【采矿课件】第6章表面物理化学分选

第6章表面物理化学分选习题解答１.什么是表面物理化学分选？【解】利用物料颗粒间的表面物理化学性质差异来进行分选，称为表面物理化学分选。目前，表面物理化学分选方法中应用最广泛，也是最重要的是浮选。浮选是利用矿物表面物理化学性质差异，（特别是表面润湿性）在固-液-气三相界面，有选择性富集一种或几种目的物料，从而达到与废弃物料分离的一种选别技术。２.润湿现象中的沾湿(a)、铺展(b)和浸湿(c)三种类型有何区别和联系？【解】沾湿，系统消失了固-气界面和水-气界面，新生成了固-水界面，单位面积上位能降低为：WSL=gSG+gLG-gSL=-∆G如果gSG+gLGgSL，则位能的降低是正值，沾湿将会发生。铺展：系统消失了固-气界面，新生成了固-水界面和水-气界面，单位面积上W=gSG-gSL-gLG=-∆G若gSGgSL+gLG，水将排开空气而铺展，为了达到很好的润湿,须使gLG和gSL降低，而不降低gSG。浸没系统消失了固-气界面，新生成了固-水界面，单位面积上W=gSG-gSL因此，自发浸没的必要条件是gSGgSL，使每个连续阶段成为可能的必要条件是：由阶段Ⅰ到阶段ⅡgSG+gLGgSL由阶段Ⅱ到阶段ⅢgSGgSL由阶段Ⅲ到阶段ⅣgSGgLG+gSL如果第三阶段是可能的，则其他阶段亦皆可能。因此浸没润湿的主要条件是：gSG-gSLgLG。所以浸没润湿与铺展润湿的条件相同。３.固体颗粒表面润湿性的度量有哪些参数？与颗粒浮选行为有何联系？【解】固体颗粒表面润湿性的度量有接触角、润湿功与润湿性、粘着功与可浮性。接触角可以标志固体表面的润湿性。如果固体表面形成的θ角很小，则称其为亲水性表面；反之，当θ角较大，则称其疏水性表面。θ角越大说明固体表面疏水性越强；θ角越小，则固体表面亲水性越强。润湿功亦可定义为：将固-液接触自交界处拉开所需做的最小功。显然，WSL越大，即cosθ越大，则固-液界面结合越牢，固体表面亲水性越强。WSG表征着矿粒与气泡粘着的牢固程度。显然，WSG越大，即（1-cosθ）越大，则固-气界面结合越牢，固体表面疏水性越强。当矿物完全亲水时，θ=0°，润湿性cosθ=1，可浮性（1-cosθ）=0。此时矿粒不会附着气泡上浮。当矿物疏水性增加时，接触角θ增大，润湿性cosθ减小，可浮性（1-cosθ）增大。４.矿物的表面润湿性是如何分类的？【解】矿物表面润湿性，实际上反映了水化作用的强弱，其中价键性质是水化作用能的主要影响因素，因而矿物价键与其表面润湿性直接相关，依据价键特性，可以把矿物的自然润湿性分为4个类型，即强亲水性、弱亲水疏水性、疏水性、强疏水性。５.如何改变固体间表面的天然润湿性差异，创造出较大的人工润湿性差异，从而有利于实现浮选？【解】矿物或某些物料的浮选分离就是利用矿物间或物料间润湿性的差别，并用调节自由能的方法扩大差别来实现分离的。常用添加特定浮选药剂的方法来扩大物料间润湿性的差别。捕收剂：其分子结构为一端是亲矿基团，另一端是烃链疏水基团（石油烃、石蜡等具有大的q和天然强疏水性，见表6-1），参见图6-16。主要作用是使目的矿物表面疏水、增加可浮性，使其易于向气泡附着。起泡剂：主要作用是促使泡沫形成，增加分选界面，与捕收剂也有联合作用。调整剂：主要用于调整捕收剂的作用及介质条件，其中促进目的矿物与捕收剂作用的，为活化剂；抑制非目的矿物可浮性的，为抑制剂；调整介质pH的，为pH调整剂。６.矿物在水介质中的表面电现象是如何起源的？简述矿物表面的双电层结构。【解】矿物在水介质中的表面电现象起源于离子优先解离（或溶解）、离子优先吸附、离子吸附和电离、离子晶格取代。矿物表面的双电层结构可用斯特恩（Stern）双电层模型表示。