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文檔簡介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)物料的基本物理化學特性教學大綱要求內(nèi)容學時熟練掌握正確理解一般了解2.1 物料的鑒別12物料的基本物理性質(zhì)、表面化學性質(zhì)各種不同類型資源分類物料的鑒別2.2物料的物理性質(zhì)2.3表面化學性質(zhì)教學內(nèi)容 本章內(nèi)容是資源加工學的基礎知識,主要包括物料的鑒別、物料的物理性質(zhì)以及表面化學性質(zhì)。教學時間 12學時 教學重點 物料的物理性質(zhì)及表面化學性質(zhì)。教學難點 物料基本物理化學特性及其在分選過程中的應用。 教學方法 課堂教學為主,并通過實驗教學加深對課堂知識的理解。注意結(jié)合前面所學

2、知識表示的基礎內(nèi)容,將其與問題求解方法融為一體。及時提問、收集學生學習情況。 教學要求 熟練掌握物料的基本物理性質(zhì)、表面化學性質(zhì),正確理解各種不同類型資源分類,一般了解物料的鑒別。 教學參考書: 潘兆櫓 主編. 結(jié)晶學及礦物學(上、下冊). 北京:地質(zhì)出版社. 1990.10. H.B.別洛夫,A.A.戈道維柯夫,B.B.巴卡金. 齊進英等譯. 理論礦物學M. 北京:地質(zhì)出版社. 1988.6. 邱家驤 主編. 巖漿巖巖石學. 北京:地質(zhì)出版社. 1985.5. 馮鐘燕 主編. 礦床學原理. 北京:地質(zhì)出版社. 1984.5. 許時 主編. 礦石可選性研究. 北京:冶金工業(yè)出版社. 1995.

3、10. 周樂光 主編. 工藝礦物學. 北京:冶金工業(yè)出版社. 1990.5. 顧惕人等,表面化學,北京:科學出版社,2001. 2.1物料的鑒別教學內(nèi)容 本節(jié)講述資源加工學主要加工對象的概念和鑒別方法。包括以下內(nèi)容:(1)礦物,礦物、種、亞種、簇的基本概念;礦物的分類方法及其分類;礦物命名的依據(jù);礦物鑒定的目的與常用方法。(2)巖石的概念,巖石的分類和特征。(3)礦產(chǎn)、礦石、有用礦物、脈石礦物的概念。(4)二次資源極其他固體物料的分類。(5)非固體物料的概念。 (6)決定物料加工工藝的基本參數(shù):物料的物相組成、物料中元素賦存狀態(tài)、物料中物相嵌布特征、工藝產(chǎn)品的研究。教學時間 3學時。本節(jié)重點

4、礦物、礦石等基本概念以及決定物料加工工藝的基本參數(shù)。本節(jié)難點 區(qū)分礦物、礦石、巖石的概念。教學方法 課堂教學為主,結(jié)合舉例讓學生理解一些基本概念。教學要求 熟練掌握礦物、礦石、巖石的概念,正確理解各種不同類型資源分類。21.1礦物1礦物的概念礦物(Mineral)是指:由地質(zhì)作用所形成的結(jié)晶態(tài)的天然化合物或單質(zhì),具有均勻且相對固定的化學成分和確定的晶體結(jié)構(gòu);它們在一定的物理化學條件范圍內(nèi)穩(wěn)定,是組成巖石和礦石的基本單元 。準礦物(Mineraloid)為由地質(zhì)作用形成的非結(jié)晶態(tài)的天然化合物或單質(zhì)。在實驗室和生產(chǎn)工藝過程中研制和生產(chǎn)而形成的結(jié)晶態(tài)的化合物或單質(zhì),稱為工藝礦物。舉例講述。2礦物的分

5、類1) 概念礦物種(Species)是指具有一定的化學組成和一定的晶體結(jié)構(gòu)的一種礦物。人們給予每一種礦物的名稱,就是礦物的種名。礦物亞種(Subspecies)是指同屬于一個種的礦物,但在化學組成、物理性質(zhì)等方面有一定程度的變異者。2) 種的劃分原則(1)在礦物學中劃分礦物種時,對于同質(zhì)多象變體而言,同一物質(zhì)的不同變體雖然化學組成相同,但它們的晶體結(jié)構(gòu)有明顯的差別,因而應區(qū)別為不同的礦物種。(2)同一礦物的不同多型,盡管晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)層的堆垛順序有所不同,有時可能屬于不同的晶系,但仍把它們聯(lián)合為一個名稱,看成是同一個礦物種。(3)根據(jù)國際及我國新礦物及礦物命名委員會的規(guī)定,在類質(zhì)同象系列中只有

