一种基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法

本发明涉及稀土离子迁移，尤其是涉及一种基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法。

背景技术：

1、离子型稀土原地浸矿过程中，溶浸液通过注液孔进入矿体内部与吸附在矿体表面的稀土离子发生交换反应，使其解析并随渗流过程渗滤浸出。根据离子型稀土浸取动力学相关研究，参见图1，离子型稀土的浸出过程为：溶浸液首先与稀土矿体颗粒表面的液膜层接触，镁离子通过扩散作用到达矿物颗粒表面(液膜扩散)，稀土离子与镁离子发生离子交换反应后，稀土离子从矿体表面解析出来，而镁离子吸附到矿体颗粒表面；在之后的交换反应中，镁离子通过扩散作用进一步穿过吸附固膜层才能到达稀土离子吸附表面，与吸附稀土离子发生离子交换反应(固膜扩散)，交换后的稀土离子通过扩散作用进入溶浸液，随溶浸液渗出矿体，稀土离子浸取过程完成。稀土离子的浸出不仅与溶浸液渗流及离子迁移有关，还与矿体颗粒表面的离子交换反应密切联系。因此，可将稀土离子的浸出过程看作渗流、离子交换、溶质迁移耦合作用的过程。

2、为高效浸取离子型稀土，需要对稀土离子迁移规律进行研究。现有技术中采用模拟方法对稀土离子迁移过程进行模拟研究。稀土矿体属于多孔介质，多孔介质的细观结构复杂，结构的获得难度大、精度差，且稀土离子的浸出过程为渗流、离子交换、溶质迁移耦合作用的过程，而现有的稀土离子迁移模拟方法大都采用室内模拟柱浸实验和均质模型进行数值模拟计算，其大多采用单一的物理场，没有考虑多场耦合问题，使得构建的模型无法准确表征真实的离子型稀土孔隙结构，从而无法准确模拟稀土离子迁移过程。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法，能够构建细观尺度下具有真实尺寸、形状、渗流通道和孔隙比例及分布的离子型稀土数字化模型，提升稀土离子迁移过程模拟的准确性。

2、本发明的技术方案为：

3、一种基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法，包括下述步骤：

4、步骤1：获取离子型稀土矿体试样

5、步骤2：基于核磁共振成像技术获取离子型稀土矿体试样的孔隙结构图像

6、步骤3：对孔隙结构图像进行预处理并生成二维几何模型

7、步骤4：利用多物理场耦合软件模拟稀土离子迁移过程。

8、进一步的，所述步骤1中，所述获取离子型稀土矿体试样具体包括：在原地浸矿采场，用洛阳铲挖至表土层底部；将一根亚克力材质透明管打入矿体，抽出管体，得一段原状矿体试样；从原状矿体试样中截取一段圆柱试样，挖去圆柱试样两端部分矿土后塞入透水石，封闭圆柱试样两端后饱水处理，得离子型稀土矿体试样。

9、进一步的，所述步骤3中，对孔隙结构图像进行预处理并生成二维几何模型具体包括：对孔隙结构图像进行光源校正、图像分割、滤波去噪处理，生成二维几何模型。

10、进一步的，所述步骤4中，利用多物理场耦合软件模拟稀土离子迁移过程具体包括：将所述二维几何模型导入comsolmultiphysics多物理场耦合软件中，采用渗流控制方程、离子交换反应控制方程、溶质运移控制方程模拟稀土离子迁移过程。

11、进一步的，所述模拟稀土离子迁移过程具体包括：模拟稀土离子迁移过程的渗流场、浸出稀土离子平均浓度变化、不同时刻模型中稀土离子浓度分布。

12、进一步的，所述渗流控制方程为

13、

14、式(1)中，假设溶浸液不可压缩且在矿体孔隙内的流动过程用navier-stokes方程进行描述；u为流体的速度矢量，p为流体压力，单位为pa；ρ为流体密度，单位为kg/m3；μ为流体动力粘度；i为单位向量；t为时间，单位为s；f为体积力矢量，单位为n/m3；

