毛管中液体上升或下降高度与毛管力的关系,实质上反映毛管力与饱和度的关系。这种关系用数学解析式来表示很困难。通常采用图解的方法表示。图1(1)绘出了多孔介质的毛管力与对水饱和率的关系,是堆浸中一种典型例子。试验时,先使溶浸液逐步占据试验柱内矿石中的孔隙,最终使其完全饱和。然后,很快地将试验柱中的液体排出。试验过程中压力测量采用压力膜装置进行,饱和度采用测定被吸附和排出的液体量计算。假设完全饱和时孔隙中的液体量为孔隙容积的95%,当排驱或放出柱中的液体时,液体很快流出,且排出量逐渐减少,以至最后不再有液体排出。此时,柱中尚留有部分液体,人们称此时柱中物料的饱和度为剩余饱和度,用Sn表示,它的物理意义是:多孔介质中不能靠重力排驱的液体量。
图1(1)
图1(2)
图1 多孔介质的毛管力与对水饱和率的关系(1)
矿石粒度与剩余饱和度和液升高度的关系(2)
由图1可知:(1)当柱中的液体不再排出时,仍然有部分孔隙为液体所占据,这部分孔隙中的液体只能靠蒸发才能排除。(2)堆浸中周期布液时,孔隙中液体的往复流动仅仅在完全饱和与剩余饱和度之间进行,图1(1)中的溶浸液流动区,称为未饱和区。很显然,堆浸过程中在该区域内,液体与空气作交替流动。这是堆浸与搅拌浸出、原地浸出、泡浸的根本区别。
图1(2)是R.W.巴特利特用铜废矿石试验的结果。试验说明,多孔介质的物料,尤其是物料的粒径大小将会影响多孔介质的剩余饱和度Sn。物料的粒径越大,Sn越小;物料的粒径越小,Sn就越大。多孔介质中颗粒尺寸与剩余饱和度的关系,很难使用数学表达式,一般通过实验数据作图求出。Sn越大,多孔介质中的空气就越少。当一种物料的粒度小到足以使其Sn达到95%时,则整个物料中的液体便难排出,此时,空气几乎不能进入到多孔介质中去。在堆浸作业中,如矿石含粉矿或细泥的量很高,矿堆的Sn很大,空气很难进入矿堆,这对金、铜、铀的堆浸是十分不利的,在此情况下,必需造粒。
R.C.梅里特在《铀的提取冶金学》一书中指出:“水流间断通过露天矿堆排出,这种方法导致通常的逆毛细现象”。他所指的逆毛细现象就是:堆浸过程中,当停止溶浸液喷淋时,部分溶浸液从矿石孔隙中排出的现象,也即图1(1)中的排出曲线所代表的现象。应该指出,从毛管理论可以看出,这种逆毛细现象的提法是欠妥的。因为它只把因毛管力作用导致孔隙中吸进液体的现象,即图1(1)中的浸润曲线所表征的现象看成是毛细现象,而把排出曲线所表征的毛细现象看作是相反的一种作用。实际上,任何一种多孔介质中的毛管液上升或下降(吸入或排出)的现象,都是由毛管力决定的,都是毛管力的本质体现,是毛管力不可分割的统一体的两个方面而已。正是毛管力的这种特性,才有未饱和流领域理论的出现。在堆浸的实际工作中,称图1(1)中的排出曲线称为特性曲线。图中所指明的溶浸液流动区,称为未饱和淋浸区,它表示除第一次喷淋外,在整个堆浸过程中,每次喷淋时,矿石孔隙中所吸进的溶液量都不会超过矿堆完全饱和与剩余饱和度的差值,超过这个差值的溶浸液不起作用,白白浪费泵送能量;同理,停止喷淋时,从孔隙中排出的浸出液量也不会超过这个差值,当矿石孔隙中的含液量相当于其剩余饱和度时,除非采用蒸发的方法,矿堆中的液量是不会再减少的。故此,在堆浸的试验研究和生产实践中,应该尽可能地利用排出曲线的特性来确定两次喷淋之间的间歇时间,加快物质在孔隙中的扩散传质。