基因矿物加工工程研究

基 因 矿 物 加 工 工 程 研 究 孙 传 尧 北 京 矿 冶 研 究 总 院 2016年 5月 ， 南 昌 目 录 一 、 基 因 矿 物 加 工 工 程 的 提 出 背 景和 必 要 性 二 、 开 展 基 因 矿 物 加 工 工 程 研 究 可望 对 传 统 的 选 矿 工 艺 技 术 开 发 有 突 破 性创 新 三 、 现 今 在 矿 物 加 工 科 学 研 究 中 已关 注 了 基 因 要 素 四 、 基 因 矿 物 加 工 工 程 的 研 究 方 法和 技 术 路 线 五 、 小 结 一 、 基 因 矿 物 加 工 工 程 的 提 出 背 景 和 必 要 性 基 因 是 DNA分 子 上 的 一 个 功 能 片 断 ， 是 决 定 一 切 生 物 物 种 最 基 本 的 因子 ； 基 因 支 持 着 生 命 的 基 本 构 造 和 性 能 ， 储 存 着 生 命 过 程 的 全 部 信 息 。1.1 近 年 来 国 内 外 已 把 “ 基 因 ” 这 一 概 念 引 入 无 机 材 料 领 域 美 国 政 府 于 2011年 6月 宣 布 了 “ 材 料 基 因 计 划 （ MGI)， 主 要 内 容 是 高 通量 材 料 计 算 、 高 通 量 材 料 合 成 和 表 征 实 验 以 及 数 据 库 的 技 术 融 合 与 协 同 ， 将材 料 从 发 现 、 制 造 到 应 用 速 度 至 少 提 高 一 倍 。 几 年 的 实 践 表 明 ， 这 是 一 项 可使 研 究 经 费 减 半 ， 工 作 量 减 半 的 事 半 功 倍 的 系 统 工 程 。 欧 盟 、 日 本 也 提 出 了相 类 似 的 计 划 。 受 这 一 思 路 的 启 发 ， 中 国 材 料 界 近 2 3年 间 已 开 展 了 中 国 版材 料 基 因 计 划 研 究 。 “ 材 料 基 因 工 程 关 键 技 术 与 支 撑 平 台 ” 重 点 专 项 目 前已 列 入 2016年 度 国 家 重 点 研 发 计 划 。 当 今 社 会 上 “ 基 因 ” 这 一 术 语 引 用 拓 展 得 很 多 ， 在 自 然 科 学 、 工 程 技 术 领 域 用 ， 甚 至 人 文 和 社 会 科 学 也 用 。 其 实 ， 将 “ 基 因 ” 引 入 矿 物 加 工 领 域 并研 究 应 用 是 很 贴 切 的 。 1.2 矿 床 、 矿 石 和 矿 物 的 基 因 特 性 决 定 了 矿 石 的 可 选 性 选 矿 厂 处 理 的 矿 石 尽 管 千 差 万 别 ， 但 它 与 矿 床 成 因 、 矿 床类 型 和 矿 石 、 矿 物 等 固 有 的 基 因 有 内 在 的 联 系 。 换 言 之 ， 从 矿床 形 成 时 ， 它 就 带 有 某 种 基 因 的 特 征 ， 并 且 有 共 性 。 例 如 ， 对于 某 些 岩 浆 岩 或 火 成 岩 类 的 硫 化 矿 矿 床 ， 当 岩 浆 结 晶 分 异 完 成时 就 带 有 一 定 基 因 特 点 ： 生 成 的 磁 黄 铁 矿 多 ， 并 且 黄 铁 矿 和 磁黄 铁 矿 中 钴 含 量 高 。 