王文鳳

(東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院，南昌 330013)

礦石顆粒在微生物和溶劑的作用下，礦石中有用的成分隨溶液浸出，浸出過程是一個(gè)非常復(fù)雜的動態(tài)過程。浸出體系是流體與孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的共存體[1]。礦石顆粒間的孔隙以及礦石顆粒內(nèi)部的微孔裂隙,兩者構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的孔裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí)礦堆是由礦石和微孔裂隙組成的復(fù)雜多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，礦石顆粒構(gòu)成了堆浸體系中的固體骨架，即礦石顆粒決定了礦石的孔隙結(jié)構(gòu)；液體與氣體形成的流體進(jìn)入到堆浸散體中，在非飽和的散體介質(zhì)中滲流，滲流狀態(tài)復(fù)雜多變。礦石顆粒在流體的作用下發(fā)生動態(tài)變化。反之影響孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化，孔隙結(jié)構(gòu)的變化則會進(jìn)一步地影響礦石中有用組分的浸出,從而影響浸出效果和浸出速率[2]。因此需對堆浸體系中的孔隙結(jié)構(gòu)變化特征和演化機(jī)理有更近一步的認(rèn)識和了解。

1 CT技術(shù)原理及應(yīng)用概述

CT是計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(Computed Tomography)的簡稱。1895年，德國的倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線。英國的Hounsfield發(fā)現(xiàn)利用X線從各個(gè)方向穿過一個(gè)實(shí)物時(shí)，會發(fā)生能量衰減，同時(shí)測量這些衰減的能量能得到這個(gè)物體的內(nèi)部信息。經(jīng)過不斷研究，基于X射線的CT掃描機(jī)在1971年研制成功。最初對CT的研究是用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，運(yùn)用X射線穿過人體的某個(gè)部位，從而獲得其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

CT技術(shù)掃描的工作原理可簡述如下：試驗(yàn)樣品位于X射線源和檢測器之間，對樣品進(jìn)行照射，檢測器能接收到穿透過來的X射線，從而采集單張投影圖。掃描過程中，樣品在工作臺上旋轉(zhuǎn)一圈，就能采集多張不同角度投影圖像。之后通過測量每個(gè)方向上的衰減系數(shù)的投影信號，最后進(jìn)行計(jì)算機(jī)算法重建。

由于不同波長的X射線對不同密度的物體的穿透能力不同，X射線在穿透物體時(shí)，數(shù)學(xué)公式表示如下[2]：

I=I0exp(-μmρx)

(1)

式中：I0—X射線穿透物體前的強(qiáng)度，mR/h；I—X射線穿透物體后的光強(qiáng)；μm—被檢測物體單位質(zhì)量的吸收系數(shù)；ρ—物質(zhì)密度；x—入射X射線的穿透長度。

目前，CT技術(shù)對科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域都產(chǎn)生了巨大的影響。X射線斷層掃描技術(shù)目前應(yīng)用于礦產(chǎn)資源加工領(lǐng)域，分析局部流動的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的三維數(shù)字化。同時(shí)結(jié)合計(jì)算流體動力學(xué)的網(wǎng)格-玻爾茲曼(LB)方法，可以在三維的顆粒層中直接進(jìn)行孔隙流動模擬，研究不同孔隙尺度下，多孔介質(zhì)中流動體的運(yùn)移問題[3]。目前有關(guān)孔隙結(jié)構(gòu)的研究主要集中于多孔介質(zhì)領(lǐng)域,包括巖石、土壤、油氣儲集層、煤層等。

2 CT技術(shù)研究散體孔隙結(jié)構(gòu)特征進(jìn)展

2.1 國外運(yùn)用CT技術(shù)研究孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)展

目前對于孔隙結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域多集中在多孔介質(zhì)，如巖石、土壤等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，核磁共振成像技術(shù)(MIR)和計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)在多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣。為了研究堆浸體系中孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，國內(nèi)外的研究者做了許多探索性工作[3-5]。2001年，SEDERMAN等[6]利用核磁共振成像技術(shù)對不同粒徑下松散和膠結(jié)玻璃柱多孔介質(zhì)開展成像試驗(yàn)，并通過圖像處理技術(shù)考察了顆粒間孔隙分布特征，同時(shí)與統(tǒng)計(jì)分析手段相結(jié)合，研究了孔隙尺寸、表面積、體積等參數(shù)。

