安徽理工大学材料科学与工程学院

安徽理工大学材料科学与工程学院选矿学教案课程信息总表授课教师徐初阳职称教授系别矿物加工工程系课程名称浮游选矿、煤泥水处理授课专业(年级)矿物加工06-1，2，3课程编号授课时间2009.4.13~2009.6.12修课人数109必修课公共基础课()；学科基础课()；专业课(√)课程类型选修课公共基础课()；学科基础课()；专业课()/指选()；任选()授课方式课堂教学(√)考核方式考试(√)；考查()课程教学总学时数64学时学分数2学分学时分配课堂讲授48学时；实验课16学时；其它学时《选矿学》作者谢广元出版社及出版时间中国矿业大学出版社2001教材名称《浮游选煤与选矿》作者蔡璋出版社及出版时间煤炭工业出版社1991.8《选煤厂煤泥水处理》作者张明旭出版社及出版时间中国矿业大学出版社2005指定参考书《浮游选煤技术》作者吴大为出版社及出版时间中国矿业大学出版社2005其它教学参考等可用教学资源上网查询选煤理论及实践的实时咨询，系资料室查阅有关期刊备注第一讲周次第9周，第1次课备注章节名称第一章浮选基本原理授课方式理论课(√)；实验课()；其它()教学目的及要求掌握浮选的基本概念及浮选的应用范围，理解并掌握浮选的基本原理、浮选过程的动力学分析及气泡矿化的原理，以及浮选速率的影响因素。教学重点浮选的基本过程，矿石表面性质对浮选的影响。教学难点矿石的表面性质对浮选的影响以及影响浮选速率的影响因素。教学手段主要有常规教学、多媒体教学、网络教学常规教学教学方法设置问题情景，采用启发式教学方法教学内容提要时间分配第一节概述第二节固.液.气各相性质第三节相界面性质与可浮性第四节气泡矿化第五节浮选动力学讨论、练习、作业参考资料《界面分选原理及应用》卢寿慈，翁达课后分析每门课的第一次课很重要，介绍本课程的基本情况，包括课程性质，学时数，课程的基本特点,考核方式等。同时，培养对这门的兴趣更是至关重要的。从多媒体浮选过程展示，培养同学对浮选的兴趣，让大家在问题中进行学习。上课要注意大部分同学的反应情况，选择好提问时机。第一章浮选基本原理1.1概述浮游选矿又称浮选，是细粒和极细粒物料分选中应用昀广、效果昀好的一种选矿方法。由于物料粒度细，粒度和密度作用极小，重选方法难以分离；而对一些磁性或电性差别不大的矿物，也难以用磁选或电选分离，但根据它们的表面性质的不同，即根据它们在水中对水、气泡、药剂的作用不同，通过药剂和机械调节,可用浮选法高效分离出有用矿物和无用的脉石矿物。浮选虽是继重选之后发展起来的，但随着矿石资源越来越贫，有用矿物在矿石中分布越来越细和越来越杂，再加之材料和化工行业对细粒、超细物料分选的要求和精度越来越高，浮选法越来越显示出优越于其他方法的特点，成为目前应用昀广且昀有前途的选矿方法（目前在煤炭分选中尚少于重选）。浮选不仅用于分选金属矿物和非金属矿物，还用于冶金、造纸、农业、食品、医药、微生物、环保等行业的许多原料、产品或废弃物的回收、分离、提纯等。随着浮选工艺和方法的改进，新型、高效浮选药剂和设备的出现，浮选法将会在更多的行业和领域得到更广泛的应用。一般而言，从水的悬浮液中（称矿物和水的悬浮液为矿浆）浮出固体的过程称为浮选。浮选已有几百年历史。工业中昀早采用的全油浮选是将细粒矿石与大量的油和水一起搅拌，矿石中某些疏水亲油的矿物进入油中后浮起，其他亲水疏油的矿物则留在水中，然后从油和水中再分离出不同的矿物。随后工业上采用的表层浮选法也有近百年历史，它是将细矿石粉撒在流动水面，矿石中某些疏水亲气的矿物浮在水面，另一些亲水疏气的矿物则沉到水中，分别收集后实现分离。上述方法虽都很简单，但效率也很低。20世纪初开始出现了现代浮选法的雏形——泡沫浮选法，即利用矿浆中产生的气泡增加气液界面，提高分离效率。昀早是通过矿物在悬浮液中产生化学反应生成的气泡；也有的是将气体直接引入矿浆产生气泡；还有的是将空气和矿浆加压后在常压下释放产生气泡。1909年发现了松油和醇等作为起泡剂，可形成适宜的气泡。