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资源加工学

资源加工学是由传统的选矿学、矿物加工学发展演变形成的新的学科体系。传统选矿学、矿物加工学的研究对象均以天然矿物资源为主。选矿学是用物理、化学的方法,对天然矿物资源(通常包括金属矿物、非金属矿物、煤炭等)进行选别、分离、富集其中的有用矿物的科学技术,其目的是为冶金、化工等行业提供合格矿产品。矿物加工学是在选矿学的基础上发展起来的,是用物理、化学的方法,对天然矿物资源进行加工(包括分离、富集、提纯、提取、深加工等),以获取有用物质的科学技术。其目的已不单纯是为其它行业提供合格矿产品,也可直接得到金属制品、矿物材料等。

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人类利用矿物资源已有数千年历史,如自然金、自然铜、滑石、朱砂等的开采与利用。无论是公元前几千年的古埃及,还是中世纪的罗马帝国时代,或者是中国古代,由于科学技术水平整体落后,社会生产力低,对矿物资源的需求少,人类利用的矿物资源主要是通过手工作业从天然矿石中获得。如淘金、人工溜槽、手动跳汰筛、洗矿槽等原始重选方法及鹅毛粘油刮取浮在水面上的金粉等原始浮选方法。我国古代将原始的重选、浮选总结为“澄、淘、飞、跌。”这些手工作业虽然有近代“表层浮选”“重选”的影子,但还算不上是一门工业技术,这种现象一直延伸到19 世纪中。

19世纪末至20世纪20年代,世界工业生产快速发展,对矿物原料的需求增大,加上18世纪产业革命的推动,使机械化成为可能。造成了“选矿”技术从古代的手工作业向工业技术的真正转变。近代大部分的选矿工艺与设备属于这一时期选矿领域的技术发明,如颚式破碎机,球磨机,机械分级机,重选、电磁选的设备与工艺及浮选药剂、工艺与设备等。特别是20年代初,黄药、黑药在浮选硫化矿中的工业应用,使选矿技术(包括破碎、筛分、磨矿、重选、电选、磁选、浮选等)能处理大部分天然矿物原料。从那时起,选矿技术已成为一门人类从天然矿石中选别、富集有用矿物原料的成熟的工业技术,并得到广泛应用。

随着选矿技术的大规模工业应用,对各种选矿工艺过程机制及基础理论的研究也随之展开。

首先,随着流体力学的发展,重选的基础研究起步较早。19世纪下半叶,奥地利人Rittinger 提出了“等降现象”;Monroe 等人进一步提出“干涉沉降”。20世纪40年代,苏联学者JIRIIIEHKO 提出了跳汰是在上升水流中“按悬浮体的相对密度分层”的学说;德国学者Mayer从床层位能降的角度解释了分层过程。英国学者Bagnold在50年代观察到了剪切运动下层流斜面流中多层粒群的松散分层现象。这些学说成了重选的理论基础。在电磁选矿方面,由于物理学的发展,人们早就认识到可用永久磁铁选别磁铁矿石。当电磁铁被用作磁选机的磁场并有了各种工业生产的电磁选矿机后,电磁选矿理论也初步确立。

在浮选方面,从20世纪30年代开始,美国的Taggart及苏联的Plaksins等先后提出了捕收剂的“化学反应假说”或“溶度积假说”,以解释重金属硫化矿的可浮性顺序。美国的Gaudin、苏联的Bogdanov 及澳洲的Wark等人较多的研究了矿物的润湿性与可浮性的关系,浮选剂的吸附作用机理,浮选的活化等。美国的Fuerstenau D W等人系统地研究了矿物表面电性与可浮性的关系。到60年代前后,浮选的三大基本理论(润湿理论、吸附理论及双电层理论)已初步形成。

从20世纪20年代至60年代前后,经过几十年的发展,选矿已从一门纯工程技术向工程科学转化。这一时期,一些重要的着作有:美国Taggart 的《Handbook of Ore Dressing》,1927年第1版,1944 年第2 版;Gaudin 的《Flotation》,1932年第1版,1957年第2版;澳洲的Sutherland和Wark的《Principles of Flotation》,1955年第1版;苏联Bogdanov的《Theory and Technology of Flotation》,1959 年第1版。选矿已具备了较为独立的工程科学体系,有其明确的学科方向:

