提取金属与盐的原地化学反应池 本发明涉及从含盐水体和卤水中以及从松散沉积物或岩石中提取不同种类金属的方法，本发明是按下述方法就地修建一座化学反应池，即“原地反应池”，充分利用原有的或人工创造的流体动压梯度使地下水和/或注入的液体通过反应池，使固体与溶液间产生化学反应，进而提取金属或盐。
本发明尤适于一定区域，如从中国西北部柴达木盆地那样的卤水中提取钾和锂，或者从黑色粘土页岩(卡林—内华达型矿床)中提取黄金。这一方法也可以用来提取其它金属或盐，如从卤水中提取硼或从黑色粘土页岩中提取铀。
大自然中的有金属和盐是在沉积物和岩石中以矿物形式存在，或是在地下水或含盐卤水中以离子状态存在。为了提取可利用的金属和盐，必须通过物理和/或化学方法将它们分离。一般地说，须首先用采矿的方法将矿石(固状、液状)开采出来，进而用物理或化学方法再次提纯。
图1是反应池的剖面图
图2是利用已有洼地的反应池的剖面图
图3是放有适量化学药剂的反应池的剖面图
图4是反应池的平面图
图5是本发明方法和常规方法的工艺流程的比较示意图
图6是集矿池剖面图
图7是集矿池平面图
图8是另一个集矿池的剖面图。
本发明地内容是：建造一特定结构的“原地反应池”，对所需提取的金属就地进行部份地或全部地分选。
本项发明所述“原地反应池”，可以按两种不同的类型，即根据①所需提取的金属或盐是否呈固状，或者②金属或盐在液体中呈离子状态而设置的：
第一种情况：如果所需提取的金属或盐呈固态的话，可以就地建造一个“原地反应池”，把一定量的水或化学药剂以溶液的形式注入固体中，使所需提取的金属或盐进行溶解。
第二种情况：如果所需提取的金属或盐以溶解的离子状态赋存于一种液体中的话，那么就可以建造一个“原地反应池”，把提取所需金属或盐所用的必要化学药剂以固态形式放置在现场的一个层位中，然后让上述液体流过。放置适当的化学药剂要这样进行，即首先把一深池挖到地下水面以下(见图1—图2)，或者充分利用已有的洼地(图2)。而后把适量的化学药剂(固体)放在池底，加不加砾石均可(图3)。固体的化学组分(化学药剂层)是按不同情况而定的。对此，后文还有用于提取钾和锂的两个实施例(实施例1和实施例2)。
应当这样选择化学药剂层所需的药剂，即或者所需提取的金属或盐在反应池的药剂层内化合，或者一种或多种不需要的元素在药剂层内化合，使所需提取的金属或盐存留在由反应池内流过的液体之中。在第一种情况中这些所需提取的金属或盐的某种化学药剂中化合，这种化合物可从药剂层中再次析出，使得在下一步能继续用通常的方法对金属和盐进行提纯。在第二种情况中可对留存有所需提取的金属或盐的液体继续进行提取(参见实施例1，提取钾)。在许多情况下，“原地反应池”中的化学反应，从经济上说，使得对所需提取的金属或盐的提纯更为合理。
参照图3，让液体流经固体，以使在固体和液体之间产生并维持一种化学反应。为使这种化学反应达到最佳效果，在两种情况中需要对液体流量比率进行调整。流量比率(Q)与反应池内水面有关，并与地下水的流体动力势能有关。
Q＝K(h0—h1)/(h2—h4)。
其中
h0＝地下水水面
h1＝原地反应池的水面平面
h2＝化学药剂层的表面
h3＝原地反应池的池底
(h0—h2)/(h2—h4)＝流体动压梯度
h1—h2＝水深
