权利要求
矿体溶浸土柱装置(2)从上至下包括上水系微孔滤膜(21)、上石英砂垫层(22)、上组合电极(23)、矿区腐殖层土壤(24)、矿区全风化层土壤(25)、矿区半风化层土壤(26)、下组合电极(27)、下石英砂垫层(28)和下水系微孔滤膜(29)，其中，上组合电极(23)还设有穿过上石英砂垫层(22)和上水系微孔滤膜(21)并向上延伸一段的上电极棒(231)，下组合电极(27)还设有穿过下石英砂垫层(28)和下水系微孔滤膜(29)并向下延伸一段的下电极棒(271);
直流稳压电源(1)的电源正极(11)与上电极棒(231)电性连接，直流稳压电源(1)的电源负极(12)与下电极棒(271)电性连接;
蠕动泵(3)的软管一端与矿体浸出土柱装置(2)上端连接，另外一端伸入到电解液存储装置(4)中;
浸出液收集装置(5)设于矿体溶浸土柱装置(2)下方。
2.根据权利要求1所述的一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，其特征在于，还包括有支撑底座(6)，矿体浸出土柱装置(2)放置于支撑底座(6)上，浸出液收集装置(5)设于支撑底座(6)下方。
3.根据权利要求1所述的一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，其特征在于，矿体浸出土柱装置(2)的侧壁设有与矿区腐殖层土壤(24)、矿区全风化层土壤(25)和矿区半风化层土壤(26)相对应的通孔。
4.根据权利要求1所述的一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，其特征在于，矿区腐殖层土壤(24)厚度为2cm～4cm，矿区全风化层土壤(25)厚度为5cm～20cm，矿区半风化层土壤(26)厚度为2cm～4cm。
5.根据权利要求1所述的一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，其特征在于，上组合电极(23)包括电极板与设于电极板上的上电极棒(231)，下组合电极(27)包括电极板与设于电极板下的下电极棒(271)，改变上电极棒(231)、下电极棒(271)的位置或电极板的倾角，可以控制电场强度和方向。
6.根据权利要求1所述的一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，其特征在于，矿体浸出土柱装置(2)底部设有均匀的滤孔和漏斗部。
7.根据权利要求1所述的一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，其特征在于，矿体浸出土柱装置(2)整体呈圆柱形。
8.根据权利要求1所述的一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，其特征在于，直流稳压电源(1)为可编程的线性电源;电源正极(11)、电源负极(12)均设有鳄鱼夹。
9.根据权利要求1所述的一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，其特征在于，上组合电极(23)和下组合电极(27)采用石墨烯材料。
10.根据权利要求1所述的一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，其特征在于，矿体浸出土柱装置(2)使用透明亚克力材料并通过热熔、胶粘方式制作而成;电解液存储装置(4)和浸出液收集装置(5)均使用聚乙烯材料的样品储存瓶。
说明书
技术领域
背景技术
[0002]稀土元素作为现代工业不可或缺的资源，在电子器件、清洁能源、航天航空等领域具有不可替代的作用。当前主流的稀土提取工艺仍面临两大技术痛点：其一为传统池浸、堆浸工艺存在环境污染大、能源消耗高的缺陷;其二为改进后的原地浸矿工艺虽在显性生态破坏控制方面取得进步，但仍难以消除潜在环境风险。