重选:以流体力学为学科基础,根据不同矿物的密度差异在一定的介质中进行不同矿物的分选。

磁选:以电磁学为学科基础,根据不同矿物磁性的差异分选不同矿物。

浮选:以表面化学为学科基础,根据不同矿物表面物理化学性质的差异,实现不同矿物的分选。

个时期的选矿主要是从天然矿石(金属矿、非金属矿、煤炭等)中,分离、富集其中的有用矿物,为冶金、化工、建材提供原料。国外所用“选矿”词汇多为“Ore Dressing”或“Mineral Dressing”。 [1]

20世纪60年代以来,随着世界经济的快速发展,一方面人类对矿物资源的需求不断增加,另一方面,矿物资源中,富矿减少、贫细矿物资源增加,而且矿山、冶炼厂排出的废水、固体废弃物等对环境的污染与治理问题也开始受到重视,传统的选矿技术与理论已不能完全适应解决这些问题。

为了从贫细矿物资源中有效地分离、富集有用矿物,充分合理地利用资源,并能解决环境问题,选矿科技工作者开始认识到,不仅仅是传统的选矿技术不能有效的解决贫细矿物资源的分离问题,而且资源的综合利用是更重要的问题。这就需要综合利用多学科的知识与新成就,寻找新的学科起点,开发新的科学技术,以实现矿物资源的综合利用,包括分离、富集贫细矿物资源的新技术、工艺和设备;对矿物的提纯与精加工;环境的综合治理;矿物新用途的开发等。即矿物资源的利用不单纯是通过“选矿”得到矿产品的问题,而是综合“加工”利用的问题。为此,近几十年来,选矿及相邻学科的科技工作者在选矿学科及交叉学科领域,进行了大量的基础理论与工艺技术的研究。而且,由于相邻学科的发展,如电化学、量子化学、表面及胶体化学、紊流力学、生物工程、冶金学、材料科学与工程及计算机科学与技术在选矿学科领域中的应用,形成许多新的学科方向和各种加工利用矿物资源的新技术。“选矿”已不能涵盖多数新的加工利用矿物资源的科学领域,“矿物加工”呼之欲出。矿物加工学科无论从其学科基础,学科领域及其研究对象方面远比传统选矿学科更广、更深。事实上,国外从20世纪60年代开始,就逐步采用“Mineral Processing”代替“Ore Dressing”,在我国,已经过近10 年酝酿,于90 年代在国家教委招生目录上将“选矿”更名为“矿物加工”。

(1)浮选化学:① 浮选电化学:根据电化学原理,研究浮选过程的机制,主要针对硫化矿,电化学反应主导硫化矿与浮选剂作用机理,通过电化学调控,实现多金属硫化矿分离。② 浮选溶液化学:根据溶液化学原理,研究浮选行为,主要针对非硫化矿。根据矿物/浮选剂溶液化学反应行为,预测非硫化矿浮选分离条件与浮选机理。③ 浮选表面及胶体化学:根据表面及胶体化学原理,研究颗粒间相互作用,讨论细粒矿物选择性凝聚、分散与浮选分离行为。讨论超细颗粒加工制备过程机制。如疏水凝聚、选择性絮凝、载体。主要针对超细粒矿物、煤炭的加工利用与废水治理等。

(2)复合物理场矿物加工:根据流变学、紊流力学、电磁学等研究重力场、电磁力场或复合物理场(重力+磁力)中,颗粒运动行为,确定细粒矿物的分级、分选条件。如磁流体水力旋流器分选,振动脉动高梯度磁选,空气重介质流化床干法选煤等。

(3)高效低毒药剂分子设计:根据量子化学、有机化学、表面化学研究药剂的结构与性能关系,针对特定的用途,设计新型高效矿物加工用药剂。

(4)矿物资源的生化提取:用生物浸出、化学浸出、溶剂萃取、离子交换等处理复杂贫细矿物资源,如低品位铜矿、铀矿、金矿的提取,煤脱硫等。由于细菌兼有氧化、吸附、降解等作用,不仅强化浸出过程,而且在环境与工艺控制上具有优势。生化提取的基础理论与技术的研究近几年已成为矿物加工学科的重要方向之一。