同時(shí)利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)來研究填充顆粒層復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及柱浸前后的填充顆粒進(jìn)行三維分析，識別出有價(jià)值的礦物顆粒比例；并對礦樣進(jìn)行表征。例如，MILLER等[7]為了恢復(fù)給定的粒度分布，利用微計(jì)算機(jī)斷層掃描來分析確定礦物暴露的比例。AGORHOM等[8]利用微CT對低品位的金礦樣品進(jìn)行準(zhǔn)確表征，對其進(jìn)行升級，從而改善顆粒特征。CHARIKINYA[9]則采用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描和掃描電鏡兩種技術(shù)相結(jié)合的方式分析微波誘發(fā)的裂紋損傷，并對其進(jìn)行表征和定量分析。同時(shí)利用圖像分割等方法研究CT掃描三維圖像的裂紋形態(tài),最終得出在微波處理的顆粒中存在微波誘導(dǎo)裂紋。ATAOLLAH NOSRATI 等[10]運(yùn)用無損微層析技術(shù)研究鎳紅土礦的團(tuán)聚行為和團(tuán)聚體微觀結(jié)構(gòu)的變化特征，對內(nèi)部多礦物組分顆粒的結(jié)構(gòu)和孔隙體積空間分布進(jìn)行了研究。

目前，許多研究人員借助CT技術(shù)研究礦樣的孔隙結(jié)構(gòu)時(shí)，基于礦石孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征，將礦石孔隙的變化特征與礦石內(nèi)部的礦物組分變化情況相結(jié)合。進(jìn)一步分析浸出過程中礦物的遷移和轉(zhuǎn)化與孔隙結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。例如，YOUSEF. GHORBANI[11]把粉碎后的閃鋅礦作為原料，填充到浸出反應(yīng)器當(dāng)中連續(xù)運(yùn)行11個(gè)月。如借助X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描分析浸出過程中的樣品，從而分析閃鋅礦的礦物化學(xué)性質(zhì)對閃鋅礦浸出的影響。如圖1所示，閃鋅礦顆粒在浸出前后過程中礦石顆粒裂紋網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展情況。GHORBANI等[12]利用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)，研究用HPGR產(chǎn)生的鋅礦石顆粒中的裂紋的發(fā)展過程和微裂紋的生長，以及裂紋對金屬提取的影響。

圖1 浸出過程中裂紋網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展[11]Fig.1 Crack network growth during the leaching for the particles

利用微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對孔隙結(jié)構(gòu)的研究，并不局限于礦石顆粒。在對巖層和土壤孔裂隙的發(fā)育情況的研究早有發(fā)展。GALDOS等[13]利用X射線微計(jì)算機(jī)斷層掃描評估在三維空間中土壤的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，對土樣的形狀和孔隙網(wǎng)絡(luò)的連通性進(jìn)行計(jì)算和評估。TARIK SAIF[14]運(yùn)用X射線微計(jì)算機(jī)斷層掃描獲得頁巖在熱解過程中微孔隙網(wǎng)絡(luò)的增長、合并和關(guān)閉。WOOLLACOTT[15]利用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描生成的三維圖像，測定填充層內(nèi)的充填密度和顆粒濃度的變化。ALLSHORN等[16]基于多層CT掃描和三維重建方法來獲得包裹體的孔隙度剖面和三維分布,從而分析異質(zhì)性對測量巖芯孔隙度的影響。

2.2 國內(nèi)運(yùn)用CT技術(shù)研究孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)展