[0003]为解决上述技术瓶颈，研究者提出了基于电场驱动原理的离子型稀土电动采矿技术。该技术通过建立定向电场促使稀土离子发生电迁移和电渗流运动，实现目标元素的选择性富集，从而绿色、高效和选择性地从风化壳中回收稀土元素。相较于传统工艺，该技术体系具有三方面创新优势：(1)通过优化电极排布与电场参数，可将稀土采收率提升至95%以上;(2)工艺过程减少80%浸取剂用量与95%氨氮排放量，减少了化学试剂的使用和废水排放;(3)综合能耗降低60%且开采周期缩短70%，兼具环境效益与经济效益。有助于解决传统采矿过程中的环境污染和资源浪费问题。特别需要指出的是，电渗效应在该技术中发挥双重作用：既加速稀土离子的定向迁移，又能通过电场调控改善矿体渗透性，这为解决尾矿加固难题提供了新途径。
[0004]但该技术的产业化应用仍存在关键科学问题亟待突破：首先需通过室内模拟试验建立电场参数(电压加载模式、电极构型、电解液组分、pH调控等)与重金属迁移行为之间的量化关系模型;其次要探明不同电动力学参数对稀土浸出动力学的耦合作用机制;最终需通过多目标优化算法确定兼顾提取效率与环境风险防控的最优参数组合。这些基础研究对构建环境友好的稀土绿色开采技术体系具有重要理论价值。
[0005]为攻克上述技术难题，亟需开发专用试验装置以实现以下功能：(1)精准模拟稀土矿体在电场作用下的多物理场耦合环境;(2)实时监测重金属离子的动态迁移规律;(3)快速获取优化工艺参数所需的实验数据。该装置的研发将成为推动电动采矿技术工程化应用的重要技术支撑。
发明内容
[0006]针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，通过合理配置电极系统、优化加电压方式、调节电解液类型和pH值等关键参数，解决不同加电压方式下离子型稀土矿的浸矿效率、典型重金属释放迁移的问题，在实验室内高效模拟各种条件下的浸矿效率、重金属离子迁移与释放过程，探究改良措施与各项改良参数之间的相关性，并综合各项指标确定最佳改良方案。
[0007]本申请实施例提供了一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，包括直流稳压电源、矿体溶浸土柱装置、蠕动泵、电解液存储装置和浸出液收集装置;
[0008]矿体溶浸土柱装置从上至下包括上水系微孔滤膜、上石英砂垫层、上组合电极、矿区腐殖层土壤、矿区全风化层土壤、矿区半风化层土壤、下组合电极、下石英砂垫层和下水系微孔滤膜，其中，上组合电极还设有穿过上石英砂垫层和上水系微孔滤膜并向上延伸一段的上电极棒，下组合电极还设有穿过下石英砂垫层和下水系微孔滤膜并向下延伸一段的下电极棒;
[0009]直流稳压电源的电源正极与上电极棒电性连接，直流稳压电源的电源负极与下电极棒电性连接;
[0010]蠕动泵的软管一端与矿体浸出土柱装置上端连接，另外一端伸入到电解液存储装置中，将电解液存储装置中的电解液缓慢泵入到矿体浸出土柱装置上端;
[0011]浸出液收集装置设于矿体溶浸土柱装置下方，用于收集从矿体溶浸土柱装置流出的浸出液。
[0012]作为本申请的一些实施例，还包括有支撑底座，矿体浸出土柱装置放置于支撑底座上，浸出液收集装置设于支撑底座下方。支撑底座在提高整个柱浸试验装置稳定性的同时方便浸出液的收集与取出。
[0013]作为本申请一些实施例的优选，直流稳压电源采用可编程的线性电源，可编程的线性电源其具有高精度、低噪声、低纹波输出，支持编程控制，响应快速，适应动态负载，配备过压保护、过流保护、过温保护等多重保护措施，确保设备和被测物的安全。
[0014]作为本申请一些实施例的优选，直流稳压电源的电源正极和电源负极均设有鳄鱼夹，便于与矿体浸出土柱装置连接。
