2资源加工学-王淀佐

第2章物料的基本物理化学特性物料的基本物理化学特性•物料的鉴别•物料的物理性质•表面化学性质2.1物料的鉴别•2.1.1矿物矿物：由地质作用所形成的结晶态的天然化合物或单质，他们具有均匀且相对固定的化学成分和确定的晶体结构；它们在一定的物理化学条件范围内稳定，是组成岩石和矿石的基本单元。准矿物：由地质作用形成的非结晶态的天然化合物或单质。工艺矿物：在实验室和生产工艺过程中研制和生产而形成的结晶态的化合物或单质。2.1.1.2矿物分类•1、概念种：指具有一定的化学组成和一定的晶体结构的一种矿物。亚种：同属于一个种的矿物，在化学组成、物理性质等方面有—定程度的变异者。•2、物种划分注意要点：（1）同一物质的不同变体虽然化学组成相同，但它们的晶体结构有明显的差别，因而应区别为不同的矿物种。（2）同一矿物的不同多型，尽管晶体内部的结构层的堆垛顺序有所不同，有时可能属于不同的晶系，但仍把它们联合为一个名称，看成是同一个矿物种。2.1物料的鉴别•根据晶体化学分类原则，矿物可分为如下几类：•第一大类：自然元素第一类：自然金属元素；第二类：自然半金属元素；第三类：自然非金属元素•第二大类：硫化物及其类似化合物第一类：简单硫化物；第二类：复硫化物；第三类：硫盐•第三大类：氧化物和氢氧化物第一类：氧化物；第二类：氢氧化物•第四大类：含氧盐第一类：硅酸盐第一亚类：岛状结构硅酸盐；第二亚类：环状结构硅酸盐；第三亚类：链状结构硅酸盐；第四亚类：层状结构硅酿盐；第五亚类：架状结构硅酸盐第二类：硼酸盐；第三类：磷酸盐、砷酸盐、钒酸盐；第四类：钨酸盐、钼酸盐；第五类：铬酸盐；第六类：硫酸盐；第七类：碳酸盐；第八类：硝酸盐•第五大类：卤化物2.1物料的鉴别2.1.1.3矿物的命名•矿物命名规则(1)根据化学成分命名如自然金(Au)、硫铜矿(CuS)、碳酸钡矿(BaCO3)等。(2)根据物理性质命名如电气石(具有焦电性)、重晶石(密度大)、沸石(受热时具沸腾现象)、孔雀石(孔雀绿色)、橄榄石(橄榄绿色)、蛇纹石(颜色斑驳如蛇皮)等。(3)根据形态特点命名如石榴石(呈四角三八面体或菱形十二面体的粒状集合)等。(4)结合两种特点命名如绿柱石(绿色、柱状晶体)、方铅矿(PbS、立方体形态和解理)、磁铁矿具强磁性、黄铜矿(CuFeS2，钢黄色)、辉锑矿(金属光泽)等。(5)根据地名命名如高岭石(中国江西高岭产出地)、香花石(首先发现于中国湖南香花岭)等。(6)根据人名命名如章氏硼镁石、彭志忠石等。2.1.1.3矿物的命名2.1.1.4矿物的鉴定•矿物鉴定研究内容1、矿物的晶体结构研究采用x射线衍射、电子衍射、中子衍射、红外光谱和拉曼光谱等。2、矿物的化学成分研究包括化学分析、等离子谱、电子探针、离子探针、质子探针和扫描电镜等。2.1.1.4矿物的鉴定•矿物的鉴定目与意义矿物的鉴定是矿物学研究的一个非常重要的基础环节。通过正确地鉴定矿物的种属，查明矿石、岩石和工艺岩石中各种矿物或工艺矿物的数量、分布及相互关系，以及详细地研究同种矿物的化学成分和结构与其物化性质的关系，有助于了解矿物的成因规律、采用合理的选冶工艺和材料制备工艺，以使矿物资源得到最充分的利用。常见矿物及其晶体形态2.1.1.4矿物的鉴定2.1.2岩石2.1.2.1岩石及工艺岩石岩石(Rock)是天然产出的由一种或多种矿物(包括火山玻璃、生物遗骸、胶体)组成的固体集合体。岩石根据其成因，可分为三类：(1)岩浆岩：主要由地壳深处或上地幔中形成的高温熔融的岩浆，在侵入地下或喷出地表冷凝而成的岩石。它与火成岩是同义词，如花岗岩、流纹岩等。(2)沉积岩：是在地表和地表下不太深的地方形成的地质体，它是在常温常压下由风化作用、生物作用和火山作用形成的物质，经过一系列改造(如搬运、沉积、石化等作用)而形成的岩石，如页岩、砂岩、石灰岩等。(3)变质岩：是由岩浆岩、沉积岩经过变质作用转化而成的岩石，如大理岩、片麻岩、板岩等。