6、端員礦物才能作為礦物種獨立命名,而中間成員稱為亞種,按其靠近的端員礦物種命名,再在前面加上形容詞;若有些類質(zhì)同象系列礦物,命名時尚未發(fā)現(xiàn)靠近它的端員礦物,以后找到了端員礦物也不能取新的種名,只能作為亞種看待。3) 礦物分類方法結(jié)合礦石學簡單講述3礦物的鑒定簡單講述。簡單講述。4礦物的鑒定簡單講述。212巖石1巖石及工藝巖石概念:巖石(Rock)是天然產(chǎn)出的由一種或多種礦物(包括火山玻璃、生物遺骸、膠體)組成的固體集合體。 巖石根據(jù)其成因,可分為三類:巖漿巖(Magmatic Rocks)、沉積巖(SedimentaryRocks):變質(zhì)巖(Metamorphic Rocks):巖石根據(jù)其主要礦

7、物種類的多少,可分為兩類:單礦巖、多礦巖。2巖石的特征結(jié)合礦石學簡單講述。213礦石(1)礦產(chǎn)、礦石概念礦產(chǎn)是指能被利用的礦物資源,目前按礦產(chǎn)的性質(zhì)及其主要工業(yè)用途可分為以下三類:金屬礦產(chǎn)、非金屬礦產(chǎn)和可燃性有機巖礦產(chǎn)。礦石(Ore)從礦體中開采出來的,從中可提取有用組份的礦物集合體。一般由礦石礦物和脈石礦物兩部分組成。礦石礦物是指可以利用的金屬或非金屬礦物,也稱有用礦物。脈石礦物是指礦石中目前還不能被利用的礦物,也稱無用礦物。214二次資源及其他固體物料分為以下三類: 二次資源產(chǎn)、非傳統(tǒng)礦物資源、非礦物資源固體物料。215非固體物料(煙塵、氣、液)216決定物料加工工藝的基本參數(shù)1物料的物相

8、組成查明物料中的物相(如有用礦物和脈石礦物)組成和含量,是決定物料加工工藝的基本參數(shù)之一。2物料中元素賦存狀態(tài)在礦石中有用元素主要有以下五種存在形式:(1)形成獨立礦物、 (2)呈類質(zhì)同象混入物形式存在于其他礦物中、(3)呈固溶體分離狀態(tài)、(4)呈包裹物形式存在、(5)呈吸附狀態(tài)。3物料中物相嵌布特征物料中物相的嵌布特征、磨碎或破碎時的單體解離度,是決定物料加工工藝的基本參數(shù)之一。4工藝產(chǎn)品的研究2.2物料的物理性質(zhì)教學內(nèi)容 本節(jié)講述物料的物理性質(zhì)以及在物料分選之間的應用。主要內(nèi)容包括:(1) 物質(zhì)密度、礦石真密度、礦石堆密度的概念;(2)顆粒形狀系數(shù)、形狀支書的描述,單顆粒粒徑和粒群粒度的描

9、述;(3)顆粒的表面積與比表面積的定義與測定方法;(4)磁性基本概念:磁化物質(zhì)的磁矩、磁化強度、物質(zhì)體積磁化率、物質(zhì)比磁化率; 物質(zhì)磁性的分類以及各種磁性物質(zhì)的特點,鐵磁性物質(zhì)的鐵磁效應、鐵磁質(zhì)結(jié)構(gòu)以及磁化過程。退磁場,退磁因子的定義,物體磁性和物質(zhì)磁性的聯(lián)系與差異。礦物磁性的分類。(5)電性 基本概念:電導率、電阻介電常數(shù)、比導電度、整流性。教學時間 5學時。本節(jié)重點 講述物料密度、顆粒的幾何特征、表面積、磁性、電性質(zhì)等物理性質(zhì)。 本節(jié)難點 利用物理性質(zhì)上的差異進行物料分選的基本原理。教學方法 課堂教學為主,結(jié)合舉例讓學生理解一些基本概念及其在物料分選中應用的基本原理。教學要求 熟練掌握物料

10、的物理性質(zhì)中所包括的內(nèi)容,正確認識其在物料分選中應用的基本原理。2.2.1密度物質(zhì)密度:單位體積的物質(zhì)的質(zhì)量叫做密度,用表示,其單位按國際單位制為kg/m3,按厘米克秒制為g/cm3。礦石真密度:礦石是礦物加工的主要對象,礦石是多種有用礦物和脈石礦物的混合體,其單位體積礦石的質(zhì)量叫做礦石的真密度,單位kg/m3。礦石堆密度:堆積的礦石存在孔隙,一定粒度組成的礦石自然堆積時,其單位體積的質(zhì)量稱為礦石的堆密度,單位kg/m3。2.2.2物料顆粒的幾何特征顆粒的幾何特征主要包括顆粒的大小、形狀、表面積等。1.顆粒的形狀顆粒的輪廓邊界或表面上各點的圖像,稱作顆粒的形狀。顆粒形狀的定量分析方法有以下幾種