h2—h3＝化学药剂层的厚度
h0—h3＝挖掘的深度
h4＝含水砂层的顶面
h2—h4＝水运动距离
K是一个经验常数，它与水的渗透率有关。
因此，本发明中规定，要这样设立水动力梯度(h0—h1)/(h2—h4)，即能调整所需的流量比率Q。为这一目的可把流体动力势能(h0—h1)的差调整到最佳程度，其中：
(1)反应池中的流体动力势能(h1)，例如通过向外泵出液体，使液体水平面任意下降，或者
(2)提高在反应池中流动的液体(h0)的流体动力势能，例如通过泵压来提高。
由于K这个经验常数是随“原地反应池”中的化学反应情况变化而变化的，为保持所需的流速Q，流体动压梯度须不断改变。
为使化学药剂具有渗水性，还可以把一种能在流动的卤水中溶化的盐与化学提取药剂混合。在从柴达木型卤水中提取锂和钾时(参见实施例1和实施例2)，可把提取药剂(如天然碱泥浆)用NaCl混合。
为了借助一种注入溶液从黑色粘土页岩或油母页岩中提取金属(如黄金或铀)，矿床必须具渗水性和氧化性能。本发明规定，借且于页岩燃烧法，使矿床氧化并具渗水性，如目前提炼石油所用的方法就是这样。而本发明就是运用页岩燃烧法，来提到黑色粘土页岩或油母页岩中的金属。
实施例1，通过直接沉淀KCl，从卤水中提取钾盐(第二种“原地反应池”的应用实例)。
问题的提出：在干旱地区，例如在中国西北部柴达木盆地或以色列死海那样的地区内，有富钾天然卤水，同时也富含镁(Mg2+)，钠(Na+)和其它离子。从这种卤水中提取钾，若按常规的分离结晶法(参见图5虚线所示流程)，即通过蒸发再提纯的方法，有它的缺陷，首先沉积物中的卤水在1号蒸发池中沉淀NaCl，再在3号蒸发池中沉淀，所提取出来的钾镁盐(KCl·MgCl2·6H2O)。所需提取的产品KCl须再在提纯装置中从这种混合物中分离出来。这种分离法费用是很昂贵的。参照图5，这项“原地反应池”法的可行性是：在蒸发前，让一部分镁先沉淀出来，即Mg2+在流体流动时，部分Mg2+在化学药剂层内化合，并从液体中分离出来，接着再蒸发“原地反应池”中的卤水时，可直接沉淀出KCl。
在卤水富钾高镁的地区，可按下述方法建造“原地反应池”：
最好在近盐湖处，挖一个大池，长xm，宽ym，深zm，深度控制在地下水面以下(见图3)；或者利用已有的洼地建造“原地反应池”。x和y的几何尺寸与所计划的产量和经济条件有关。可以参照的情况是：例如，反应池x＝300m；y＝10m，可按当地情况确定不同的尺寸。
因为池的底部位于地下水面以下，通过流体动压梯度，水可以涌进池内。在池或洼地底部，铺上一层所选用的化学药剂(见后文；图3)。z的深度必须深至地下水面以下，以便能放置一层化学药剂，并且要有足够的间隙，通过流体动压梯度的变化来调整地下水的流速。
如果挖完池后，池即有卤水的话(也包括已有的洼地有类似情况)，那就将化学药剂撒入水中，让它沉入池底。撒入的化学药剂立即与卤水中的镁反应，使池内已有卤水中的镁部分被化合。然而重要的是，撒入的药剂在池底要形成一层。药剂层的厚度与所需地下水的流速和所计划的钾产量有关。通过向外泵水和蒸发，池中的卤水的水平面会下降。由此而产生的流体动压梯度使富钾高镁卤水从下部通过药剂层向池内流动(图3)。在流动中卤水与化学药剂发生反应，部分镁被化合。池内卤水中K+和Mg2+的比值按流速而定。这种流速是根据从池中泵出卤水的情况来调整的。用这种方法可以达到经济上所需的合理比值，进而可以从卤水中直接沉淀出KCl。