2.1.2.1岩石及工艺岩石2.1.2岩石2.1.2.2岩石的特征(1)岩浆岩：大部分为块状的结晶岩石，部分为玻璃质岩石；岩浆岩体与围岩间一般有明显的界线，且呈各种各样的形态存在于周围的地层中；岩体中常有附近围岩的碎块（捕虏体）。(2)沉积岩：沉积物的主要来源为母岩风化的碎屑物、生物形成的有机物、地壳深部来源的沉积物（火山碎屑物及深部热卤水）、溶液中的化学沉淀物和宇宙来源的沉积物等。(3)变质岩：变质岩的岩性特征常受原岩的控制，具有明显的继承性；同时，由于变质作用的成因特点，又决定了变质岩在矿物组成、结构构造等方面，具有与原生岩石不同的特点；在深变质改造的岩石与原岩之间，存在一定的渐变关系。2.1.3矿石矿产：指能被利用的矿物资源，目前按矿产的性质及其主要工业用途可分为以下三类：金属矿产、非金属矿产和可燃性有机岩矿产。矿石：从矿体中开采出来的，从中可提取有用组份的矿物集合体。一般由矿石矿物和脉石矿物两部分组成。2.1.4二次资源及其固体物料•二次资源•非传统矿物资源•非矿物资源固体物料指人类社会活动（生产和生活）产生的含有有价成份并有回收再利用的经济或环保价值的废弃物料，或称可再生资源。主要包括废旧电器（如电视机、电冰箱、音响等）；废旧金属制品（如电缆、电线、易拉罐和电池等）；废旧机器、废旧汽车；工厂“三废”（废渣、废液、废气）；生活废物（如垃圾、废纸）等。二次资源2.1.4二次资源及其固体物料指主要由工艺矿物和矿物组成的固体废弃物，以及不属于传统矿产资源范畴的矿物资源。主要包括工业固体废弃物（如冶炼化工废渣、废石、尾矿、粉煤灰等）、海洋矿产（如锰结核、钴结壳、海底热液硫化矿床等）、盐湖与湖泊中的金属盐（如钾盐、硼砂）和重金属污泥等。非传统矿物固体物料2.1.4二次资源及其固体物料指与有机化学物质组成有关的固体物料，主要包括沥青、城市垃圾、农业固体废弃物（如土壤中残存的农药、肥料等）、废纸、废塑料、废橡胶、油污土壤等。非矿物资源固体物料2.1.4二次资源及其固体物料2.1.5非固体物料(烟尘、气、液)非固体物料主要是指与烟尘、气、液等有关的物料，如石油、天然气、石油开采中的油污水、甚至血液中的红细球与白细球的分离等，更需要采用新的加工利用技术。2.1.6决定物料加工工艺的基本参数•物料的物相组成•物料中元素赋存状态•物料中物相嵌布特征•工艺产品的研究2.1.6决定物料加工工艺的基本参数（1）物料的物相组成•指物料中各种物相所占的比例。•研究方法：化学物相法、显微镜鉴定法和x射线衍射物相分析法，电子显微镜。（2）物料中元素赋存状态•矿石中有用元素主要有以下五种存在形式（1）形成独立矿物。（2）呈类质同象混入物形式存在于其他矿物中。（3）呈固溶体分离状态。（4）呈包裹物形式存在。（5）呈吸附状态2.1.6决定物料加工工艺的基本参数（3）物料中物相嵌布特征•物料中物相的嵌布特征、磨碎或破碎时的单体解离度，是决定物料加工工艺的基本参数之一。它既影响工艺流程方案的选择，又是确定破碎方法和磨碎细度的关键因素。•研究手段:显微镜（体式显微镜、偏光显微镜、矿相显微镜及荧光显微镜等）下的观察研究，是解决这一问题的常规而又基本的手段。2.1.6决定物料加工工艺的基本参数（4）工艺产品的研究研究内容•工艺产品中化学组成、物相组成及其与各工艺过程中产品质量之间的相互关系研究；•物料的细度和粒度分布特征对工艺流程的影响；物料的粒度和堆积的方式对生物湿法冶金的影响；•工艺产品的结构构造、工艺性质等对后续中间工艺和产品质量的影响等。2.1.6决定物料加工工艺的基本参数2.2物料的物理性质1、密度2、物料颗粒的几何特征3、颗粒的表面积4、磁性5、物质的电性质2.2.1密度•物质密度：单位体积的物质的质量叫做密度。•矿石真密度：其单位体积矿石的质量叫做矿石的真密度。•矿石堆密度：堆积的矿石存在孔隙，一定粒度组成的矿石自然堆积时，其单位体积的质量称为矿石的堆密度。