11、:(1) 形狀系數(shù)對規(guī)則形狀的顆粒而言,其表面積、體積分別和線性尺寸成平方或三次方的關系,其比例關系被定義為形狀系數(shù)。設顆粒的直徑為d、體積為V、面積為S,按上述定義得:表面形狀系數(shù):體積形狀系數(shù):比表面形狀系數(shù):因單位體積顆粒的比表面積,所以有:(2)形狀指數(shù)與形狀系數(shù)不同,它和具體的物理現(xiàn)象無關,只用數(shù)學表達式來描述顆粒的外形。常見的形狀指數(shù)有球形度和粗糙度等。球形度 廣為應用的球形度 的定義式為:粗糙度 為顆粒的實際表面積與把顆粒外觀看成光滑時的表面積之比,實際應用時如下:實際上球形度應表達如下:Gp其中 p粗糙度系數(shù);G幾何形狀系數(shù)。2. 粒徑與粒度粒徑是單個顆粒大小的度量,而粒度是描

12、述顆粒群大小的總體概念。(1)單顆粒的粒徑規(guī)則顆粒的粒徑:如顆粒是理想的規(guī)則幾何體,可以很方便地用13個特征長度準確地描述其形狀及大小。非規(guī)則顆粒的粒徑:不規(guī)則的礦物顆粒描述,采用名義直徑或標準直徑表示。名義直徑dn是根據(jù)顆粒的一種或兩種易于測量的實際尺寸或性質(zhì)計算出來的。通常采用的有四種名義直徑:軸徑,當量球徑;當量圓徑;統(tǒng)計直徑。 軸徑是指顆粒的特征線段的算術(shù)或幾何平均值二軸平均徑:平面圖形長徑和短徑的算術(shù)平均值db (l+b)/2三軸平均徑:立體圖形三維尺寸的算術(shù)平均值dc (l+b+h)/3 當量球徑是指與顆粒同性質(zhì)的球體直徑體積直徑:與顆粒具有相同體積的圓球直徑dv(V為顆粒實際體積

13、)面積直徑:與顆粒具有相同表面積的圓球直徑ds(S為顆粒的表面積)自由降落直徑(df):與顆粒同密度球體,在密度和粘度相同的流體中,與顆粒具有相同沉降速度球體的直徑(該球稱為標準粒子)式中l(wèi)液體的密度;s顆粒密度; vo顆粒沉降速度;介質(zhì)粘度;g重力加速度;阻力系數(shù) 當量圓徑是指與顆粒的投影輪廓同性質(zhì)的圓的直徑,投影面積直徑:與顆粒在穩(wěn)定位置投影面積相等的圓直徑da(A為顆粒的投影面積)統(tǒng)計直徑是指與某個固定方向平行測得的顆粒的長度尺寸。(2) 顆粒群的平均粒度和粒度分布顆粒群的粒度有以下幾種表示方法: 加權(quán)的算術(shù)平均值: 加權(quán)的幾何平均值: 加權(quán)的調(diào)和平均值:中位數(shù):以混合料各粒級累計質(zhì)量百

14、分數(shù)對粒級作圖,占混合料質(zhì)量一半時所對應的顆粒尺寸。2.2.3顆粒的表面1.表面積顆粒的表面積包括內(nèi)表面積和外表面積兩部分。外表面積是指顆粒輪廓所包絡的表面積,它由顆粒的尺寸、外部形貌等因素所決定。內(nèi)表面積是指顆粒內(nèi)部孔隙、裂紋等的表面積。2. 比表面積單位體積(或單位質(zhì)量)物體的表面積,稱為該物體的比表面積或比表面。以V代表顆粒的總體積(或以W代表顆粒的總質(zhì)量),以S代表其總表面積,以Sv(或Sw)代表比表面積,則有:或常用的比表面分析方法:(1) BET吸附法吸附法是在試樣顆粒的表面上吸附截面積已知的吸附劑分子,根據(jù)吸附劑的單分子層吸附量計算出試樣的比表面積,然后換算成顆粒的平均粒徑。BE

15、T吸附等溫式為式中 p 吸附氣體的壓力,po 吸附氣體的飽和蒸汽壓,V 吸附量,Vm 單分子層吸附量,K 與吸附熱有關的常數(shù)以p/V(p0-p)對p/p0作圖為一直線,由該直線的斜率和截距可以求得Vm值,再由Vm值及吸附氣體的分子截面積A,可計算出試樣的比表面積Sw,即:式中 v。 標準狀態(tài)下吸附氣體的摩爾體積(22410ml),N 阿佛加德羅常數(shù)(6.0231023分子mol)由于氮吸附的非選擇性,低溫氮吸附法通常是測定比表面積的標準方法,此時A=16.22,當測定溫度為-195.8時,上式可簡化為 Sw4.36Vm(2) 氣體透過法氣體透過法的理論根據(jù)是kozeny Carman關于層流狀