在國內(nèi)，對氧化銅、閃鋅礦等礦石運(yùn)用X射線計(jì)算機(jī)斷層技術(shù)來獲取其在柱浸過程中的孔隙度變化情況早有研究。楊保華等[17]利用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描儀對在柱狀浸出試驗(yàn)中的礦石顆粒介質(zhì)浸出前后的孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描。同時(shí)對CT圖像進(jìn)行處理，計(jì)算出浸出前后各剖面的孔隙度和各層的滲透率。2010年，楊保華[18]利用醫(yī)用CT對銅礦石散體在微生物浸出前后進(jìn)行掃描試驗(yàn)，獲得柱浸散體二維CT圖像，并利用重構(gòu)技術(shù)獲得了三維孔隙結(jié)構(gòu)幾何模型，實(shí)現(xiàn)了浸礦散體孔隙結(jié)構(gòu)的可視化。2012年，姚高輝[19]對單顆粒原礦和礦樣內(nèi)部微孔隙演化規(guī)律進(jìn)行工業(yè)CT掃描試驗(yàn)，獲得礦石顆粒內(nèi)部孔隙隨浸礦時(shí)間的變化規(guī)律。尹升華[20]運(yùn)用X射線CT對填充的廢石進(jìn)行了真實(shí)孔隙結(jié)構(gòu)的研究，得出廢石堆內(nèi)速度場與運(yùn)移通道的分布、孔隙結(jié)構(gòu)的連通性和曲率密切相關(guān)。

圖2 顆粒表面裂隙演化特征[22]Fig.2 Evolution characteristics of particle surface crack

同時(shí)，基于微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的前提下，與核磁共振技術(shù)兩者結(jié)合共同研究柱浸過程中孔隙發(fā)育變化情況。2014年，薛振林等[18]用破碎后的鵝軟石代替柱浸礦石，借助核磁共振技術(shù)考察了柱浸過程中礦巖散體結(jié)構(gòu)及顆粒間溶液分布特征，應(yīng)用T1FLAIR序列獲得了邊界清晰的散體截面圖像；并且結(jié)合氧化銅酸浸實(shí)驗(yàn)、CT技術(shù)和掃描電鏡技術(shù),在微觀和細(xì)觀層面研究孔隙和裂隙分形演化特征,得到孔隙率和滲透率隨浸出時(shí)間的演化規(guī)律,建立氧化銅堆浸隨時(shí)間演化的分形雙重介質(zhì)滲流模型[21]。從微觀層面上，氧化銅顆粒表面裂隙演化特征如圖2所示,a(1)與a(4)分別是浸泡開始前和浸泡48 h后氧化銅顆粒表面裂隙的演化。楊保華[2]借助X射線計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，從而獲得單顆粒大小1～10 mm依次9個(gè)試樣的橫斷面圖像，同時(shí)借助三維圖像分析的技術(shù)程序，對三維圖像的體積孔隙度、孔徑分布和連通性進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算和分析。2017年，繆秀秀等[22]利用CT技術(shù)對氧化銅礦石浸柱進(jìn)行探測，并利用圖像處理技術(shù)構(gòu)建了雙重介質(zhì)孔裂介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型。余少峰等[23]利用X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描對試樣進(jìn)行孔隙成像，分析了柱內(nèi)顆粒的斷裂形貌隨曝氣率(AR)變化的規(guī)律。張碩等[24]使用容重法和計(jì)算機(jī)斷層掃描方法研究三種粒度級配對孔隙度和孔徑分布的影響，最終分析得出顆粒級配對填料堆浸床孔隙度的影響。

3 基于CT技術(shù)研究堆浸孔隙度所存在的問題

盡管可采取的可視化手段越來越多，但由于孔隙結(jié)構(gòu)的變化復(fù)雜性，對多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征還沒有得到詳細(xì)的認(rèn)識。目前許多學(xué)者基于柱浸的層面上，對柱浸過程中的孔隙發(fā)育變化情況有了更近一步的研究[25]。但同時(shí)也由于各種技術(shù)手段的精度沒有達(dá)到很高的層次水平，從而限制了礦堆孔隙變化規(guī)律的研究[26]。

1)所采用的CT精度不夠高。礦堆中的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，除了散體顆粒間的孔隙以及礦石內(nèi)部的孔裂隙，還有礦石顆粒間和礦物顆粒內(nèi)的孔隙，這樣的微觀孔隙的孔喉直徑大部分小于微米級，但目前的CT研究尺度還沒有到達(dá)這個(gè)層次。當(dāng)前工業(yè) CT 的圖像分辨率通常較低(幾十至幾百μm)，盡管微米 CT 的分辨率可達(dá)到微米和亞微米級。但CT技術(shù)的分辨率限制了掃描樣品大小。樣品尺寸越大，分辨率將會受到限制，從而使得礦堆結(jié)構(gòu)與礦石內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法在同一掃描精度下同時(shí)被揭示，宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)的研究則相互獨(dú)立[1]。

