be decreased by power of electric field large enough. The increment of permeability coefficient in low permeability dump is bigger than that in high permeability dump, showing that the potential is big to improve the permeability of dump with high clay content by effect of electric field.
Key words: effect of electric field; dump; leaching solution; electronic double layer; permeability
排土场微生物强化浸出是根据堆置浸出技术，将溶浸液、氧气和微生物注入到排土场中，有选择性地浸出排土场中矿石有用成分的新技术，其生产工艺简单、生产成本低、环境友好及资源利用率高[1-3]。随着矿产品消费量的不断上升，矿产资源的开发力度也越来越大，而开采条件较好的矿产资源逐渐枯竭，露天排土场固体废弃物的开发利用就愈来愈重要，微生物浸出技术在排土场中得到越来越广泛的应用[4-6]。
在国内外金属矿山排土场的堆浸生产中，由于排土场孔隙形状复杂、堆体高度大、矿石粒度变化范围宽、泥质含量高和压实度高，排土场普遍都存在渗透性能差和浸矿溶浸液渗流扩散能力过低的问题。排土场渗透性能的好坏是堆置浸出成败的关键工艺条件，过低的渗透率导致浸矿溶浸液渗流扩散能力差和氧气传输困难，而这恰恰又是制约排土场堆浸技术发展的主要因素[7-9]，因此，提高排土场渗透性能将有助于改善排土场矿石浸出率及缩短堆浸周期[10-13]。为了改善排土场的渗流性能，国内外学者对其进行了很多研究，取得了一些研究成果，开发了一些新技术[14-16]。但对物理场作用强化排土场渗透性能的研究，国内外关于这方面的研究至今报道较少。本文作者在大型金属矿排土场微生物强化浸出过程中，根据多孔介质中流体的电动力学效应，着重研究了电场作用对排土场渗透性能的影响。本研究以电场作用提高排土场渗透性能的机理研究为物理场作用强化排土场微生物浸出的进一步研究奠定基础。
1 排土场孔隙中的双电层特性
浸矿溶浸液流体在排土场孔隙渗流和扩散过程中，溶浸液流体与矿石固体表面接触，溶浸液的阴离子被吸附在矿石表面上，由于正、负电荷的静电作用，在被吸附表面附近形成剩余的阳离子分布，这个吸附表面附近区域就形成双电层，双电层模型如图1所 示[17-18]。由于范德华力和静电力的作用，第一层阳离子被强束缚在吸附层表面，构成双电层的紧密层。由于浓度差的影响，在紧密层外的阳离子可以向流体本体扩散，这样又形成双电层的扩散层。扩散层由静电作用力和浓差扩散所控制，紧密层与扩散层间的界面称为剪切面[19]。
图1 双电层模型
Fig.1 Model of electronic double layer
设溶浸液流体单元在排土场中以速度v运移距离L，定义毛细管的等效长度为Lt，则同样的溶浸液流体单元在毛细管中以平均流速va运移了距离Lt，二者的运移时间相同，即Lt/va=L/v。
根据毛细管中平均流速与达西定律的等价关系，导出排土场渗透率k的表达式为
假设矿石颗粒表面有一厚度为δ的吸附双电层，则其有效孔隙缩小(等于增大了有效颗粒直径)，其孔隙有效水力半径应为、等效颗粒直径为
为了表示双电层厚度对排土场渗透率影响程度，定义双电层作用下排土场渗透率因数Rk为
双电层厚度δ与矿石固体表面特性及溶浸液液体物性相关，其取值范围大致为1.44 nm~1.44 μｍ。依照排土场渗透率因数Rk与渗透率k的关系式，绘制了排土场渗透率因数Rk与排土场渗透率k的关系曲线，结果如图2所示。从图2中可看出，排土场渗透率越低，双电层厚度与绝对渗透率因数Rk的关系越明显。这表明，在排土场微生物强化浸出过程中，由于双电层的作用，溶浸液在孔隙中的流通截面积减小，排土场渗透率降低，溶浸液对矿石的润湿作用明显下降。在泥质含量高的低渗透率排土场中，双电层对渗透率的影响尤为明显。
图2 不同双电层作用时Rk与k的关系
Fig.2 Relationship between Rk and k by effect of different electronic double layers