在两相间可以自由转移，并决定矿物表面电荷（或电位）的离子称“定位离子”。定位离子所在的矿物表面荷电层称“定位离子层”或“双电层内层”。如图中的A-A层。溶液中起电平衡作用的反号离子称：“配衡离子”或“反离子”。配衡离子存在的液层称“配衡离子层”或“反离子层”、“双电层外层”。在通常的电解质浓度下，配衡离子受定位离子的静电引力作用，在固-液界面上吸附较多而形成单层排列。随着离开表面的距离增加，配衡离子浓度将逐渐降低，直至为零。因此，配衡离子层又可用一假设的分界面将其分成“紧密层”（或称“斯特恩层”），如图中的B-B层；以及“扩散层”[或称“古依（Gouy）层”]，如图中的D层。该分界面称为“紧密面”。紧密面离矿物表面的距离等于水化配衡离子的有效半径（δ）。７.什么是零电点PZC，什么是等电点IEP？【解】当ψ0为零（或表面净电荷为零）时，溶液中定位离子活度的负对数值被定义为“零电点”，用符号PZC（PointofZeroCharge）表示。当没有特性吸附，ζ电位等于零时，溶液中定位离子活度的负对数值为“等电点”。用符号IEP（IsoelectricPoint）表示。８.什么是动电现象？它有何应用？如何通过动电现象来测定ζ电位？【解】当一相相对于另一相运动时，会引起一些电现象，称为电动现象，包括电渗、电泳、流动电位和沉降电位。由电渗法测定ζ电位通常是测出电渗电流和液体的电渗流出体积Vml/s,由下式求出ζ电位：κ＊――溶液电导率Ω－1cm-1，3002为换算因子，η为粘度泊（g/cm·s），D为液体的介电常数，i为电流强度安培，V为电渗时液体流过多孔性物质的体积（ml·s-1）。电泳法测ζ电位通常由所施加的电场强度i，测得界面移动速度u，然后求得电泳迁移率u0,便可根据式（6-25）求得ζ电位(伏特)９.举例说明颗粒表面电性与浮选药剂的吸附，颗粒可浮性的关系？【解】PZC和IEP是矿物表面电性质的重要特征参数，当用某些以静电力吸附作用为主的阴离子或阳离子捕收剂浮选矿物时，PZC和IEP可作为吸附及浮选与否的判据。当pHPZC时，矿物表面带负电，阳离子捕收剂能吸附并导致浮选,pHPZC时,矿物表面带正电,阴离子捕收剂可以靠静电力在双电层中吸附并导致浮选。以浮选针铁矿为例，针铁矿的零电点PZC为pH=6.7，当pH6.7时，其表面电位为正，此时用阴离子捕收剂，如烷基硫酸盐RSO4-，或烷基磺酸盐RSO3-，以静电力吸附在矿物表面，使表面疏水良好上浮。当pH6.7时，针铁矿的表面电位为负，此时用阳离子捕收剂如脂肪胺RNH3，以静电力吸附在矿物表面，使表面疏水良好上浮。１０.锡石的ｐHpzc=6.6。计算ｐH=4和ｐH＝8时锡石表面电位的大小，并说明其表面电性质。分别在此两种不同条件下浮选锡石时，如何选择捕收剂？【解】pH=4时锡石表面电位选择阴离子性捕收剂pH=8时锡石表面电位选择阳离子性捕收剂11.简述半胶束吸附现象，及其在浮选中的应用。【解】当阴离子表面活性剂浓度较低时，离子完全靠静电力吸附在双电层外层，起配衡离子作用，因此又称为“配衡离子吸附”。在浓度较高时，表面活性剂离子的烃链相互作用，形成半胶束状态，产生半胶束吸附。这种吸附是在静电力吸附基础上，又加上分子烃链间的范德华力的作用。半胶束吸附有利于增强矿物表面的疏水性，强化药剂对矿物的捕收能力。１２.矿物溶解对浮选过程有何影响？【解】矿物溶解对浮选过程在以下几个方面存在影响。（1）矿浆pH值及其缓冲性质硫化物矿物溶解后对溶液pH值一般无影响。氧化物矿物溶解后，对溶液pH值的影响也不大。盐类矿物的矿浆pH值一般维持在某一狭小范围，这就是盐类矿物矿浆的缓冲性质。这意味着，无论矿浆的初始pH值是多大，经过一定时间平衡后，盐类矿物矿浆的pH值最终会趋于某一狭小范围。