(5)直接还原与矿物原料造块:主要从事矿物原料造块与精加工方面的科学研究。研究铁精矿煤基回转窑直接还原、粉体物料成型等过程的机理。

(6)复杂贫细矿物资源综合利用:研究选-冶联合、选矿、多种选矿工艺(重、磁、浮、电)联合等处理一些大型复杂贫细多金属矿的工艺技术和基础理论,研究资源综合利用效益。

(7)矿物精加工与矿物材料:通过提纯、超细粉碎、表面改性等方法,不经冶炼,将矿物直接加工成可用的材料。如性能优良的润滑剂,超纯辉钼矿的加工,功能陶瓷所需超细锆英砂、高岭土的加工;电子浆料所需超细金红石的加工;民用、工业用型煤、水煤浆的加工,煤炭地下气化等。

(8)矿物加工过程计算机技术:用计算机科学技术对矿物加工过程进行模拟、仿真及优化、预测、设计,建立矿物加工过程专家系统,实现矿物加工过程的计算机管理与控制。 [1]

“人口、发展与环境”是21 世纪国际社会共同关心的重要议题,一方面人口增加、社会发展对资源的需求与日俱增,而天然资源愈来愈复杂、贫细、短缺;另一方面,人类生活对环境问题愈来愈重视。虽然经过几十年的发展,矿物加工学科已形成了较为完整的学科体系,发展了许多新的矿物加工技术,但随着未来人类可利用资源的变化及现有技术的局限性,矿物加工科技的发展已面临许多挑战。人类社会生活的发展要求矿物加工科技发展的目标是实现矿物加工过程的“高效益、低能耗、无污染”。

矿物加工学科的进一步发展,面临着来自资源变化与所需技术难度方面的挑战。

(1)复杂贫细矿物资源的综合回收:人类对矿物资源的消耗逐年增加,而易选矿物资源的不断开采利用,愈来愈多的是复杂、贫细、大型多金属矿床,需要被开采利用,这些矿床的特点是金属品种及伴生稀有、贵金属品种多、品位低、难处理。现有矿物加工技术在处理这些矿物资源时,面临能耗高、综合利用率低、环境污染等问题;

(2)废石及尾矿的加工利用:在金属矿选矿过程中,经过碎磨过程,消耗了大量原材料和能耗,一般只回收了占总矿量约10%的有色金属或约30%的黑色金属矿,大量的伴生非金属矿(尾矿)未能利用;矿山在开采过程中剥离的废石、表外矿及尾矿中的有价金属等,需要新的加工利用技术;

(3)矿物精加工技术:传统的矿物加工以提供精矿及粗级矿产品为主,产品的附加值低,而且也不能满足现代科技发展对矿物材料性能要求愈高的需要。对金属矿物,特别是非金属矿物进行高纯化、超细化、表面改性等精加工,能生产适合于电子、宇航、兵器、高技术陶瓷、冶金、化工等不同行业所需的矿物材料,已成为现代矿物加工技术的重点发展趋势之一;

(4)洁净煤技术;煤炭是重要的能源,在中国尤是如此。但燃煤给环境带来的污染已经成为全球严重关注的问题。煤炭的脱硫及深加工技术一直是而且仍将是矿物加工面临的重要问题。

(5)二次资源:矿山、冶炼厂、化工厂等排出的废水、废渣、废气中的稀有、稀散和贵金属,废旧汽车、电缆、机器及废旧金属制品等二次资源。由于一次资源逐步减少,二次资源的再生利用技术的开发无疑成了矿物加工领域的重要课题。目前,这方面的技术也不成熟,特别是从三废中回收有用物质对环境的治理方面还无有效手段,造成资源浪费与环境污染。

(6)海洋资源:海洋锰结核、钴结壳是一种赋存于深海底的巨大矿产资源,除含锰外,铜、钴、镍等金属的储量十分丰富,此外,海水中的金属等在未来陆地资源贫化、枯竭时,将成为人类的宝贵资源,目前,对海洋资源还无有效加工利用技术。