因 此 ， 矿 床 、 矿 石 和 矿 物 的 基 因 特 征 应 是决 定 矿 物 分 选 的 最 本 质 因 素 ， 包 括 矿 石 的 矿 物 组 成 、 嵌 布 特 性 、结 晶 粒 度 、 矿 物 的 晶 体 结 构 、 元 素 信 息 、 化 学 键 信 息 、 晶 格 信息 、 缺 陷 信 息 等 ， 是 由 矿 床 成 因 及 工 业 类 型 ， 矿 石 的 结 构 构 造 、物 质 组 成 ， 矿 物 的 共 伴 生 和 相 嵌 特 性 等 决 定 的 ， 并 将 影 响 碎 磨 、重 选 、 磁 选 、 浮 选 等 加 工 特 性 。 1.3 传 统 的 矿 物 加 工 技 术 开 发 模 式 存 在 弊 端 国 内 外 矿 物 加 工 （ 选 矿 ） 传 统 的 技 术 研 究 开发 模 式 的 一 般 流 程 为 ： 工 艺 矿 物 学 研 究 系 统 的 选 矿 试 验 研 究 （ 包括 小 型 试 验 、 扩 大 连 续 试 验 、 半 工 业 或 工 业 试 验） 推 荐 工 艺 流 程 方 案 根 据 推 荐 流 程 及 经 验 进行 选 矿 厂 设 计 试 车 投 产 。 该 模 式 存 在 很 大 的 弊端 ， 如 开 发 周 期 长 、 成 本 高 、 效 率 低 、 重 复 试 验工 作 造 成 的 浪 费 等 。 有 的 选 矿 厂 投 产 之 日 就 是 技术 改 造 之 时 ， 个 别 选 矿 厂 甚 至 到 达 服 务 年 限 仍 未达 产 达 标 。 造 成 这 些 弊 端 的 主 要 原 因 在 于 ：1） 、 对 制 约 于 选 矿 工 艺 技 术 的 根 本 因 素 矿 物 、矿 石 和 矿 床 的 基 因 特 性 没 有 深 入 系 统 的 研 究 、 测 试 和总 结 ；2） 、 大 量 现 存 的 选 矿 工 艺 技 术 研 究 数 据 、 工 艺 矿物 学 数 据 、 生 产 实 践 数 据 和 以 往 的 设 计 资 料 等 大 数 据库 没 有 建 立 ， 更 无 法 得 到 有 效 利 用 ；3） 、 现 代 信 息 化 技 术 没 有 与 选 矿 工 艺 技 术 研 发 和工 程 设 计 合 理 深 度 融 合 。 二 、 开 展 基 因 矿 物 加 工 工 程 研 究 可 望 对 传 统 的选 矿 工 艺 技 术 开 发 有 突 破 性 的 创 新 基 因 矿 物 加 工 工 程 ， 简 称 GMPE(Genetic Mineral Processing Engineering)， 是 以 矿 床 成 因 、 矿 石 性 质 、 矿 物物 性 等 矿 物 加 工 的 “ 基 因 ” 特 性 研 究 与 测 试 为 基 础 ， 建 立和 应 用 大 数 据 库 ， 并 将 现 代 信 息 技 术 与 矿 物 加 工 技 术 深 度融 合 ， 经 过 智 能 推 荐 、 模 拟 仿 真 和 有 限 的 选 矿 验 证 试 验 ，快 捷 、 高 效 、 精 准 地 选 择 选 矿 工 艺 技 术 和 装 备 ， 为 新 建 选矿 厂 的 设 计 或 老 厂 的 技 术 改 造 提 供 支 撑 。通 过 对 矿 床 、 矿 石 和 矿 物 物 性 基 因 测 试 与 研 究 ， 可 为 选矿 工 艺 技 术 和 流 程 的 制 定 提 供 重 要 的 信 息 基 础 。 在 此 基 础上 ， 再 借 助 于 大 数 据 库 的 建 立 及 与 现 代 信 息 技 术 的 深 度 融合 ， 此 三 位 一 体 的 基 因 矿 物 加 工 工 程 的 系 统 工 程 ， 有 可 能 对 国 内 外 现 有 的 矿 物 加 工 试 验 研 究 和 工 程 转 化 的 传 统 模 式有 突 破 性 的 创 新 。 