16、態(tài)下氣體通過固定顆粒層時透過流動速度與顆粒層阻力的關系式式中 P粉體層的阻力,L一一粉體層的厚度,一一氣體的粘度,u氣體的透過流動速度,粉體層的空隙率氣體透過法測定粉體比表面積應用最廣泛的是Bline法(又稱勃氏法)。Bline法是測定水泥比表面積的常用方法,也可用于測定其他干燥細粉。2.2.4磁性1. 磁化現(xiàn)象與物質(zhì)磁化率磁化強度為單位體積物質(zhì)的磁矩,可用下式表示:式中m為磁化物質(zhì)的磁矩(Am2),是物質(zhì)中所有原子磁矩的矢量和;V為物質(zhì)體積(m3),M為磁化強度(A/m)。磁化強度與外磁場強度成比例增加,故又可表示為 M=KH式中H為外磁場強度(A/m),K為物質(zhì)體積磁化率,無量綱,可用以表

17、示物質(zhì)磁性。合并公式2-22和2-23可得物質(zhì)體積磁化率為物質(zhì)磁化時單位體積和單位磁場強度具有的磁矩。物質(zhì)的磁性又可用比磁化率表示,即式中為物質(zhì)密度(kg/m3);與V之積為物質(zhì)質(zhì)量(kg);X為物質(zhì)比磁化率(m3/kg),是物質(zhì)磁化時,單位質(zhì)量和單位磁場強度的磁矩,又稱為質(zhì)量磁化率。與比磁化率相對應的一個物理量是比磁化強度即式中j為比磁化強度(Am2/kg)。磁感應強度與磁場強度的關系可用下式表示式中B為磁感應強度(T);為物質(zhì)磁導率(Tm/A);0為真空磁導率,等于;為相對磁導率,無量綱, 。不同物質(zhì)的不同,例如水的,鐵的 。磁感應強度又可表示為2. 物質(zhì)磁性的類型固體物質(zhì)的磁性可分為五類

18、:逆磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性。物質(zhì)按磁性類別可分為逆磁體,順磁體、鐵磁體、反鐵磁體和亞鐵磁體。(1) 逆磁性這類物質(zhì)的原子中的電子軌道磁矩和自旋磁矩互相抵消,即原子磁矩為零。當將這類物質(zhì)放進磁場時,每個電子都產(chǎn)生一個附加磁矩,附加磁矩的方向與外磁場方向相反,因而顯示逆磁性。逆磁質(zhì)的磁化率為負值,也是一個與溫度無關的很小的常數(shù)值。由于逆磁性來源于原子中電子的感應附加磁矩,故任何物質(zhì)都有逆磁現(xiàn)象。但非逆磁質(zhì)的原子磁矩不為零,其附加磁矩只有軌道磁矩的百萬分之幾,因此,不顯逆磁性。(2) 順磁性順磁性物質(zhì)具有原子磁矩或分子磁矩,即具有本征磁矩。無外磁場作用時,單個原子磁矩的取向與其余原

19、子磁矩的取向無關,各個原子磁矩的取向無序,并處于劇烈的熱振動狀態(tài),物質(zhì)總磁矩為零,因而對外不顯磁性。在外磁場作用下,原子磁矩有向外磁場取向的趨勢,外磁場越強,向外磁場方向取向的概率越大,物質(zhì)總磁矩增大。但由于磁場遠不能克服熱振動分子磁矩取向的破壞作用,所以這種物質(zhì)磁化時,對外顯順磁性。 順磁質(zhì)的體積磁化率為式中N為單位體積的原子數(shù);為原子(或分子、離子)磁矩;KB為波耳茲曼常數(shù),等于;T為絕對溫度;C為居里常數(shù)。上式表明,當溫度不變時,物質(zhì)體積磁化率為常數(shù),與磁場無關,當溫度變化時,磁化率隨溫度的提高而降低。(3) 反鐵磁性鉑、鈀、錳、鉻等反鐵磁質(zhì)的磁化率隨溫度變化,低于臨界溫度時,與順磁質(zhì)和

20、鐵磁質(zhì)都不同,隨溫度的提高而增加;只是在臨界溫度以后,才與順磁質(zhì)相同,磁化率隨溫度的提高而減少;在臨界溫度,磁化率有最大值。臨界溫度稱為尼爾()點,用TN表示。換言之,當溫度低于尼爾點時,呈反鐵磁性,溫度高于尼爾點時,呈順磁性。反鐵磁質(zhì)有小的正磁化率,其比磁化率為10-1010-9m3/kg數(shù)量級。(4)鐵磁性鐵、鈷、鎳和某些稀土元素等的磁性通稱為鐵磁性。這類物質(zhì)稱為鐵磁性物質(zhì)。 鐵磁效應磁化效應曲線:起初,磁場強度H由OHS時,磁感應強度B由OS,S為磁飽和點,BS為飽和磁感應強度,OS為起始(或基本)磁化曲線,然后,H由HSO時,則B由SBr,Br稱為剩余感應強度,這種退磁不可逆現(xiàn)象稱為磁