1910年发明浮选机，使泡沫浮选工业化。1925年又发明了黄药作为捕收剂，浮选得到飞速发展。基于它的高效分离，近几十年浮选又向其他领域迅速扩展。随着对浮选的逐步认识，加上新型、高效浮选药剂的出现及浮选机的大型化和多样化，浮选工艺和方法不断改进,应用范围和规模也不断扩大,仅我国目前就有浮选厂近千家,现全世界每年用浮选处理的矿物数量已达数十亿吨。现代的泡沫浮选过程一般包括以下作业：①磨矿——即先将矿石磨细，使有用矿物与其他矿物或脉石矿物解离；②调浆加药——调整矿浆浓度适合浮选要求，并加入所需的浮选药剂，以提高效率；③浮选分离——矿浆在浮选机中充气浮选，完成矿物的分选；④产品处理——浮选后的泡沫产品和尾矿产品进行脱水分离。泡沫浮选的过程和基本概念见图1-1-1。图1-1-1浮选过程基本概念图1-1-2浮选槽内的浮选过程F——入料；K——泡沫精矿；T——尾矿；○——空气；•——矿粒在图1-1-1中，固体矿物颗粒和水构成的矿浆（矿浆通常来自分级或浓缩作业）首先要在搅拌槽内用适当的浮选药剂进行调和，必要时（在选煤厂）还要补加一些清水或其他工艺的返回水（如过滤液）调配矿浆浓度，使之符合浮选要求。用浮选药剂调和矿浆的主要目的是使欲浮的矿物表面增加疏水性（捕收剂或活化剂），或使不欲浮的矿物表面变得更加亲水，抑制它们上浮（抑制剂），或促进气泡的形成和分散（起泡剂）。调好的矿浆被送往浮选槽，矿浆和空气被旋转的叶轮同时吸入浮选槽内。空气被矿浆的湍流运动粉碎为许多气泡。起泡剂促进了微小气泡的形成和分散。在矿浆中气泡与矿粒发生碰撞或接触，并按表面疏水性的差异决定矿粒是否在气泡表面上发生附着。结果，表面疏水性强的矿粒附着到气泡表面，并被气泡携带升浮至矿浆液面形成泡沫层，被刮出成为精矿；而表面亲水性强的颗粒不和气泡发生粘附，仍然留在矿浆中，昀后随矿浆流排出槽外成为尾矿。这种有用矿物进入泡沫、成为精矿称正浮选，反之称为反浮选。图1-1-2详细描述了浮选槽内所发生的固液气三相混合、气泡分散和矿化、完成浮选的过程。由上所述不难看出矿粒表面性质差异的重要，这也是浮选的基本依据。1.2固、液、气各相性质浮选是由于不同固体矿物的表面性质差异，通过它们对矿浆中液体和气体的作用不同而实现分选的。有的矿物疏水、亲气，可粘附到气泡上，进入泡沫成为精矿，另一些亲水、疏气的矿物则不和气泡粘附，留在矿浆中成为尾矿(正浮选)。浮选中矿物的表面性质差异主要是由于固体的不同组成和结构所致，由于浮选是包括固、液、气三相体系的过程，所以又与液相和气相性质密切相关。1.2.1固相的结构和性质浮选中固相由有用矿物和无用的脉石矿物组成，它们以颗粒形式存在。自然界的矿物按工业用途可分为两大类：工业矿物（如NaCl）和能源矿物（如煤）。前者多为晶体矿物，后者则为非金属矿物。1.矿物的晶体结构矿物表面性质是决定矿物向气泡附着难易程度的主要因素（又称可浮性），而影响矿物表面性质的主要因素是矿物的化学组成和结构。所有的矿物都是由离子、原子、分子等质点以一定的键（作用力）联系起来的。这些质点在矿物内部可呈规则排列，也可呈不规则排列。规则排列时称为晶体，不规则排列时称为非晶体。正是由于不同矿物具有不同晶型结构，因而具有不同表面性质和可浮性。图1-2-1晶体内部的饱和键和表面的不饱和键经破碎解离后的矿物表面由于晶体受到破坏，表面便具有了剩余的不饱和键能，因此具有一定的“表面能”。如图1-2-1所示的一立方体颗粒，晶格内部的A质点和周围质点的作用力（键力）处于饱和平衡状态，所以A质点和周围质点联系的键称为饱和键。表面层的三个质点B、C、D则分别有一、二、三个不饱和键指向空间。这些指向空间的不饱和键有吸引周围物质来满足或补偿其表面不饱和键能的特性，依据其性质和强弱的不同，对矿物表面与水、与浮选药剂、与气泡、与水中的离子和分子等的吸附作用起决定性的影响。而这种矿物表面的离子、原子或分子的不饱和表面键能特性及大小又取决于矿物内部的质点性质、键能特点及断裂面特性。