一 个 案 例 ： 1978年 笔 者 刚 到 北 京 读 研 究 生 ， 与 导 师 、北 京 矿 冶 研 究 总 院 副 总 工 程 师 吕 永 信 先 生 初 次 见 面 时 ，导 师 对 我 讲 起 一 件 事 ： 某 矿 业 发 达 国 家 的 一 家 公 司 为 中国 设 计 一 座 大 型 铜 矿 选 矿 厂 ， 该 公 司 只 用 简 单 少 量 试 验就 确 定 了 设 计 指 标 。 中 国 冶 金 部 下 达 命 令 让 北 京 矿 冶 研究 院 验 证 试 验 并 拟 超 过 国 外 指 标 。 该 院 集 结 多 名 技 术 骨干 奋 战 两 个 月 ， 所 取 得 的 选 矿 指 标 与 外 国 公 司 的 设 计 指标 相 比 略 有 提 到 ， 但 是 ， 仅 仅 在 分 析 误 差 之 内 。 这 一 事 实 告 诫 我 们 ， 试 验 研 究 方 法 是 否 科 学 和 高 效 是非 常 重 要 的 。 如 今 的 科 学 技 术 发 展 到 了 一 个 新 时 代 ， 可以 考 虑 采 用 基 因 矿 物 加 工 工 程 的 方 法 对 传 统 的 研 究 设 计方 法 进 行 再 创 新 。 三 、 在 矿 物 加 工 科 学 研 究 中 已 经 显 现 了 基 因 要 素 实 际 上 ， 在 选 矿 科 学 研 究 中 某 些 研 究 者 已 自 觉 或 不 自 觉地 关 注 和 运 用 基 因 特 性 ， 取 得 了 一 定 的 成 果 。3.1 影 响 矿 物 分 离 特 性 的 矿 石 、 矿 床 基 因 矿 石 和 矿 床 成 因 的 差 异 ， 导 致 不 同 矿 床 中 含 有 的 矿 物 种类 不 同 ， 进 而 导 致 矿 物 分 选 方 法 和 工 艺 的 差 异 。 在 硫 化 矿 物浮 选 实 践 中 ， 常 常 发 现 不 同 矿 床 或 同 一 矿 床 不 同 区 段 的 同 一种 矿 物 ， 其 浮 选 行 为 存 在 很 大 的 差 异 。 由 于 不 同 产 地 硫 化 矿物 成 矿 温 度 、 压 力 及 环 境 的 不 同 ， 导 致 同 一 种 硫 化 矿 物 的 晶胞 参 数 、 杂 质 和 性 质 有 很 大 的 区 别 ， 从 而 导 致 矿 物 浮 选 行 为的 差 异 。 图 1是 来 自 不 同 产 地 黄 铁 矿 的 可 浮 性 与 黄 药 浓 度 之 间 的 关系 。 可 见 ， 不 同 产 地 的 黄 铁 矿 在 酸 性 和 碱 性 介 质 中 的 可 浮 性均 存 在 差 异 （ 根 据 陈 述 文 、 胡 熙 更 ） 。图 1 国 内 八 种 不 同 产 地 黄 铁 矿的 浮 选 回 收 率 与 黄 药 浓 度的 关 系 1 -湖 南 上 堡 ； 2 -湖 南 东 坡 ； 3 -江 西 东 乡 ； 4 -湖 南 水 口 山 ； 5 -安 徽 铜 官 山 ； 6 -广 东 英 德 ； 7 -湖 南 七 宝 山 ； 8 -江 西 德 兴 铜 矿 图 2 不 同 成 因 黄 铁矿 可 浮 性 变 化 于 宏 东 、 孙 传 尧 等 ， 研 究 了 不 同 成 因 黄 铁 矿 的可 浮 性 变 化 情 况 ， 如 图 2所 示 。 