(7)非矿物资源:城市垃圾、废纸、废塑料、油污土壤、石油开采油污水、内陆湖泊中的金属盐、重金属污泥,甚至红血球与白血球的分离等,更需要新的加工利用技术。

因此,面对待处理资源的变化及技术上存在的问题,矿物加工科技工作者及相关学科的科技工作者,在矿物加工领域及相关学科领域不断进行新的探索和研究,矿物加工工程学与相邻学科的相互交叉、渗透、融合,如物理学、化学与化学工程学、生物工程学、数学、计算机科学、采矿工程学、矿物学、材料科学与工程已大大促进了矿物加工学科的拓展,形成各种高效益、低能耗、无污染资源加工新技术,及新的研究领域,传统的矿物加工学无论从研究对象,目的、研究基础,还是应用领域等方面,不能完全函盖这些研究领域,需要建立新的学科体系,即现在提出的资源加工学。

资源加工学是根据物理、化学原理,通过分离、富集、纯化、提取、改性等技术对矿物资源、非传统矿物资源、二次资源及非矿物资源进行加工,获得其中有用物质的科学技术。其研究对象涉及以下几方面:

金属矿物、非金属矿物、煤炭等

① 工业固体废弃物:冶炼化工、废渣、尾矿、废石

② 海洋矿产:锰结核、钴结壳、海水中金属、海底热液硫化矿床

③ 盐湖与湖泊中的金属盐、重金属污泥

① 废旧电器;电视机、冰箱、音响等

② 废旧金属制品:电缆、电线、易拉罐、电池等

③ 废旧汽车。

城市垃圾、废纸、废塑料、油污水、油污土壤等 [1]

一方面仍然是将天然矿物资源加工成合格矿产品,另一方面更重要的是,通过对各种资源的物理、化学加工(分离、富集、提取、提纯、改性、超细、复合),生产出适合不同用途的有用物质,如高纯金属、矿物材料、精料、特殊燃料、可循环利用的工业与日常生活用品原料等,特别注重资源加工过程的环境治理,强调资源开发、加工利用与环境的协调发展。 [1]

资源加工学包括四大学科领域:

矿物加工(Mineral Processing);矿物材料加工(Mineral Material Processing);二次资源加工(Secondary Material Processing);金属提取加工(Metal Metallurgical Processing)。可简称为4-MP。矿物加工是根据物理、化学原理对天然矿物资源进行加工,以分离、富集有用矿物;矿物材料加工是根据物理、化学原理,对天然及非传统矿物资源进行分离、纯化、改性、复合等加工,制备功能矿物材料;二次资源加工是根据物理、化学原理,对二次资源进行加工,以分离回收各种有用物质;金属提取加工是根据物理、化学原理,对各种资源进行化学溶出、生物提取、离子交换、溶剂萃取等加工,以获取有价金属。

资源加工过程中物料的碎解、分离、富集、纯化、提取、超细、改性、复合等过程,涉及矿物学、物理学、化学与化学工程、冶金工程、材料科学与工程、生物工程、力学、采矿工程及计算机技术等多学科领域,体现不同的学科基础,形成不同的研究方向。

① 工艺矿物学:与矿物学、岩石学的交叉,研究资源物料组成的分析、鉴别、表征,物料的基本物理、化学特性,为“加工”提供基本信息;

② 粉碎工程:以岩石力学、断裂力学、晶体化学为基础,对所处理资源进行选择性碎解,解离或进行超细加工;

③ 重力场、流体力场中的分离:以流体力学、流体动力学为基础,根据所处理的物料的密度、粒度及形状差异,分离、富集不同物料。如黑钨矿与石英的分离,聚氯乙烯和聚乙烯的分离,城市垃圾中重物料与轻质物料的分离,铜线与橡胶包皮的分离等。

④ 电磁场中的分离:以电磁学、静电学为基础的磁力分选和静电分选,根据所处理物料的磁性质或导电性的差异,分离不同物料。如磁性矿物与非磁性矿物的分离,导电矿物与非导矿物的分离,磁性炭粉与废纸的分离,红血球与白血球的分离,带电塑料与不带电塑料的分离,铜线与铝线的分离等。

⑤ 浮选:是资源加工中最重要的技术,可加工处理各种矿物资源、二次资源及非矿物资源,涉及无机化学、有机化学、表面化学、电化学、物理化学等几乎整个化学学科领域,形成了浮选电化学、浮选溶液化学、浮选剂分子设计、浮选表面化学等交叉研究领域。如硫化矿及非硫化矿的浮选、废纸、废塑料的浮选、废水中的离子浮选、油污水、油污土壤处理等。