21、滯,意即B滯后于H的變化。當磁場強度H按反向由O-Hc時,則B由BrO,即剩磁被退掉,Hc稱為矯頑力,Hc的大小表明退磁的難易程度;繼之,H由-Hc-Hs時,則B 由O,在反向達到磁飽和,最后,H由時,則B由 ,即回到最初的磁飽和狀態(tài),形成封閉的磁滯回線。鐵磁質(zhì)的磁性概括起來為:磁化時,磁感應強度(或磁化強度)隨磁場強度的提高急劇增加,容易磁化到飽和狀態(tài);退磁時,有磁滯效應,撤消外磁場后有剩磁;外磁場按正弦波形變化時,磁感應強度按磁滯回線變化。磁疇結(jié)構(gòu)鐵磁質(zhì)是由許多自發(fā)磁化的小區(qū)域組成的,這些自發(fā)磁化的小區(qū)域叫做磁疇。每個磁疇內(nèi),在無外磁場作用的情況下,原子磁矩排列在同一方向上,即自發(fā)磁化到飽

22、和狀態(tài)。磁疇之間的邊界層叫做磁疇壁。相鄰磁疇的方向不同。因此,無外磁場作用時,各個磁疇的磁矩互相抵消,對外不顯磁性。 (5) 磁化過程在磁化磁場的作用下,鐵磁質(zhì)的磁化包括兩個過程:疇壁的移動和磁疇的轉(zhuǎn)動。疇壁移動時,與外磁場方向相近的磁疇的體積擴大,其他方向磁疇的體積縮小,以致消失。在低磁場中,磁化以壁移為主。在較高磁場中,磁化以疇轉(zhuǎn)為主。當所有磁疇都轉(zhuǎn)到外磁場方向時,磁化即達到飽和狀態(tài)。磁化曲線的BC段是以疇轉(zhuǎn)為主的磁化過程。鐵磁質(zhì)加熱到一定溫度后可變?yōu)轫槾刨|(zhì),這一轉(zhuǎn)變溫度稱為居里點。常用Tc表示,鐵的Tc=630K。鐵磁質(zhì)在居里點以上的磁化率可用下式表示。式中C為居里常數(shù),Tc為臨界溫度,

23、當TTc時,熱振動破壞了磁疇結(jié)構(gòu)。(6) 亞鐵磁質(zhì)亞鐵磁質(zhì)也有兩種次晶格,但其領近原子(或離子)磁矩的排列方向相反,大小不等,具有未被抵消的磁矩和相當大的自發(fā)磁化強度,因而具有很強的磁性,且與鐵磁質(zhì)的磁性十分相似。這種磁性被稱為亞鐵磁性。3物體的磁性將有限尺寸的磁性物體置于外磁場中磁化時,兩端自由磁極在磁化體內(nèi)部產(chǎn)生的磁場叫做退磁場。當磁化均勻時,退磁場強度與磁化強度M成正比:式中HN為退磁場強度(A/m);N為退磁因子(無因次)。退磁場強度HN的方向與外磁場強度H及磁化強度M的方向相反,它削弱外磁場對物體的磁化作用。對于一般的橢球體,沿它的三個主軸a、b、c的退磁因子Na、Nb和Nc的計算很

24、復雜,但有下述簡單關系:球體、細長圓柱體的無限大薄片是橢球體的特殊情況,其退磁因子分別為:球體:a=b=c,三個軸向的退磁因子相等,即細長圓柱體:,a軸方向的退磁場非常弱,Na0,其它兩個軸向的退磁因子相等,所以無限大薄片:b=c=,b、c軸向的退磁因子都為零,所以Na=1,Na=Nc=0長旋轉(zhuǎn)橢球體(ab=c)在a軸方向的磁化,可用下式計算退磁因子Na:式中a為橢球體的長軸,與外磁場方向平行;b為橢球體的短軸,與外磁場方向垂直。旋轉(zhuǎn)橢球體的退磁因子N也可用下述經(jīng)驗公式計算:顯然,退磁因子與磁化物體的形狀和磁化方向密切相關;薄片的退磁因子可達1;球體的退磁因子為1/3;細長圓柱體的軸向退磁因子

25、為零,徑向退磁因子為1/2。由于物體磁化時退磁場的產(chǎn)生,因而實際使物體磁化的有效磁場強度HE,即物體內(nèi)部的磁場強度,為外磁場強度HE與退磁場強度HN之差:HE = H HN 或 HE = H - NM上式表明,物體的退磁因子越大,退磁場強度也越大,有效磁場強度越小,物體越難磁化。物體磁化率可用下式表示:式中Kp為物體體積磁化率。物體體積磁化率Kp與物質(zhì)體積磁化率K=M/H的關系為物體比磁化率Xp與物質(zhì)比磁化率X的關系為物質(zhì)與物體的磁性差別取決于物體的形狀,即退磁因子N。退磁因子N隨尺寸比m的增大而減小,N介于01之間。物體體積磁化率小于物質(zhì)體積磁化率,即 ,物體比磁化率小于物質(zhì)比磁化率,即,具