由 图 2可 见 ， 中 低 温热 液 型 的 黄 铁 矿 可 浮 性 最 好 ， 浮 选 回 收 率 超 过 90%，而 煤 系 沉 积 型 黄 铁 矿 的 可 浮 性 最 差 ， 浮 选 回 收 最 高也 不 到 60%。 M C Fuerstenau研 究 了 不 同 产 地 矿 物 的 天 然 可 浮 性 。发 现 当 矿 物 的 天 然 可 浮 性 很 好 时 ， 不 同 产 地 之 间 矿 物 的 可浮 性 差 别 就 越 小 ， 如 方 铅 矿 和 黄 铜 矿 具 有 很 好 的 天 然 可 浮性 ， 回 收 率 均 在 90%以 上 ， 基 本 没 有 差 别 。 而 对 于 天 然 可浮 性 较 差 的 黄 铁 矿 和 闪 锌 矿 ， 不 同 产 地 的 矿 物 可 浮 性 差 异就 比 较 大 ， 如 闪 锌 矿 的 浮 选 回 收 率 最 低 仅 为 41%， 最 高 达到 100%。 辉 铜 矿 的 天 然 可 浮 性 也 较 好 ， 但 不 同 产 地 的 可 浮性 差 别 较 大 。 通 过 分 析 认 为 ， 不 同 产 地 矿 物 可 浮 性 的 差 异大 小 与 硫 化 矿 物 的 禁 带 宽 度 有 关 ， 禁 带 宽 度 代 表 了 矿 物 的半 导 体 性 质 ， 矿 物 禁 带 宽 度 越 小 ， 说 明 矿 物 电 化 学 性 质 可变 的 程 度 越 小 ， 不 同 产 地 矿 物 可 浮 性 变 化 也 越 小 ， 反 之 亦然 。 方 铅 矿 和 黄 铜 矿 的 禁 带 宽 度 为 0.41eV和 0.50eV， 而 黄铁 矿 、 辉 铜 矿 和 闪 锌 矿 的 禁 带 宽 度 分 别 达 到 了 0.90eV、2.10eV和 3.60eV， 故 不 同 产 地 的 黄 铁 矿 、 辉 铜 矿 和 闪 锌 矿的 可 浮 性 差 异 较 大 。 贾 木 欣 等 通 过 对 不 同 铁 矿 床 与 矿 石 选 矿 分 离 特 性 的 关 系研 究 发 现 ：1 ） 对 于 变 质 成 因 铁 矿 床 ， 如 辽 宁 鞍 本 、 河 北 迁 安 滦 县 滦 南 、北 京 密 云 、 山 西 五 台 等 地 区 铁 矿 床 ， 引 起 该 类 型 铁 矿 床 矿 石可 选 性 差 异 的 成 因 因 素 是 变 质 程 度 或 氧 化 程 度 ： 一 般 时 代 越老 变 质 程 度 高 的 矿 石 中 磁 铁 矿 含 量 高 ， 铁 矿 物 结 晶 粒 度 粗 ，该 类 矿 石 易 选 ； 如 果 时 代 相 对 较 新 、 变 质 程 度 低 或 经 受 后 期氧 化 的 矿 石 中 赤 铁 矿 含 量 高 ， 需 要 强 磁 选 和 反 浮 选 或 正 浮 选分 离 ； 如 变 质 程 度 不 够 ， 火 山 作 用 未 受 变 质 作 用 影 响 ， 常 可形 成 镜 铁 矿 ， 该 类 矿 石 需 强 磁 或 焙 烧 后 磁 选 ； 如 果 沉 积 岩 中出 现 碳 酸 盐 成 分 ， 常 可 形 成 含 菱 铁 矿 矿 床 ， 导 致 矿 石 分 选 难度 极 大 。（ 2 ） 对 于 岩 浆 结 晶 分 异 矿 床 及 岩 浆 分 异 晚 期 灌 入 矿 床 ， 如四 川 攀 枝 花 地 区 和 河 北 承 德 大 庙 地 区 钒 钛 磁 铁 矿 床 ， 岩 浆 分异 导 致 铁 钛 共 生 ， 铁 钛 分 离 难 度 较 大 。 （ 3 ） 对 矽 卡 岩 型 铁 矿 床 ， 如 河 北 邯 邢 地 区 、 湖 北 大 冶 地 区 铁矿 床 ， 在 回 收 磁 铁 矿 的 同 时 还 要 回 收 伴 生 铜 、 铅 和 锌 ， 且 成 矿时 形 成 高 温 磁 黄 铁 矿 ， 铁 精 矿 还 需 考 虑 浮 选 脱 硫 。 4 ） 对 于 与 碱 性 侵 入 岩 、 次 火 山 岩 、 火 山 岩 相 关 含 有 大 量 铁氧 化 物 （ 磁 铁 矿 、 赤 铁 矿 ） 同 时 伴 生 其 它 贱 金 属 、 稀 有 金 属 矿物 的 一 类 矿 床 ， 如 白 云 鄂 博 铁 矿 床 和 梅 山 铁 矿 床 ， 此 类 矿 床 成因 因 素 为 碱 性 岩 浆 含 大 量 挥 发 组 分 和 稀 有 、 稀 土 元 素 矿 物 ， 矿石 成 分 复 杂 ， 需 多 元 素 综 合 回 收 ， 故 选 矿 流 程 很 长 ， 同 时 选 矿难 度 较 大 。（ 5 ） 对 于 沉 积 型 铁 矿 床 ， 如 宁 乡 式 铁 矿 及 宣 龙 式 铁 矿 床 ， 为海 相 沉 积 成 因 ， 矿 石 特 点 为 鲕 状 赤 铁 矿 并 含 胶 磷 矿 ， 由 于 赤 铁矿 嵌 布 粒 度 细 而 难 以 通 过 选 矿 得 到 高 品 位 铁 精 矿 ， 一 般 需 深 度还 原 焙 烧 得 到 金 属 铁 再 磁 选 回 收 铁 。 此 外 ， 同 样 对 于 铜 镍 硫 化 物 、 斑 岩 型 、 矽 卡 岩型 和 火 山 岩 型 等 铜 矿 床 ， 花 岗 岩 型 、 矽 卡 岩 型 、 斑岩 型 、 海 相 火 山 岩 型 、 陆 相 火 山 岩 型 、 海 相 碳 酸 盐系 型 、 海 相 泥 岩 -细 碎 屑 岩 型 、 砂 岩 型 等 铅 锌 矿 床 ，壳 源 改 造 花 岗 岩 成 因 石 英 脉 型 和 矽 卡 岩 型 钨 矿 床 ，以 及 造 山 带 型 、 斑 岩 型 及 高 硫 低 硫 浅 成 热 液 型 、 卡林 型 等 金 矿 床 ， 其 矿 床 成 因 与 选 矿 也 具 有 密 切 的 关系 ， 不 同 成 因 矿 床 中 由 于 成 矿 成 因 的 差 异 ， 导 致 矿石 中 伴 生 的 矿 物 种 类 不 同 ， 有 价 金 属 的 赋 存 状 态 多样 化 ， 目 标 矿 物 的 结 晶 和 嵌 布 粒 度 存 在 差 异 ， 以 及矿 物 的 泥 化 程 度 高 低 不 同 ， 进 而 影 响 了 矿 石 的 分 选效 果 。 3 .2 矿 石 的 结 构 构 造 基 因 与 可 选 性 的 关 系 矿 石 的 结 构 、 构 造 特 点 能 反 映 出 有 用 矿 物 颗 粒 形 状 、 大 小 以 及 相 互 结合 的 关 系 。 因 此 ， 它 们 直 接 决 定 着 矿 石 碎 磨 过 程 中 有 用 矿 物 单 体 解 离 的 难易 程 度 以 及 连 生 体 的 特 性 。 矿 石 的 各 种 结 构 、 构 造 类 型 对 选 矿 工 艺 会 产 生不 同 的 影 响 。 一 般 来 说 ， 浸 染 状 构 造 、 斑 点 状 构 造 、 条 带 状 构 造 的 矿 石 碎 磨 时 是 易于 解 离 的 ； 具 有 复 杂 的 鲕 状 构 造 、 胶 状 构 造 、 星 点 状 构 造 的 矿 石 则 对 选 矿 较 为 不利 。 