[0015]作为本申请一些实施例的优选，上组合电极和下组合电极采用石墨烯材料，其电导率极高，可以在柱浸试验中实现高效的电场分布，有助于电渗析、电迁移等电化学过程的进行，石墨烯耐酸碱和抗腐蚀性能优异，适合柱浸试验中处理各种复杂环境，包括高盐度、强酸或强碱溶液，而且石墨烯具有较低的过电位和快速的电子传递能力，可以有效促进氧化还原反应，增强污染物的释放或迁移效率。
[0016]作为本申请一些实施例的优选，上组合电极包括电极板与设于电极板上的上电极棒，下组合电极包括电极板与设于电极板下的下电极棒，能够在局部范围内通过上电极棒和下电极棒实现强电场的集中作用，同时通过电极板扩展电场分布，保证电场在整个实验区域内更加均匀。
[0017]作为本申请的一些实施例，上电极棒、下电极棒与电极板的组合可根据试验需求灵活调整布局和电压大小，适应复杂的试验条件，可以通过改变上电极棒、下电极棒的位置或电极板的倾角，控制电场强度和方向。
[0018]作为本申请的一些实施例，矿体浸出土柱装置整体呈圆柱形，模拟矿山中的离子交换柱。
[0019]作为本申请的一些实施例，矿体浸出土柱装置使用透明亚克力材料通过热熔、胶粘等方式制作而成，具有良好的密封效果，可防止水分、气体或污染物的泄漏，亚克力材料对大多数土壤溶液、污染物和实验试剂具有较强的抗腐蚀能力，不易与化学物质发生反应，确保实验环境的稳定性，试验结束后，亚克力材料的表面容易清洁，可以重复使用，节省试验成本。
[0020]作为本申请的一些实施例，矿体浸出土柱装置的侧壁设有与矿区腐殖层土壤、矿区全风化层土壤和矿区半风化层土壤相对应的通孔，便于获取各矿土层土壤浸矿后的土样，矿体浸出土柱装置底端设有滤孔，用于浸出液的滤出，实现浸出液的收集。
[0021]作为本申请的一些实施例，该柱浸试验装置中的电解液存储装置和浸出液收集装置均使用聚乙烯材料的样品储存瓶，聚乙烯材料对大多数酸、碱和盐溶液具有良好的抗腐蚀性，不易与试验液体发生反应，保证溶液性质的稳定性。
[0022]作为本申请的一些实施例，矿体浸出土柱装置底部设有均匀的滤孔和漏斗部，便于浸出液的收集。
[0023]作为本申请的一些实施例，矿区腐殖层土壤厚度为2cm～4cm，矿区全风化层土壤厚度为5cm～20cm，矿区半风化层土壤厚度为2cm～4cm。
[0024]本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0025]1、环境友好性与实验精准性协同提升：矿体溶浸土柱装置分层设置腐殖层、全风化层及半风化层土壤，通过直流稳压电源与组合电极系统构建定向电场，驱动稀土离子定向迁移，结合蠕动泵精准输注电解液，真实还原矿山地质结构与流体动态，确保实验数据可靠，为优化开采工艺提供高精度模拟环境，减少化学浸取剂依赖，从源头降低污染风险。
[0026]2、操作效率与功能扩展性优化：透明亚克力材质的柱体设计支持实验过程可视化观测，侧壁通孔便于分层取样;电极倾角与位置可调，适配不同电场强度与方向需求，配合可编程电源动态调控电压参数，实现快速实验条件切换，缩短参数优化周期，提升研发效率。
[0027]3、理论支撑与产业化应用价值：通过实时监测浸出液重金属离子浓度及土壤样品变化，系统揭示电场强度、电解液组分与离子迁移速率的量化关系，为建立电化学迁移模型提供核心数据;模块化设计增强装置稳定性与可重复性，降低单次实验成本，为电动采矿技术从实验室研究向工程化推广提供关键技术支撑。
附图说明
[0028]图1为本申请实施例一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置的结构示意图;
[0029]图2为本申请实施例上组合电极的结构示意图。