15、离子交换反应控制方程为

16、

17、

18、式(2)中，假设吸附在矿体颗粒表面的稀土离子沿表面的切向发生传递；nt,i为表面摩尔通量，单位为mol/(m·s)；ds,i为物质i的表面扩散系数，单位为m2/s；cs,i为表面物质i的浓度，单位为mol/m2；式(3)为矿体颗粒表面各物质浓度控制方程，rs,i为表面反应和吸附解析现象引起的源项总和，单位为mol/(m2·s)；

19、溶质运移控制方程为

20、

21、式(4)中，ci为物质i的浓度，单位为mol/m3；di为物质i的扩散系数，单位为m2/s；ri为物质i的反应速率，单位为mol/(m3·s)。

22、本发明的有益效果为：

23、本发明通过核磁共振成像技术获取离子型稀土矿体试样的孔隙结构图像、对孔隙结构图像进行预处理并生成二维几何模型后利用多物理场耦合软件模拟稀土离子迁移过程，能够准确模拟稀土离子迁移过程。具体的，基于核磁共振成像nmri技术能够构建细观尺度下具有真实尺寸、形状、渗流通道和孔隙比例及分布的离子型稀土数字化模型，克服了现有模拟方法采用均质模型及单一控制方程导致模型无法准确表征真实离子型稀土孔隙结构的缺陷；采用构建的细观尺度下的模型，利用comsol多物理场耦合软件，耦合navier-stokes方程、离子交换反应控制方程、溶质运移控制方程，能够提升稀土离子迁移过程模拟的准确性。

技术特征：

1.一种基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法，其特征在于，包括下述步骤：

2.根据权利要求1所述的基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法，其特征在于，所述步骤1中，所述获取离子型稀土矿体试样具体包括：在原地浸矿采场，用洛阳铲挖至表土层底部；将一根亚克力材质透明管打入矿体，抽出管体，得一段原状矿体试样；从原状矿体试样中截取一段圆柱试样，挖去圆柱试样两端部分矿土后塞入透水石，封闭圆柱试样两端后饱水处理，得离子型稀土矿体试样。

3.根据权利要求1所述的基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法，其特征在于，所述步骤3中，对孔隙结构图像进行预处理并生成二维几何模型具体包括：对孔隙结构图像进行光源校正、图像分割、滤波去噪处理，生成二维几何模型。

4.根据权利要求1所述的基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法，其特征在于，所述步骤4中，利用多物理场耦合软件模拟稀土离子迁移过程具体包括：将所述二维几何模型导入comsolmultiphysics多物理场耦合软件中，采用渗流控制方程、离子交换反应控制方程、溶质运移控制方程模拟稀土离子迁移过程。

5.根据权利要求4所述的基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法，其特征在于，所述模拟稀土离子迁移过程具体包括：模拟稀土离子迁移过程的渗流场、浸出稀土离子平均浓度变化、不同时刻模型中稀土离子浓度分布。

6.根据权利要求4所述的基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法，其特征在于，所述渗流控制方程为

技术总结
本发明涉及稀土离子迁移技术领域，提供一种基于核磁共振成像的稀土离子迁移模拟方法，包括：步骤1：获取离子型稀土矿体试样；步骤2：基于核磁共振成像技术获取离子型稀土矿体试样的孔隙结构图像；步骤3：对孔隙结构图像进行预处理并生成二维几何模型；步骤4：利用多物理场耦合软件模拟稀土离子迁移过程，将所述二维几何模型导入COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件中，采用渗流控制方程、离子交换反应控制方程、溶质运移控制方程模拟稀土离子迁移过程。本发明能够构建细观尺度下具有真实尺寸、形状、渗流通道和孔隙比例及分布的离子型稀土数字化模型，提升稀土离子迁移过程模拟的准确性。

技术研发人员：饶运章,王丹,巫辅宇,许威,张美道,吴红,张世佳,谭述君
受保护的技术使用者：江西理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13