呈 交 代 结 构 以 及 固 溶 体 分 离 结 构 的 矿 石 ， 选 矿 要 彻 底 分 离 它 们 是 比 较困 难 的 。 而 压 碎 结 构 、 自 形 晶 结 构 以 及 半 自 形 晶 结 构 的 矿 石 一 般 有 利 于 有 用 矿物 的 单 体 解 离 。3 .3 矿 物 的 晶 体 结 构 及 其 它 物 性 的 基 因 文 书 明 等 研 究 发 现 ， 矿 物 的 流 体 包 裹 体 杂 质 制 约 着 矿 物 晶 体 的 表 面 性质 及 疏 水 特 性 ， 是 重 要 的 矿 物 基 因 信 息 ， 影 响 矿 物 的 可 浮 性 和 浮 选 分 离 。 他 们 的 研 究 认 为 ， 矿 物 在 成 岩 、 成 矿 及 晶 体 生 长 过 程 中 ，成 矿 流 体 及 元 素 会 不 可 避 免 地 造 成 宏 观 和 微 观 两 个 方 面 的矿 物 缺 陷 出 现 并 保 留 至 今 。 宏 观 方 面 是 包 括 液 体 、 气 体 和固 体 在 内 的 矿 物 流 体 包 裹 体 ， 这 些 大 量 的 流 体 包 裹 体 有 的分 布 在 晶 体 内 、 有 的 分 布 于 晶 界 ， 也 有 的 赋 存 于 愈 合 的 微观 裂 隙 内 ， 至 今 在 主 矿 物 中 完 好 封 存 且 与 主 矿 物 呈 现 明 显的 相 界 。 同 时 ， 伴 随 着 成 矿 流 体 的 运 动 ， 在 矿 物 晶 体 生 长过 程 中 ， 流 体 包 裹 体 组 分 内 外 的 原 子 会 在 矿 物 晶 体 内 部 存在 ， 造 成 异 质 原 子 的 取 代 、 掺 杂 ， 形 成 微 观 方 面 的 晶 格 杂质 信 息 ， 由 此 ， 造 成 了 矿 物 晶 体 本 体 几 何 和 电 子 结 构 性 质的 变 化 。 由 于 流 体 包 裹 体 的 破 坏 、 离 子 的 释 放 和 在 矿 物 表 面 的吸 附 ， 引 起 矿 物 表 面 化 学 性 质 的 变 化 和 可 浮 性 的 变 化 。 矿 物 流 体 包 裹 体 是 矿 物 基 因 信 息 的 组 成 之 一 ， 基 于 流体 包 裹 体 基 因 导 向 的 表 面 重 构 、 自 活 化 、 自 抑 制 、 交 叉 活化 与 抑 制 浮 选 效 应 ， 是 基 因 矿 物 加 工 学 的 重 要 组 成 部 分 。 流 体 包 裹 体 杂 质 及 其 形 成 的 晶 格 缺 陷 对 晶 体 表 面 结 构和 浮 选 分 离 的 影 响 及 其 影 响 机 理 具 有 重 要 的 研 究 价 值 ， 可作 为 基 因 矿 物 加 工 工 程 的 组 成 部 分 ， 很 值 得 进 行 深 入 研 究 。 胡 岳 华 等 针 对 一 水 硬 铝 石 型 铝 土 矿 铝 硅 浮 选 分 离 ， 研 究 发现 了 一 水 硬 铝 石 与 铝 硅 酸 盐 脉 石 矿 物 晶 体 结 构 的 差 异 、 表 面 断裂 的 AlO和 SiO键 及 表 面 离 子 活 性 区 的 差 别 ， 可 影 响 矿 物 表面 的 润 湿 性 与 可 浮 性 ， 类 质 同 象 及 各 种 晶 格 杂 质 离 子 也 将 影 响浮 选 剂 与 矿 物 表 面 的 相 互 作 用 和 矿 物 可 磨 性 。 据 此 提 出 了 正 浮选 、 反 浮 选 铝 硅 分 离 的 技 术 原 型 ， 用 溶 液 化 学 计 算 研 究 了 其 基本 原 理 。 