只要化学药剂不再与涌进的水中的镁离子产生反应，则需用新的一层药剂来替换。
参照图5，从池中泵出的卤水，须导入一蒸发池(如1号蒸发池)中。在这里蒸发时，氯化钠首先沉淀出来。在氯化钠沉淀出来以后，可把这种卤水导入下一级蒸发池(如2号蒸发池)中，在这里卤水通过蒸发使KCl沉淀出来。这种独一无二的KCl沉淀法是可行的，因为通过在“原地反应池”中的化学反应可造成足够高的K+/Mg2+比值。为了直接提取KCl，可以使这一蒸发池内的卤水蒸发到某一临界点，使卤水的K+/Mg2+比值继续下降，再使钾一镁(KCl·MgCl2·6H2O)沉淀出来。用这种方法可在第二个蒸发池内直接回收KCl。
第二蒸发池(2号蒸发池)中剩余的卤水可继续导入第三个蒸发池内。在第三个蒸发池内所提取的盐(KCl·MgCl2·6H2O)，可按常规的方法来制钾与镁。
也可以把从第二蒸发池中出来的剩余卤水重新导入“原地反应池”中，目的是用同样的方法再次人卤水中去掉镁(剩余卤水循环处理)，例如，可以把剩余水导回互“原地反应池”中化学药剂层下面的砾石中。
对于用来提取KCl的“原地反应池”来说，须选用阳离子与卤水的镁离子快速反应或快速交换的化学药剂。碳酸钠(Na2CO3，NaHCO3)和碳酸铵((NH4)2CO3)尤适于作这种化学药剂。不必使用较纯净的药剂。出于经济方面的原因，例如使用天然碱泥浆(Na2CO3·NaHCO3·2H2O)则更有意义。使用白云岩虽很便宜，可是这种岩石反应很慢，只是对长时间的生产设计才有意义。
实施例2，运用从卤水中直接沉淀Li(锂)的办法提取锂(第二种“原地反应池”的应用实施例)。
问题的提出：在像中国西北部柴达木盆地那样的干旱地区有富含锂的天然卤水，这种卤水也富含硫酸盐和其它离子。从含碳酸盐的地下水中提取锂可按惯用的方法通过蒸发来进行。所提取出来的成品是碳酸锂。如果地下水同时富含硫酸盐的话，因此就不能用惯用的方法从中提取锂。而这种“原地反应池”的方法就可以从富含硫酸盐的卤水中提取锂。
在盐水富含锂且硫酸盐浓度又很高的干旱地区，可按下述方法建造“原地反应池”：
最好在直接靠近盐源的地区挖一个池子，长度xm，宽度ym，深度zM，深度应在地下水面以下，或者利用已有的洼地。由于池底位于地下水面以下，可通过流体动压梯度使水涌入池内。在池底铺上一层锂的萃取剂(见后文)。
必须把锂的萃取剂放置在池底，即一层锂的萃取剂。通过往外泵水或通过蒸发使池中卤水水平面下降。进而造出一种流体动压梯度，以使含锂的卤水从而被固着下来。为使通过萃取剂层时的捕获作用达到最佳程度，可通过从池中泵出卤水进行调整。
如果在萃取剂中有足够的锂被固着下来的话，那就可以把这些锂取出来进一步加工。为使萃取剂在池底时不致被泥浆污染，可在铺放萃取剂层之前在池底铺上一层砾石。
假如卤水中的锂镁比值十分高，为了从这种卤水或剩余卤水中提取锂，可以把天然碱泥浆当作提取药剂使用：把锂与镁以碳酸盐的形式沉淀出来后，就可用通常的方法从这一碳酸盐层(即富锂层)中提取锂。
从用直接沉淀KCl法生产钾盐的2号蒸发池中出来的剩余卤水，且这种卤水一次或多次流经“原地反应池”，其锂的含量十分高。用这种方法可以富集卤水中的锂镁，也可富集钠或钾。