26、體有三種情形: K0.2時,KpK,物體體積磁化率與物質(zhì)體積磁化率幾乎一致(弱磁性礦物); 在0.2K200時,物體體積磁化率接近常數(shù),近似于(強磁性礦物)。4. 礦物的磁性(1) 礦物按磁性分類根據(jù)磁性,按比磁化率大小把所有礦物分成強磁性礦物、弱磁性礦物和非磁性礦物。(2) 強磁性礦物的磁性磁鐵礦屬于亞鐵磁性物質(zhì),是典型的鐵氧體。鐵氧體的晶體結(jié)構(gòu)主要有三種:尖晶石型、磁鉛石型和石榴石型。2.2.5物質(zhì)的電性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)的電性質(zhì),在電學上按導電性能或電阻大小可分為導體、半導體和絕緣體。礦物的電性質(zhì)是指礦物的電阻、介電常數(shù)、比導電度以及電整流性等,它們是判斷能否采用電選的依據(jù)。1. 電導率電導率是

27、長1cm,截面積為1cm2的直柱形物體沿軸線方向的導電能力。它是電阻率的倒數(shù),是表示物體傳導電流能力大小的物理量。根據(jù)所測出各種礦物的電導率值,常將礦物分成下列三種類型:導體 電導率為104 S/cm 105S/cm,如自然銅。半導體 電導率為102 S/cm 10-10S/cm,介于導體與非導體之間。這種礦物很多,如硫化礦物和金屬氧化礦物。非導體 電導率為10-12 S/cm 105S/cm,如硅酸鹽礦物和碳酸鹽礦物。2電阻礦物的電阻是指礦物的粒度d=1mm時所測定出的歐姆數(shù)值。根據(jù)所測出各種礦物的電阻值,常將礦物分成下列三種類型:導體電阻小于106者。非導體電阻大于107者。中等導體其導電

28、性介于導體與非導體之間,電阻大于106而小于107者。對于電阻小于106者,電子的流動是很容易的,反之,電阻大于107者,電子不能在表面自由運動。當用電選分選導體和非導體時,兩者電阻值懸殊愈大,愈容易分選。3. 介電常數(shù)介電常數(shù)是指帶有介電質(zhì)的電容與不帶介電質(zhì)(指真空或空氣)的電容之比,用表示。在相同的電壓下,如果在電容器兩極之間放入介電質(zhì)后,則電容器之電容會增加。介電常數(shù)可用下式表示: 式中 Ck礦物或物料的電容,F(xiàn);C0空氣的電容,F(xiàn)。介電常數(shù)值的大小是目前衡量和判定礦物能否采用電選分離的重要判據(jù),介電常數(shù)越大,表示其導電性越好,反之則表示其導電性差。一般情況下,介電常數(shù)大于12者,屬于導

29、體,用常規(guī)電選可作為導體分出,低于12者,若兩種礦物的介電常數(shù)仍然有較大差別,則可采用磨擦電選而使之分開,否則,難以用常規(guī)電選方法分選。大多數(shù)礦物屬于半導體礦物。 礦物的介電常數(shù),可以用平板電容法及介電液體法測定。前者為干法,適應于大塊結(jié)晶純礦物,后者為濕法,可用來測細顆粒的介電常數(shù)。4. 比導電度比導電度測定裝置由一接地的金屬滾筒和一個平行于滾筒的帶高壓電的金屬圓管組成。被測礦物給到滾筒上,在電場的作用下,顆粒由于感應而產(chǎn)生表面電荷,當電壓達到一定數(shù)值時,顆粒變成導體,迅速變成等電位表面,與接地滾筒的電位相同,因此被吸向電極,使之落下軌跡發(fā)生偏離,此時電壓即為最低電壓。反之,如電壓低,礦粒不

30、表現(xiàn)出導體的偏離作用,而被吸附在滾筒上沿普通軌跡落下。為此可采用不同電壓、不同電性(正電或負電)測定出各種礦物所需的最低電壓。石墨是良導體,所需電壓最低,僅為2800V,國際上習慣以它作為標準,將各種礦物所需最低電壓與它相比較,此比值即定義為比導電度。5.整流性在測定礦物的比導電度時會發(fā)現(xiàn),有些礦物只有當高壓電極帶負電時才作為導體分出;而另一些礦物則只有高壓電極帶正電時才作為導體分出;還有一些無論高壓電極的正負,均能作為導體分出。礦物表現(xiàn)出的這種與高壓電極極性相關的電性質(zhì)稱作整流性。只獲得正電的礦物叫正整流性礦物,此時電極帶負電; 只獲得負電的礦物叫負整流性礦物,此時電極帶正電; 不論電極正負