[0030]附图中标记为：1、直流稳压电源;11、电源正极;12、电源负极;2、矿体浸出土柱装置;21、上水系微孔滤膜;22、上石英砂垫层;23、上组合电极;231、上电极棒;24、矿区腐殖层土壤;25、矿区全风化层土壤;26、矿区半风化层土壤;27、下组合电极;271、下电极棒;28、下石英砂垫层;29、下水系微孔滤膜;3、蠕动泵;4、电解液存储装置;5、浸出液收集装置;6、支撑底座。
具体实施方式
[0031]为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0032]实施例1：本实施例为一种模拟离子型稀土电动采矿的柱浸试验装置，如图1、图2所示，包括直流稳压电源1、矿体溶浸土柱装置2、蠕动泵3、电解液存储装置4和浸出液收集装置5;
[0033]矿体溶浸土柱装置2从上至下包括上水系微孔滤膜21、上石英砂垫层22、上组合电极23、矿区腐殖层土壤24、矿区全风化层土壤25、矿区半风化层土壤26、下组合电极27、下石英砂垫层28和下水系微孔滤膜29，其中，上组合电极23还设有穿过上石英砂垫层22和上水系微孔滤膜21并向上延伸一段的上电极棒231，下组合电极27还设有穿过下石英砂垫层28和下水系微孔滤膜29并向下延伸一段的下电极棒271;
[0034]直流稳压电源1的电源正极11与上电极棒231电性连接，直流稳压电源1的电源负极12与下电极棒271电性连接;
[0035]蠕动泵3的软管一端与矿体浸出土柱装置2上端连接，另外一端伸入到电解液存储装置4中，将电解液存储装置4中的电解液缓慢泵入到矿体浸出土柱装置2上端;
[0036]浸出液收集装置5设于矿体溶浸土柱装置2下方，用于收集从矿体溶浸土柱装置2流出的浸出液。
[0037]实施例2：本实施例与实施例1整体结构相同，是对其的进一步选型优化，如图1、图2所示，本实施例中：
[0038]还包括有支撑底座6，矿体浸出土柱装置2放置于支撑底座6上，浸出液收集装置5设于支撑底座6下方。支撑底座6在提高整个柱浸试验装置稳定性的同时方便浸出液的收集与取出。
[0039]直流稳压电源1采用了可编程的线性电源，其具有高精度、低噪声、低纹波输出，支持编程控制，响应快速，适应动态负载，配备过压保护、过流保护、过温保护等多重保护措施，确保设备和被测物的安全。
[0040]直流稳压电源1的电源正极11和电源负极12均设有鳄鱼夹，便于与矿体浸出土柱装置2连接。
[0041]上组合电极23和下组合电极27采用石墨烯材料，其电导率极高，可以在柱浸试验中实现高效的电场分布，有助于电渗析、电迁移等电化学过程的进行，石墨烯耐酸碱和抗腐蚀性能优异，适合柱浸试验中处理各种复杂环境，包括高盐度、强酸或强碱溶液，而且石墨烯具有较低的过电位和快速的电子传递能力，可以有效促进氧化还原反应，增强污染物的释放或迁移效率。
[0042]上组合电极23包括电极板与设于电极板上的上电极棒231，下组合电极27包括电极板与设于电极板下的下电极棒271，能够在局部范围内通过上电极棒231和下电极棒271实现强电场的集中作用，同时通过电极板扩展电场分布，保证电场在整个实验区域内更加均匀;上电极棒231、下电极棒271与电极板的组合可根据试验需求灵活调整布局和电压大小，适应复杂的试验条件，可以通过改变上电极棒231、下电极棒271的位置或电极板的倾角，控制电场强度和方向。
[0043]矿体浸出土柱装置2整体呈圆柱形，模拟矿山中的离子交换柱。
[0044]矿体浸出土柱装置2使用透明亚克力材料通过热熔、胶粘等方式制作而成，具有良好的密封效果，可防止水分、气体或污染物的泄漏，亚克力材料对大多数土壤溶液、污染物和实验试剂具有较强的抗腐蚀能力，不易与化学物质发生反应，确保实验环境的稳定性，试验结束后，亚克力材料的表面容易清洁，可以重复使用，节省试验成本。
[0045]矿体浸出土柱装置2的侧壁设有与矿区腐殖层土壤24、矿区全风化层土壤25和矿区半风化层土壤26相对应的通孔，便于获取各矿土层土壤浸矿后的土样，矿体浸出土柱装置2底端设有滤孔，用于浸出液的滤出，实现浸出液的收集。