（2）可浮性水化能大的，其溶解度大，矿物亲水性大，可浮性差。因此，较难溶的纯净的硫化矿表现出一定的天然可浮性，而溶解度较大的氧化矿是亲水的，没有天然可浮性。（3）矿物溶解离子的活化作用由于矿物的溶解，使矿浆中溶入了各种离子，这些离子会对矿物的浮选产生重要影响。例如溶解的Cu2+会使闪锌矿、黄铁矿的浮选明显改善，这时，我们称Cu2+起了活化作用。１３.简述硫化矿物表面静电位与硫基捕收剂在矿物表面吸附的关系。【解】当电极上没有净电流通过（即开路条件）时所测得的电极电位被称为静电位。捕收剂只在那些矿物的静电位大于相应的二硫化物生成的可逆电位时，才氧化成二硫化物。对于那些静电位低于可逆电位的硫化物，使生成金属捕收剂盐。１４.简述硫化矿可浮性大小与容度积判据意义。【解】用药剂与硫化矿金属离子反应产物的溶度积大小衡量药剂对硫化矿的作用能力，溶度积小时，药剂对矿物的捕收能力强，反之则弱。例如按照乙基黄原酸盐溶度积依次增大的顺序排列，常见硫化矿金属离子顺序如下（用当量溶度积Ksp1/m比较）：Au+，Cu+，Hg2+，Ag+，Bi3+，Pb2+，Ni2+，Zn2+，Fe2+这也大体上是这些金属硫化矿，用乙黄药浮选时，可浮性依次降低的顺序。１５.根据硫化矿浮选电化学原理。如何强化浮选过程中硫化矿的浮选和抑制行为？【解】根据硫化物矿物与巯基类捕收剂相互作用的电化学机理和混合电位模型，硫化物矿物、捕收剂、氧气三者的相互作用如图所示。曲线O代表阳极过程；捕收剂离子X-与矿物作用或捕收剂离子X-的自身氧化。曲线R表示阴极过程：氧的还原。图中A处于表示实际的混合电位，此时阳极电流和阴极电流大小相等，方向相反。根据硫化矿浮选电位学理论，可以从以下五个方面强化或抑制浮选。（1）当加入还原剂，如亚硫酸盐、SO2气体等，或减少悬浮液中的氧含量时，氧的还原电流降低，R曲线变为Rˊ，混合电位由A处移至B处。表明氧化反应（O线表示）难以进行，即捕收剂不能在矿物表面形成疏水产物，浮选受到抑制；（2）若增大捕收剂浓度，或者加入长烃链的同系列捕收剂（较短链同系捕收剂易氧化），氧化电流（O线）增大至Oˊ线，从图可知在B处仍有捕收剂与硫化物矿物的作用，表明浮选加强；（3）提高捕收剂与矿物作用的氧化电位（如降低捕收剂浓度），使捕收剂的氧化需要更高的电位，即将O线移至O″线，则浮选难以进行，矿物受到了抑制；（4）浮选过程中加入比捕收剂更易氧化的药剂，与O2形成共轭反应，消耗氧，也可以实现浮选的抑制；（5）硫化矿表面预先氧化形成亲水物质，捕收剂难以吸附，浮选受到抑制１６.晶体的分类，结构和性质以及矿物的晶格结构与极性对矿物可浮性的影响？【解】矿物表面润湿性，实际上反映了水化作用的强弱，其中价键性质是水化作用能的主要影响因素，因而矿物价键与其表面润湿性直接相关，依据价键特性，可以把矿物的自然润湿性分为4个类型，即强亲水性、弱亲水疏水性、疏水性、强疏水性。类型表面不饱和键性质E/EW接触角(θ)界面水结构类型代表性矿物强亲水离子键共价键金属键1无A型石英、云母、锡石、刚玉、、高岭石、方解石等弱亲水弱疏水离子—共价键(部分自身闭合)1左右无，或θ很小A型为主方铅矿、辉铜矿、闪锌矿等疏水分子键为主（层面间），离子，共价键为辅（层端断面）1中等θ，40°~90°B型为主滑石、石墨、辉钼矿、叶腊石等强疏水色散作用为主的分子键1大θ，90°~110°B型自然硫、石腊１７.空气的组成，特别是氧对矿物浮选的影响如何？【解】空气中氧的含量对矿物浮选主要主要有以下几点影响：(1)影响硫化矿矿物表面的氧化速度；(2)影响硫化矿矿物表面的氧化程度；(3)影响硫化矿矿物表面与药剂的吸附方式与吸附产物。