31、,均能獲得電荷的礦物叫全整流礦物。2.3 表面化學性質(zhì)教學內(nèi)容 本節(jié)講述物料的表面化學性質(zhì)以及在物料分選之間的應用,主要包括晶體結(jié)構(gòu)與價鍵類型、表面能、表面化學與溶解、表面電性、表面潤濕性等。(1) 礦物價鍵類型的分類,價鍵類型與礦物解理的關系,礦物價鍵類型與表面性質(zhì)的關系;(2)礦物表面能與表面張力的概念,不同價鍵類型礦物表面能的計算;(3)硫化礦與氧化礦的氧化與溶解規(guī)律,及其對表面性質(zhì)的影響;(4)礦物表面電性的起源及其對表面性質(zhì)的影響;(5)潤濕、接觸角的基本概念,礦物表面潤濕性對表面性質(zhì)的影響,Young氏方程及其意義,接觸角與礦物表面潤濕性的關系,接觸角的測定方法。教學時間 4學時。

32、本節(jié)重點 礦物晶體結(jié)構(gòu)、價鍵特性、表面性質(zhì)之間的關系,表面電性與表面性質(zhì)之間的關系,Young氏方程及其意義,接觸角與礦物表面潤濕性的關系。 本節(jié)難點 礦物晶體結(jié)構(gòu)、價鍵特性、表面性質(zhì)之間的關系;利用表面化學性質(zhì)上的差異進行物料分選的基本原理。教學方法 課堂教學為主,結(jié)合舉例讓學生理解一些基本概念及其在物料分選中應用的基本原理。教學要求 熟練掌握物料的表面化學性質(zhì)中所包括的內(nèi)容,正確認識其在物料分選中應用的基本原理。2.3.1礦物的價鍵類型與晶體結(jié)構(gòu) 1.礦物的價健類型礦物內(nèi)部結(jié)構(gòu)按鍵能可分為四大類: (1)離子鍵或離子晶格。 (2)共價鍵或共價晶格。 (3)分子鍵或分子晶格。 (4)金屬鍵或

33、金屬晶格。2.價鍵特性與解離破碎時,礦物沿脆弱面裂縫、解理面、晶格間含雜質(zhì)區(qū)等處裂開,也會沿應力集中地區(qū)斷裂。 單純離子晶格斷裂時,常沿著離子界面斷裂,圖中的虛線表示斷裂面。 較復雜的離子晶格,則其解理面的規(guī)律是: (1)不會使基團斷裂;(2)往往沿陰離子交界面斷裂,就是沿離子義界面斷開,只有當沒有陰離子交界層時,才可能沿陽離子交界層斷裂; (3)當晶格中有不同的陰離子交界層或者各層間的距離不同時,常沿較脆弱的交界層或距離較大的層面間斷裂。 共價晶格的可能斷裂面,常是相鄰原子距離較遠的層面,或鍵能弱的層面。3.礦物表面價鍵特性受到破碎作用時出現(xiàn)新的表面,礦物的解理面和表面鍵性、表面性質(zhì)與礦物內(nèi)

34、部的價鍵性質(zhì)、晶體結(jié)構(gòu)互接相關。(1)由分子鍵構(gòu)成分子鍵晶體的礦物,沿較弱的分子鍵層面斷裂,其表面是弱的分子鍵。這類表面對水分子引力弱。接觸角都在60 90之間,劃分為非極性礦物。 (2)凡內(nèi)部結(jié)構(gòu)屬于共價鍵晶格和離子晶格的礦物,其破碎斷面往往呈現(xiàn)原子鍵或離子鍵,這類表面有較強的偶極作用或靜電力。因而親水,天然可浮性小。具有強共價鍵或離子鍵合的表面的礦物稱為極性礦物。2.3.2表面能 1.表面能與表面張力礦物表面與內(nèi)部的主要區(qū)別,就是礦物內(nèi)部離子、原子或分子相互接合,鍵能得到平衡;而表面層的離子、原子或分子,朝向內(nèi)部的一面,與內(nèi)層有平衡飽和鍵能,而朝向外面的是空間,這方面的鍵能沒有得到補償,使

35、表面質(zhì)點比體內(nèi)質(zhì)點具有額外的勢能,稱為表面能,熱力學上稱為表面自由能。表面自由能(As)也可定義為產(chǎn)生新鮮的單位固體表面所需的可逆功。 于是 根據(jù)表面熱力學,單位表面積的表面焓Hs為: 式中T溫度;Es總表面能;Ss單位面積的表面熵。 對于表面而言,PV項可以忽略不計??蔀楸砻婺蹺s相當于表面焓Hs,則有: 或 已知在恒定壓力下,表面熵Ss為: 于是得總表面能Es和表面張力的關系式: 對于多數(shù)液體,表面張力隨著溫度降低而呈線性減少。2. 表面能的計算(1)共價型晶體的表面能共價晶體表面能的估算最為簡單。因為共價鍵是靠兩個互相接近的原子共享電子對,并且是電子對貢獻電子形成的。其距離比離子鍵短得多