2.2.2.1颗粒的形状颗粒的轮廓边界或表面上各点的图像，称作颗粒的形状。颗粒形状的定量分析已有许多方法，常用的有以下几种：（1）形状系数•表面形状系数：φs=S/d2•体积形状系数：φv=V/d3•比表面形状系数：φsv=φs/φv（2）形状指数（2）粗糙度（1）球形a度P用吸附法测得的比表面积粗糙度用渗透法测得的表面积SS球粒与颗粒等体积的圆球表面积颗粒的实际表面积φ＝φG×p其中p—粗糙度系数；φG—几何形状系数。2.2.2.1颗粒的形状2.2.2.2粒径与粒度•单颗粒的粒径•颗粒群的平均粒度和粒度分布1、规则颗粒的粒径：如颗粒是理想的规则几何体，用1~3个特征长度准确地描述其形状及大小。2、非规则颗粒的粒径：用一个长度量纲——名义直径或标准直径表示，名义直径dn通常采用的有四种名义直径：轴径、当量球径、当量圆径、统计直径。2.2.2.2粒径与粒度(1)轴径是指颗粒的特征线段的算术或几何平均值。二轴平均径：平面团形长径和短径的算术平均值db＝(L+b)三轴平均径：立体图形三维尺寸的算术平均值dc＝(L+b+h)/32.2.2.2粒径与粒度（2）当量球径是指与颗粒同性质的球体直径体积直径：（V为颗粒实际体积）面积直径：（S为颗粒的表面积）自由降落直径：36dvVSds06fslldgv2.2.2.2粒径与粒度（3）当量圆径是指与颗粒的投影轮廓同性质的团的直径。4(AaAd为颗粒投影面积）2.2.2.2粒径与粒度加权的算术平均值：加权的几何平均值：加权的调和平均值：中位数：以混合料各粒级累计质量百分数对粒级作图，占混合料质量一半时所对应的颗粒尺寸。1niiidrd算1inriidd几何11/niiirdd调和2.2.2.2粒径与粒度2.2.3颗粒的表面积颗粒的表面积包括内表面积和外表面积两部分。外表面积是指颗粒轮廓所包络的表面积，它由颗粒的尺寸、外部形貌等因素所决定。内表面积是指颗粒内部孔隙、裂纹等的表面积。2.2.3.2比表面积单位体积(或单位质量)物体的表面积，称为该物体的比表面积。颗粒是细化的固体，粒度越细的粒群，其表面积越大。23SvSVmm22wSSWmkgmg或或比表面测试方法（1）BET吸附法BET吸附法是在试样颗粒的表面上吸附截面积已知的吸附剂分子，根据吸附剂的单分子层吸附量计算出试样的比表面积，然后换算成颗粒的平均粒径。2.2.3.2比表面积（2）气体透过法气体透过法的理论根据是kozenyCarman关于层流状态下气体通过固定颗粒层时透过流动速度与颗粒层阻力的关系式。ΔP－－粉体层的阻力L一一粉体层的厚度μ一一气体的粘度u－－气体的透过流动速度ε－－粉体层的空隙率2.2.3.2比表面积磁化强度：在磁化场中物体被磁化的程度。用单位体积物体的磁矩表示.2.2.4磁性(1)磁化现象与物质磁化率m为磁化物质的磁矩（A·m2），是物质中所有原子磁矩的矢量和；V为物质体积（m3），M为磁化强度（A/m）。mMV物质体积磁化率：物质磁化时，单位体积和单位磁场强度具有的磁矩。物质比磁化率：物质磁化时，单位质量和单位磁场强度具有的磁矩。MmKHVHKmXVH2.2.4磁性磁感应强度：表征磁场中某一点的磁场大小的物理量，用B表示。磁场强度：在任何磁质中，磁场中某点的磁感应强度和同一点的磁导率的比值。0rBHH000BHMHKH2.2.4磁性2.2.4.2物质磁性的类型物质按磁性分类逆磁质弱磁质强磁质组成成分中，分子、原子或离子无固定磁矩。组成成分中分子、原子或离子有固定磁矩顺磁质：磁矩无序排列反铁磁质铁磁质亚铁磁质磁矩有序排列磁性分类•逆磁性在外磁场作用下，物质因感应产生的磁矩和外H磁场相反的性质。此时，磁化率k＜0。MH•顺磁性在外磁场作用下，电子的轨道磁矩和自旋磁矩能显出微弱磁性，磁矩方向和外磁场方向相同的现象。磁化强度M和外磁场H同向，磁化率K＞0，但数值小，为10－3～10－5之间。2.2.4.2物质磁性的类型•铁磁性在很弱的外磁场作用下，物质原已