2)掃描樣本大小受到限制。由于CT技術(shù)需將樣品放置于工作臺上進(jìn)行掃描，掃描系統(tǒng)的工作臺限制了放置樣品的尺寸大小。對一些尺寸大的樣品和溶浸柱，不能全部獲得樣品的所有數(shù)據(jù)，無法給出一個(gè)完整的孔隙結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，影響測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而限制部分柱浸試驗(yàn)的進(jìn)行和研究。

3)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)量化程度不夠高。CT掃描雖能初步地顯示出樣品或小型溶浸柱內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，但對孔裂隙尺寸等詳細(xì)參數(shù)的量化程度不夠高。雖然有研究學(xué)者對閃鋅礦顆粒內(nèi)部的孔隙空間的分布特性進(jìn)行分析，但是并沒有對孔裂隙尺寸等參數(shù)進(jìn)行量化[26]。

4)礦石浸出過程微觀孔隙演化規(guī)律探討不多。目前，國內(nèi)外對礦石浸出過程中微觀孔隙的分析還沒有更進(jìn)一步地探討。主要是由于樣品大小和CT精度間的矛盾還沒有得到解決。目前對浸出體系中孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究基本上都是礦石顆粒內(nèi)部和礦石顆粒間的孔隙結(jié)構(gòu)，還沒有深入地研究礦石在浸出過程中微孔裂隙的演化規(guī)律。

4 前景展望

在生物浸鈾的過程中，借助CT技術(shù)和其它可視化手段對浸出過程孔隙結(jié)構(gòu)的研究還尚屬空白。對鈾堆浸過程中對溶質(zhì)遷移與礦物變化規(guī)律也未揭示。當(dāng)前，對生物浸鈾堆浸研究還多集中在溶浸液滲流方面，對于生物作用下鈾礦物溶質(zhì)運(yùn)移及其礦物反應(yīng)甚少且不夠深入。盡管運(yùn)用CT技術(shù)研究孔隙結(jié)構(gòu)存在局限性，但該技術(shù)手段在不斷地發(fā)展，同時(shí)在銅礦和閃鋅礦的柱浸過程中都獲得了不錯(cuò)的效果。浸鈾過程同樣可以借助該技術(shù)手段探討浸出過程孔隙結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律及滲流演化規(guī)律，筆者認(rèn)為CT技術(shù)應(yīng)用于生物浸鈾過程中研究孔隙結(jié)構(gòu)變化特征具有很大的前景。

5 結(jié)論

1)CT技術(shù)應(yīng)用于堆浸體系方面眾多，多集中于粉碎工藝的效果、礦石顆粒的表征及柱浸過程的活動[27]。對破碎工藝效果的研究即利用CT技術(shù)查看運(yùn)用破碎手段比較破碎前后的顆粒，觀察破碎效果是否達(dá)到工藝效果。同時(shí)與破碎后礦物的暴露比例及顆粒損失程度相結(jié)合，共同評價(jià)破碎工藝效果的好壞程度。運(yùn)用CT技術(shù)對柱浸過程活動的研究多是對浸出過程中溶浸柱內(nèi)部孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和孔隙度以及礦石的化學(xué)和結(jié)構(gòu)變化的研究。浸出結(jié)束后，利用CT技術(shù)對溶浸柱內(nèi)礦石的狀態(tài)和殘?jiān)幕瘜W(xué)和物理變化特征進(jìn)行研究。

2)CT技術(shù)作為一種分析技術(shù)，存在很大的潛力。國內(nèi)外運(yùn)用CT技術(shù)對堆浸散體孔隙結(jié)構(gòu)的研究在不斷地發(fā)展。隨著CT技術(shù)精度的加強(qiáng)，同時(shí)與其他分析技術(shù)手段相結(jié)合，研究浸出過程中孔隙變化特征與礦物的演化規(guī)律將成為一種新趨勢。這對揭示堆浸浸礦機(jī)理提供了可能。