⑥ 生物提取:涉及生物工程、冶金反应工程、矿物工程及采矿工程等多个交叉学科,主要处理各种低品位矿物资源、难选难冶矿物资源、海洋矿物资源及非传统矿物资源,直接从这些资源中提取有价金属。如铜、铜金矿的生物堆浸、地下溶浸,重金属污泥、海洋锰结核的处理等。

⑦ 化学分离:包括溶剂萃取、离子交换、膜分离、化学浸出等,涉及化学与化学工程、冶金反应工程等。处理复杂矿物资源、海洋矿物资源、工业废水等。

⑧ 化学合成:涉及化学与化学工程、材料科学与工程领域,包括矿物材料的化学合成、矿物复合材料,矿物--聚合物复合材料等。

⑨ 表面改性:通过表面化学反应、选择性溶解、溶蚀、刻蚀、涂层等对矿物表面进行化学处理、制备功能矿物材料,涉及化学工程与材料科学与工程领域。

⑩ 聚集与分散:细颗粒的聚集与分散,矿物胶体体系的稳定与分散,溶液萃取,球团、型煤、水煤浆制备等。涉及表面化学、颗粒学等领域。

⑾ 资源加工过程计算机技术:涉及计算机科学与技术、自动控制等领域。研究资源加工过程的数学模型、仿真、优化与自动控制。 [1]

《资源加工学》系统地介绍了矿物资源、非传统矿物资源和二次资源加工的基本原理。从介绍这些物料的鉴别、基本物理化学性质和表面性质出发,阐述了固体物料粉碎的基本原理;物料颗粒在流体力场中的运动特性及其在流体力和重力场中的分选规律;颗粒的磁性、电性及在电磁力场中的分选规律;颗粒的表面物理化学性质及以其为基础的分选原理;矿物加工药剂的类型、结构和性能;物料的化学分离方法及原理;典型矿物材料的物理化学特性及超细粉体加工的基本原理;固体物料成型与固结的基本原理;矿物微生物浸出提取冶金的基本规律。

《资源加工学》可作为大专院校矿物加工工程专业本科生的基础课教材,也可作为冶金、化工等专业相关人员的教学参考书,对有关研究院所的科研人员也有很高的参考价值。

第1章 资源加工学概述

1.1资源加工学的形成

1.2资源加工学的学科体系

1.3资源加工在国民经济建设中的地位和作用

1.4国内外重要的资源加工学术研究机构

习题

参考文献

第2章 物料的基本物理化学特性

2.1物料的鉴别

2.2物料的物理性质

2.3表面化学性质

习题

参考文献

第3章 粉碎与分级

3.1粉碎

3.2分级

习题

参考文献

第4章 颗粒在流体中的运动

4.1流体的基本性质

4.2颗粒在流体中的沉降

4.3流体中颗粒的相互作用

4.4气泡在流体中的运动

4.5流体中气泡与颗粒的碰撞

习题

参考文献

第5章 物理分选

5.1重力分选

5.2磁场分选

5.3电场分选

5.4复合物理场分选

习题

参考文献

第6章 表面物理化学分选

6.1概述

6.2颗粒表面润湿性与浮选

6.3双电层

6.4矿物溶解对浮选过程的影响

6.5硫化物固体颗粒表面的氧化剂还原反应与浮选

6.6聚集与分散

6.7泡沫

习题

参考文献

第7章 矿物加工药剂

7.1低相对分子质量有机药剂

7.2大分子药剂

7.3无机盐类药剂

习题

参考文献

第8章 化学分选

8.1化学分选概述

8.2化学浸出

8.3化学沉淀

8.4溶剂萃取

8.5离子交换法

8.6膜分离过程

习题

参考文献

第9章 粉体制备

9.1超细颗粒与纳米颗粒

9.2粉体的物理制备方法

9.3粉体的化学合成

9.4粉体表面改性

习题

参考文献

第10章 粉体成型

10.1粉体成型基本方法

10.2水分在成型过程中的作用

10.3粉体成型机理

习题

参考文献

第11章 粉体固结

11.1固结过程的气体力学

11.2固结过程的传热规律

11.3固结过程传质规律

11.4液相固结

11.5固相固结

习题

参考文献

第12章 矿物微生物浸出

12.1概述

12.2浸矿微生物

12.3微生物浸出基本原理

12.4细菌浸出影响因素和浸出动力学

习题 [2]


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