实施列3，从卡林型矿床中提取黄金(第一种“原地反应池”的应用实例)。
将一种可溶解黄金的溶液注入岩石之中，就可以从卡林型矿床中提取黄金。如果母岩具有渗水性，就可以采用这种注入法。此外，岩石也必须是氧化条件。由于风化作用的影响，在许多地方只有很少部分的卡林型矿床才符合这种条件，因此从这种矿床中开采黄金是不经济的。本发明的特点就是，用下面所讲的办法把矿床的岩石氧化并使其具渗水性，以便用一种更先进的溶解采矿法(特殊溶解法采矿)进行开采，这一采矿法即是本发明所利用的方法，以便从卡林矿床中开采黄金。本发明使得从卡林矿床中开采黄金变得经济了。
卡林型矿床的母岩是由黑色粘土页岩组成的。。这种黑色粘土页岩含有许多炭质，并具有可燃性。到今天为止一直用所谓的页岩燃烧法从富含碳氢化合物的黑色粘土页岩中提取石油。页岩燃烧法的作法就是，通过在岩中打钻，以使氧气在地下循环，使之持续燃烧。本发明所规定这种方法，它具有一种不同于一般的、新的应用范围。页岩燃烧法不是像通常那样仅是用来开采石油，而还可用来使黑色粘土页岩氧化并使它具渗水性，以便能从黑色粘土页岩中提取黄金和其它金属。页岩燃烧法新的应用目的是，建造定个“原地反应池”来提取黄金和其它金属。而且，使用这种页岩燃烧法也可回收石油作为副产品，但这不是本法的主要目的。
需在卡林型矿床中选择一黄金含量较高的地段，它可有几千平方米大，深度几百米。在所选择的这一地段内使用通常的页岩燃烧法，其目的是把金矿床的母岩氧化和使其具有渗水性。用炸药使这一地段内的岩石松动，而后打钻，经过这个钻孔泵入氧气(空气)，用火点燃黑色粘土页岩并使其氧化和具渗水性。用这种办法处理过的岩石(已成红色的了)现在可以当作用于提取黄金的原地反应池使用了。
那么现在就可以使用新的特殊溶解采矿法了。为使用新的方法在所选择好的地段内(图8)须挖一个或数个集矿池(图6和7)。与普通的溶解采矿法不同的是，在特殊采矿法中不是打小而深的泵孔，而是挖掘浅而大的池子。这些池子挖的一定要比地下水面深，以使注入的流体能汇集在池内。这些池必须有足够的深度，目的是通过泵出的液体能调整流体动压梯度，并通过集矿池来调整注入溶液的流速。必须指出的是，集矿池只占此地段厚度(深度)的一小部分。这一方法的优点是，随着流体动压梯度的变化，例如通过容集矿池中泵出液体和/或通过注入压力能用简单方法调整流速。此外，新的方法不仅能使注入孔和泵出孔之间的狭窄地段内的黄金能够溶解，而且能使集矿池下面的广阔地段的黄金溶解。
如果用这种方法建造“原地反应池”的话，可以从注入溶解开始。像通常所使用的很稀的氰氢酸可以当作溶解黄金的溶剂用。由于在把溶剂注入这一地段时，通过压力所产的水力压裂作用溶剂会更快地渗入氧化的和具有渗水性的岩石之中。因为这种岩石是被氧化的，氰氢酸在通过有机碳是不会被中和而能溶解黄金(因为有机碳中和氰氢酸，原先通过燃烧使母岩氧化而产生的氧化作用是必要的)。从原始状况上说，黑色粘土页岩几乎是不渗水的，因此氰氢酸溶液很难从反应池中流失。假设发生了这样的情况，氰氢酸立即被有机质中和。因此不存在污染地下水的问题。
通过反应池流动的、注入的溶剂会溶解母岩中的黄金和其它金属，并流入集矿池中。把这种溶液从集矿池中泵出，并按通常的办法继续加工。