研究表明[20]，若双电层电荷分布是连续的，则溶液中的电势分布可用Poisson公式描述。在静电平衡时，为保持电中性，固体表面上的电荷总量应该与液相中的相等(符号相反)，由表面电荷密度与溶液体积电荷密度之间关系不难得出双电层表面电荷密度σ0为
由此可见，当多孔介质排土场中施加电场作用时，双电层将受到电场力作用。当电场力足够大时，双电层的扩散层将克服范德华力和静电力的作用，在电场作用下作定向迁移。双电层厚度减小，排土场的渗透率提高，排土场孔隙中溶浸液流体的流通截面积增大，进而提高了浸矿溶浸液在排土场中渗流扩散能力。
2 电场作用对排土场孔隙流体阻力系数的影响
流体阻力系数Fr=(dp/dx)e/(dp/dx)o，为度量浸矿溶浸液在孔隙中流动特性的重要参数，式中(dp/dx)e和(dp/dx)o分别为有、无外加电场作用下的压力梯度。Fr与v的关系如图3所示。由图3可知，电场作用下，流体阻力系数Fr?1，在低流速下，Fr出现负值，说明此流速下水动力很小，且用于克服渗流阻力的电动力消耗得很少，主要是电动力在驱动孔隙中的流体，因此当排土场中存在电场作用时，电动力可以大幅度提高浸矿溶浸液渗流能力。而随着流速的增大，Fr逐渐增大并趋于1，这表明随着流速增大，渗流作用力以水动力为主，电动力在其中占的比例逐渐减小。
图3 电场作用下Fr与v的关系
Fig.3 Relationship between Fr and 
under effect of electric field
3 电场作用对排土场渗透率的影响
在排土场的两端施加电场作用，使外加电场以电动力的形式作用于孔隙介质中的溶浸液流体，其中一部分电动力转化为流体质点的动能，加快流体在孔隙中流动；另一部分电动力则为克服流体在渗流过程中的阻力而耗损。如果排土场的渗透率大，则这部分耗损的电能越少，相应地转化为流体动能的电能也越大。若不考虑其它因素的影响，在电动渗流过程中，阻力的大小实际上反映了孔隙渗透率的大小。如将电动力的损耗等效为水动力，则电场作用下的排土场渗透率ke可按下式计算：
定义电场作用下的排土场渗透率因数Rke为
Rke反映了在外加电场作用下，排土场渗透率变化倍数。通过室内实验分析，得出Rke随外加电场强度E的普遍变化规律如图4和5所示。
图4 低渗透排土场渗透率因数与电场强度的关系
Fig.4 Relationship between permeability gene and intensity of electric field in low permeable ore dump
图5 高渗透排土场渗透率因数与电场强度的关系
Fig.5 Relationship between permeability gene and intensity of electric field in high permeable ore dump
由图4可以看出，低渗透排土场在电场作用下的渗透率因数Rke随电场强度E的增大而单调递增，且其值很大。例如在渗透率为1.37×10-5 μm2矿样模型中，当电场强度为5.0 V/cm时，Rke增至1 000，即在此强度电场作用下，该排土场的绝对渗透率提高了 1 000倍。由图5可以看出，在渗透率高的排土场中，电场作用对排土场渗透率影响的幅度较小，这一点与前面的理论分析结果是一致的。由此可见，利用电场作用提高低渗透率排土场的渗透性能具有非常大的潜力。
4 结论
1) 浸出过程中，双电层对排土场渗透性能有非常明显的影响，在双电层作用下，溶浸液在排土场孔隙中的流通截面积减小，排土场的渗透率降低；在泥质含量高的低渗透排土场中，这种影响尤为明显。
2) 在足够大的电场力作用下，排土场孔隙中双电层产生定向迁移，双电层厚度减小，排土场渗透率明显提高。
3) 电场作用对排土场孔隙中溶浸液流体阻力系数的影响非常明显。
4) 在低渗透排土场中，排土场渗透率因数随电场强度增大而单调递增，且其值很大；而在高渗透排土场中，电场作用对排土场渗透率影响的幅度较小，这表明，利用电场作用提高低渗透率排土场的渗透性能具有非常大的潜力。
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收稿日期：2006-07-20；修订日期：2006-11-28
通讯作者：左 恒，博士研究生；电话：0731-8830851; E-mail: csuzuoheng@163.com
(编辑 李艳红)