[0046]本柱浸试验装置通过蠕动泵3输送电解液到矿体浸出土柱装置2中，蠕动泵3作为一种高精度液体输送设备能够实现精准的流量控制，由于结构简单，且作为主要耗材的软管更换便捷，减少了维护成本，加上蠕动泵3的使用寿命长，适合长时间实验运行，可以较好的还原电动采矿中的持续注液。
[0047]该柱浸试验装置中的电解液存储装置4和浸出液收集装置5均使用聚乙烯材料的样品储存瓶，聚乙烯材料对大多数酸、碱和盐溶液具有良好的抗腐蚀性，不易与试验液体发生反应，保证溶液性质的稳定性。
[0048]矿体浸出土柱装置2底部设有均匀的滤孔和漏斗部。
[0049]在本实施例的模拟实验过程中，除加了200ml的电解液用于离子交换外，其余时刻用去离子水来保证土壤的湿润，去离子水具有高纯度、化学稳定性和广泛适用性的优点，避免矿物离子引发的沉积和结垢，保护设备并保证试验结果的可靠性。
[0050]利用本实施例的柱浸试验装置进行模拟试验的过程为：先封堵矿体浸出土柱装置2侧壁的通孔，而后在矿体浸出土柱装置2底部垫下水系微孔滤膜29，再在上面垫下石英砂垫层28，之后在下石英砂垫层28上放置下组合电极27，并使下电极棒271穿过下石英砂垫层28和下水系微孔滤膜29直到露出矿体浸出土柱装置2底部，以便后续与直流稳压电源1的电源负极12相连;
[0051]将矿土层土壤向矿体浸出土柱装置2内部填充，矿土层土壤为离子型稀土矿区不同矿层的土壤，矿土层土壤从下到上依次填充为2cm～4cm深度的矿区半风化层土壤26、15cm～20cm深度的矿区全风化层土壤25和2cm～4cm深度的矿区腐殖层土壤24;
[0052]然后在矿土层土壤上放置上组合电极23，并使其上电极棒231向上，再铺垫上石英砂垫层22和上水系微孔滤膜21，确保电解液从蠕动泵中注入到矿土层土壤下落后不飞溅且均匀分布于矿土层土壤表层并下渗，上电极棒231穿过上石英砂垫层22和上水系微孔滤膜21露出矿体浸出土柱装置2顶部，用鳄鱼夹与直流稳压电源1的电源正极11相连，最后在矿体浸出土柱装置2的下方放置浸出液收集装置5。
[0053]将直流稳压电源1的电源正极11和电源负极12分别接入上电极棒231和下电极棒271，启动蠕动泵3，在1L的电解液存储装置4内注入500ml去离子水作为土壤湿润液体，选择0.4ml/min流速挡位，进行5小时的土壤润湿，使矿体浸出土柱装置2内矿土层土壤达到试验所需含水率34%。
[0054]当500ml去离子水全部渗透矿土层土壤后，将200ml浸矿剂(电解液)溶液通过蠕动泵3注入到矿体浸出土柱装置2中，浸矿剂全部注入完后，当矿体浸出土柱装置2底部开始有浸出液流入浸出液收集装置5时，开启直流稳压电源1，根据需求调节电源正极11和电源负极12之间的输出方式。
[0055]通过矿体浸出土柱装置2侧壁每层矿土层土壤相对应的通孔来获取电动采矿过程中不同时刻不同矿土层土壤的土样，按需求测量不同时刻不同矿土层的土样和各浸出液收集装置5内浸出液重金属离子浓度，即可得到不同加电压条件下，施加电压过程中矿土和浸出液的重金属离子浓度的变化，从而对重金属离子迁移和释放行为的进行深入研究，为开发高效的污染控制和治理技术提供理论支持和实践指导，为矿山的绿色开采和生态环境保护提供有力的理论支撑。
[0056]通过以上过程，可以更准确更便捷地获取相关数据，进一步完善重金属离子电化学迁移理论，揭示不同电压条件下重金属离子的释放迁移机制，丰富电动采矿技术理论。
[0057]尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0058]显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
说明书附图(2)
