物理科学

利用热成像技术防治和预测尾矿微粒排放

从干矿尾矿表面排放的粉尘是一个环境问题,破坏了采矿业的社会接受度。铝精炼废料的管理包括密集的泥浆养殖活动,旨在在残留物永久储存和场地修复之前加速干燥。在整个过程中,表面蒸发的速度要快得多,需要连续的原位监测尾矿干燥状态和速率,防止扬尘排放。来自加拿大Université de Sherbrooke的Josée Maurais开发了一种使用热成像来监测和量化蒸发速率的方法,使潜在的机制和它们的动力学得以阐明。

铝的开采和精炼业务从世界各地的铝土矿中提供有价值的铝金属和氧化铝。最近发生在矿山尾矿库的事件暴露了赤泥管理面临的环境挑战。尾矿是指从岩石中提取有价值的馏分后剩下的东西。通过拜耳热液法提取三水铝石后,铝土矿的废料(由碎岩石和固体颗粒组成,主要是铁氧化物)悬浮在废水中。在场地修复和修复之前,必须让所谓的赤泥在广阔的空地上晾干。这是通过在储存设施使用重型机械对尾矿进行泥耕处理来实现的;这些操作成本高昂,可持续数年之久。

许多人不知道是在干燥的矿井尾部表面发生时出现的环境问题。实际上,暴露的表面层比更深的层更快地干得更快,从而增加了颗粒物质排放的风险。风蚀导致颗粒的分散和盐化成空中。当它们在储存设施中与干式矿尾矿表面相互作用时,逃逸灰尘散射事件确实可以通过上升和/或吹风条件触发。矿井尾矿的气象条件和表面水分含量,使其容易发生颗粒物,以分散在邻近的社区以及环境中往往是知之甚少,难以预测。除了通过颗粒物质污染,急性健康和环境问题也可能是由重金属或其他有毒污染物的分散来引起可以通过逃逸颗粒物质排放来携带的。这些可能潜在地污染水和空气流和伤害水生生命。监测矿井尾矿的条件,尤其是它们的表面干燥状态和率,可以提高它们如何作为环境参数和气象条件的函数,矿山尾矿的物理化学和表面特性以及其热历史和热历史吸湿性。

塞萨尔loayza acero / Shutterstock.com

矿山拖尾监测策略
通过多种可用方法可以通过几种可用方法来监测来自矿井尾矿的逃逸粉尘排放,主要集中在水蒸发动力学和蒸发助熔剂上。通过“寻找”水从矿井尾矿表面蒸发的速度,研究人员试图预测蒸发和拖尾的干燥将对灰尘排放的风险。可以使用诸如反射测量的各种技术(测量湿表面的反射),介电常数和地面穿透测量,导电性和目视检查来完成矿山拖尾监测。

监测矿井尾矿的条件可以提高对环境参数和气象条件如何发展的理解。

然而,这些方法不容易应用于连续的现场监测,也不容易区分表层(这是这里重要的一层,因为它是在水蒸发时形成灰尘的原因,水通过表面张力产生的毛细管力将灰尘颗粒固定在地面上)和大量的矿山尾矿。因此,必须开发一种不同的方法,以满足蒸发动力学监测的效率、表层监测的准确性、现场应用的能力以及日常现场风险评估的易用性的需要。热成像技术是一种很好的选择,可以满足所有这些要求,并提供信息,以提高对矿物表面的水吸附、水蒸发动力学和蒸发通量的理解,以及环境因素对它们的影响。这些参数的信息可以影响我们控制矿山尾矿粉尘排放的能力,帮助解决矿业的一个重大环境问题。

Josée Maurais利用热成像技术监测铝土矿残留物储存区域。

热成像监测水蒸发
热成像的原理是基于所有物体都发射红外辐射这一事实。根据物体的形态、结构和化学成分,它辐射的红外光会有所不同;然而,适当的校准和验证,热辐照强度和光谱也可以揭示其温度。这种非侵入式的方法使用专门的相机和相关的软件进行图像分析。将热成像应用于矿山尾矿蒸发监测时,可以显示蒸发冷却引起的地表温度差异,因为,很容易理解,从尾矿干燥块发出的红外辐射会显示出它比从较冷、潮湿块发出的红外辐射更热。

基于这一想法,博士生Josée Maurais和她来自加拿大Université de Sherbrooke的同事们使用热成像技术监测铝土矿尾矿,并对尾矿中的水蒸气扩散和毛细管流动以及矿物表面的水分吸附进行了了解。在该团队最近的出版物《研究尾矿蒸发动力学的热成像方法》中,Maurais揭示了一种简单、便携、非侵入性的基于热成像的方法来研究尾矿中的水分蒸发动力学,这可以帮助预测逃亡的粉尘排放,基于对尾矿表面干燥状态的更好了解。