36、。因此,不必考慮長程力的相互作用。溫度為0K時金剛石表面能Es等于把1cm2面積上全部共價鍵打斷所需的能量E1的一半,即 金剛石鍵能為376.2kJ/mol。對于金剛石100解理面,1cm2面積上的原子數(shù)為: 為形成100解理面,每個原子必斷兩個鍵,因此,打斷1cm2100解理面全部共價鍵所需能量為: 。 111解理面1cm2面積上的原子數(shù)為 有1.831015個鍵4,若取鍵能為376.2kJ/mol,則有: 。(2)離子型晶體的表面能離子鍵是荷正電和荷負電的離子間形成的鍵,其作用距離長,屬長程力,而且不定向。離子晶體是離子主要通過庫侖力結(jié)合在一起的。因此,計算其表面能時,也是按表面上凈的互相

37、作用能來計算的。比較流行的是Huggins和Mayer8提出的勢函數(shù)模型: 式中右邊第一項是離子i、j之間的庫侖力(引力);第二、三項是偶極子相互作用引起的范德華力(引力);第四項是電子斥力。第一項是對表面勢能的主要貢獻,第二項約占20%30%。3. 棱邊能、棱角能 固體的表面張力還可以用下面簡化方式導出:假設最鄰近的晶格原子間的結(jié)合能為E,配位數(shù)為K,晶體的總原子數(shù)為n,當晶體相對原子而言足夠大時,其總結(jié)合能H(又稱晶體的凝聚能)為:固體斷裂時,設斷開的鄰近原子間距為a,則單位面積新鮮表面所具有的能量As為表面自由能的數(shù)值取決于晶體斷裂面的幾何形狀及表面原子所處的位置。棱邊及尖角處的原子的配

38、位數(shù)K小于表面平臺處的原子配位數(shù),故擁有較大的表面自由能,表現(xiàn)出較強的活性。 晶面上0.0662e2/a棱邊上0.0903e2/a尖角上0.249e2/a不平整的破裂面上,棱邊及尖角較多,比平整的破裂面具有更大的活性;再者,晶體破碎得愈細小,它的棱邊能、尖角能在表面能中所占的比例亦逐步增大。2.3.3表面氧化與溶解1.硫化礦物表面氧化與溶解硫化礦物的溶解度相對較小,但表面上的硫易發(fā)生氧化反應,從而改變硫化礦物的表面性質(zhì),這是硫化礦物的重要特征之一。硫化礦物的表面氧化反應有如下幾種形式,氧化產(chǎn)物有兩類,一是硫氧化合物,如 、 和 等,二是金屬離子的羥基化合物,如 、 。研究表明,氧與硫化物相互作

39、用過程分階段進行。第一階段,氧的適量物理吸附,硫化物表面保持疏水;第二階段氧在吸收硫化物晶格的電子之間發(fā)生離子化;第三階段離子化的氧化學吸附并進而使硫化物發(fā)生氧化生成各種硫氧化基。研究表明,在中性溶液中浮選時,需氧量按下列順序遞增:方鉛礦黃鐵礦磁黃鐵礦砷黃鐵礦。 2.氧化礦物的溶解與硫化礦物相比,在水溶液中氧化礦物的溶解度較大。礦物晶格結(jié)合的離子鍵成分愈強,晶格質(zhì)點與水的作用愈強,溶解度愈大。硫化礦物有較高的共價鍵成份,氧化礦物的離子鍵成分較高,而鹽類礦物完全是離子鍵晶體結(jié)構(gòu)。礦物溶解可以改變礦物的表面性質(zhì),如表面電性、表面導電性、潤濕性等,同時,由于溶解而進入液相的離子,改變了液相的化學組成

40、,從而影響溶解物與礦物的作用。2.3.4 礦物表面電性礦物在水溶液中受水偶極及溶質(zhì)的作用,表面會帶一種電荷。礦物表面電荷的存在影響到溶液中離子的分布,帶相反電荷的離子被吸引到表面附近,帶相同電荷的離子則被排斥而遠離表面。于是,礦物-水溶液界面產(chǎn)生電位差,但整個體系是電中性的。這種在界面兩邊分布的異號電荷的兩層體系稱為雙電層。1. 礦物表面電性起源有許多機理說明,礦物表面電荷的起源,歸納起來,主要有以下四種類型:(1)優(yōu)先解離(或溶解)離子型礦物在水中由于表面正、負離子的表面結(jié)合能及受水偶極的作用力(水化)不同而產(chǎn)生非等當量向水中轉(zhuǎn)移的結(jié)果,使礦物表面荷電。表面離子的水化自由能 可由離子的表面結(jié)合能和氣態(tài)離子的水化自由能計算。即對于陽離子M+,對于陰離子X,則根據(jù)何者負值較大,相應離子的水化程度就較高,該離子將優(yōu)先進入水溶液。于是表面就會殘留另一種離子,從而使表面獲得電荷。(2)優(yōu)先吸附這是礦物表面對電解質(zhì)陰、陽離子不

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