在晶体结构中，各质点以昀高的对称形式按昀紧密方式排列，质点间的相互作用力（键力）使质点相互靠近，到一定距离时由于电子云的穿插又会产生斥力，达到平衡后质点距离一般不再变化。组成晶格的质点不同，其键力不同，晶体的结构类型也不同，因而决定了其破碎后断裂面的表面可浮性也就不同。从浮选角度看，即如何从复杂多样的晶体结构中认识晶体的内部结构与其表面性质的关系，关键是了解晶体内部的质点性质和强弱，其次是了解矿物从哪部分断裂，然后其表面具有何种性质就大致清楚了。晶体化学中根据晶体内部质点和键的性质将矿物晶体分为四类：离子晶体、原子晶体（共价晶体）、分子晶体和金属晶体。图1-2-2列出六种典型矿物晶体的晶格结构和可能的断裂面（虚线）。图1-2-2典型矿物晶格及可能断裂面(a)岩盐NaCl；(b)萤石CaF2;(c)方解石CaCO3；(d)重晶石BaSO4；(e)石墨C;(f)辉钼矿MoS2(1)离子晶体离子晶体由阴离子和阳离子组成，阴、阳离子交替排列在晶格结点上，它们之间以静电引力相结合，这种结合力所形成的键称离子键。矿物断裂时，沿离子界面断开，断裂后表面露出的是不饱和的离子键。由于阴、阳离子的电子云可以近似地看成球形对称，故离子键没有方向性，一般配位数较高、硬度较大、极性较强。具有典型离子键的晶体矿物有岩盐NaCl、萤石CaF2、闪锌矿ZnS、金红石TiO2和方解石CaCO3等。(2)原子晶体原子晶体由原子组成，晶格结点上排列的是中性原子，靠共用电子对结合在一起，这种键称原子键或共价键。共价键具有方向性和饱和性，一般配位数很小，因此，该晶体结构的紧密程度远比离子晶格低。原子晶格中没有自由电子，故晶体是不良导体；晶格断裂时，必须破坏共价键，故极性较强。共价键键合强度比离子键高，因此晶体的硬度比离子晶体高。自然界单纯以共价键结合的晶体在矿物中较少见，昀典型的如金刚石，多数晶体为离子键和共价键的混合键型，如石英SiO2、锡石SnO2等。(3)分子晶体分子晶体的晶格中分子是结构的基本单元，分子间由极弱的范德华力（即分子间力）或分子键联接。晶格破裂时暴露出的是弱分子键，分子间的引力与分子间距离的7次方成反比。分子晶体的特点：分子间无自由电子运动，故为不良导体。组成晶体的分子键很弱，因此硬度较小，对水的亲和力弱。多数层状构造矿物层与层之间常以弱分子键相连，如石墨、辉钼矿等。以上是3种典型的晶体构造，除此之外还有金属晶体。金属晶体的结点上为金属阳离子，周围有自由运动的电子，阳离子与公有电子相互作用，结合成金属键。金属键无方向性和饱和性，具有昀大的配位数和昀紧密的堆积。晶格断裂后其断裂面上为强不饱和键。自然金和自然铜属于此类。实际上，自然界矿物很少由单一的键组成，常见的矿物多为混合键或过渡键型晶体。例如，硫化矿物和氧化矿物多为离子—共价键或离子—共价—金属键；氢氧化物和含氧盐类矿物则多为离子—分子键和离子—共价键。又如金红石Ti—O之间是以离子键为主向共价键过渡的键型，但离子键占主导地位，故划为离子晶体。多种元素所构成的晶体常同时存在几种不同性质的键。同一元素组成的晶体内，有时也有不同的键。因此，具体矿物的内部成键性质应作具体研究。从断裂面来看，如萤石Ca2+与F-之间作用力较弱，故易于沿此界面断裂。重金石与方解石各含有基团24SO、23CO，基团内部都是共价键，金属离子与基团之间是离子键，晶格往往沿离子交界面断裂。石墨与辉钼矿具有典型的层状结构。石墨中的碳原子，在同一层内相距1.42×10-10m，层与层之间距离为3.39×10-10m，所以易沿层片间断裂。2.矿物的表面键能、极性与天然可浮性的关系矿物晶格破裂时，由于暴露在表面的键型不同，矿物表面性质也就不同，其规律大致如下：(1)当断裂面以离子键为主，表面不饱和键具有强的静电吸引力，为强不饱和键。(2)当断裂面以共价键为主，表面不饱和键多为原子键。该类表面有较强静电力或偶极作用，亦为强不饱和键。(3)当断裂面以分子键为主，其表面不饱和键多为弱键。如矿物表面以定