热成像相机把红外辐射变成可见光。

尾矿库表层水分蒸发动力学研究
Maurais和她的同事通过热成像研究了在给定的环境条件下在矿井尾矿中观察到的温度梯度。基于已知的信息,如检查样品厚度,初始含水量,铝土矿残留物的材料结构及其在毛孔中保留水的能力,其研究突出了控制拖尾表面层的干燥动力学的主要特征.将数据从原始的收集的热图像转变为表面温度,Maurais能够计算热和蒸发助焊剂,并且给予结构信息,她能够识别水运输机制。

该出版物指出,最初的主导机制是毛细管流动(通过非常狭窄的孔隙,头发一样厚的通道),蒸发速率强烈地依赖于被检测层的厚度以及环境相对湿度。经过这个初始阶段,蒸发状态发生变化,随着温度的上升(就像在初始阶段温度下降一样,因为快速蒸发导致显著的冷却),直到样品的体积和表层与周围空气达到平衡。到此为止,水从样品块到地表的运输要慢得多,当水汽通过干燥的表层扩散时,水的运输受到强烈的抑制,蒸发速度显著减慢,温度梯度接近于零。

时间序列的快照显示了蒸发的湿铝土矿残留物的热图像。

Maurais揭示了一种基于热成像的简单、便携、无创的方法来研究矿山尾矿中的水分蒸发动力学。

根据热成像数据,尾矿蒸发第一和第二阶段之间的过渡明显。一旦第二阶段完成,大体积样品的温度几乎等于环境温度,样品的含水量与大气的含水量达到平衡,表明蒸发不再发生,作为它的驱动(含水量差异,温度梯度)不再存在。为了量化矿尾蒸发了多少水,毛莱逆向计算,在蒸发过程中使用的相同环境条件下,测量了干铝土矿样品的水分吸收量。这个过程被称为“吸附等温线”,因为在标准的温度和湿度下,在多孔结构(平衡)上没有更多的水被吸附的点上,吸附(粘)在一个特定的样品上的水被量化。

热成像可以指示蒸发冷却引起的表面温度差异。从拖尾的干燥包裹中发出的红外辐射将揭示它比从冷却器,湿法包裹(水池)辐射的热量更热。

多孔介质中有效扩散系数
使用等温线在平衡的矿井尾矿中量化含水量,Maurais继续通过定义铝土矿残留物中水蒸气的有效扩散系数来表征蒸发动力学。对有效扩散系数的解释应该揭示水分子如何从更深层到矿尾部的深层的水分,通过互连的多孔微观结构的曲折,从而从矿井尾矿的表面上找到它们的方式。基于实验工作,Maurais发现通过铝土矿残留物的有效扩散系数随着外部环境空气的相对湿度的增加而降低。还观察到有效扩散系数比气相扩散的预期小于预期。这些小的扩散系数归因于铝土矿残留物的形态和化学组成部分,其允许水分子强烈地吸附到其表面上。援引另一种潜在的贡献:通过狭窄和曲折的互连孔结构的扩散运输可能妨碍进一步延续水蒸气的扩散运输。最后,随着环境空气的相对湿度增加的有效扩散系数的降低意味着,当环境侧有更多的水蒸气时,毛细血管冷凝可能导致孔隙结构的曲折性曲折造成较小的孔隙从而进一步妨碍了从体积到表面的水扩散。因此,所有这些现象都可以促进各种范围,以降低水蒸气通过铝土矿残留物的互连孔结构显示的扩散系数。

USS Heinl / Shutterstock.com

总之,Maurais在她的工作中展示的是,使用热成像(一种简单、便携和工业相关的方法)来监测水的蒸发动力学和尾矿的蒸发通量,有助于更好地理解蒸发机制和速率。这种知识,加上关于铝土矿残留物结构的资料,可以解释所观察到的行为,并有能力改善采矿设施的废物管理。尽管热成像的局限性在于只能提供平均蒸发通量,而不能提供样本区域的更细细节,但这项技术可以成为连续现场监测和支持风险评估工作的良好开端。

个人反应

是什么启发你进行这项研究?

Snow Albedo反馈是一种过程,灰尘颗粒减少了雪剂,反过来又提高了雪变质,导致其Albedo进一步降低。这种过程在不断发展的气候中对辐射转移性质以及冰川动态和熔化具有重大影响。了解铝土矿残渣的逃逸粉尘排放的影响可以为环境研究员提供一个方便的案例,以进一步了解雪黑反馈的反馈。

你接下来想学什么?

在冬季,从冻结的铝土矿残留物中也会产生浮尘排放。当沉积发生在新积雪上时,它们对邻近社区的影响就会加剧。这些阶段更加不可预测,因为在冻结的矿山尾矿中水运输的基本机制和速率大多是未知的。由于在冬季,当水在冻结的湿铝土矿渣中凝固时,毛细流动大多无效,预计尾矿的蒸发速率将受到强烈抑制,在北方和极地地区典型的冬季干燥和寒冷条件下,由于冰升华,浮尘排放的风险会大大增加。

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