结 果 表 明 ： 阴 离 子 捕 收 剂 正 浮 选 脱 硅 时 捕 收 剂 、 分 散剂 和 pH值 三 者 之 间 存 在 匹 配 关 系 ； 矿 物 的 PZC与 捕 收 剂 的 pK a值 是 阳 离 子 捕 收 剂 反 浮 选 的 主 要 控 制 参 数 ； 阴 离 子 捕 收 剂 反 浮选 时 ， 铅 盐 和 钙 盐 是 浮 选 铝 硅 酸 盐 较 理 想 的 活 化 剂 。 在 此 基 础上 ， 他 提 出 了 作 用 于 矿 物 表 面 不 同 位 点 的 铝 -硅 矿 物 浮 选 剂 分 子组 装 设 计 原 理 及 铝 -硅 矿 物 浮 选 溶 液 化 学 原 理 ， 建 立 了 铝 -硅 矿物 浮 选 分 离 界 面 物 理 化 学 理 论 ， 以 及 基 于 矿 物 表 面 性 质 调 控 矿物 /溶 液 /药 剂 界 面 相 互 作 用 的 原 理 和 方 法 。 陈 建 华 等 人 通 过 大 量 研 究 认 为 ， 对 于 具 有 半 导 体 性 质 的 硫化 矿 物 ， 晶 格 缺 陷 能 够 显 著 改 变 其 晶 体 结 构 （ 如 晶 胞 膨 胀 、 缩小 及 晶 胞 畸 变 等 ） 和 半 导 体 性 质 （ 半 导 体 类 型 、 能 带 结 构 、 电子 态 密 度 等 ） ， 从 而 影 响 了 硫 化 矿 物 的 电 化 学 浮 选 行 为 。 采 用基 于 密 度 泛 函 理 论 的 第 一 性 原 理 研 究 了 空 位 缺 陷 和 杂 质 缺 陷 对硫 化 矿 物 结 构 、 性 质 和 药 剂 分 子 吸 附 的 影 响 。 结 果 表 明 ， 晶 格缺 陷 对 硫 化 矿 物 表 面 捕 收 剂 产 物 具 有 较 大 影 响 。 他 还 采 用 热 力学 方 法 获 得 了 含 杂 质 缺 陷 方 铅 矿 的 吸 附 热 和 吸 附 动 力 学 参 数 ，采 用 循 环 伏 安 法 研 究 了 杂 质 方 铅 矿 的 氧 化 、 捕 收 和 抑 制 电 化 学行 为 。图 3 方 铅 矿 (PbS)缺 陷 与 黄 药 离 子 反 应 示 意 图 有 人 在 研 究 重 晶 石 、 萤 石 和 方 解 石 的 可 浮性 时 ， 发 现 矿 物 表 面 上 捕 收 剂 的 吸 附 与 费 米 能级 的 位 置 有 关 系 ， 提 出 了 药 剂 在 矿 物 表 面 上 的吸 附 取 决 于 表 面 电 子 平 均 能 级 的 费 米 能 级 等 性质 ， 认 为 矿 物 随 着 功 函 数 的 增 加 及 费 米 能 级 的降 低 ， 捕 收 剂 在 矿 物 表 面 上 的 吸 附 量 增 加 ， 浮选 回 收 率 得 到 改 善 。 通 过 在 矿 浆 中 引 入 氧 化 剂， 降 低 矿 物 的 费 米 能 级 ， 使 阴 离 子 捕 收 剂 对 重晶 石 、 萤 石 和 方 解 石 的 浮 选 回 收 率 得 到 提 高 ，当 使 用 还 原 剂 时 则 能 降 低 他 们 的 回 收 率 。 罗 德 汀 格 斯 研 究 了 晶 体 化 学 特 性 对 磷 灰 石 可 浮 性的 影 响 ， 针 对 不 同 的 成 因 的 磷 灰 石 ， 进 行 了 详 细 的 X衍 射 研 究 ， 准 确 地 测 定 了 样 品 的 晶 胞 参 数 和 结 晶 度 ，以 结 晶 指 数 表 示 ， 采 用 标 准 进 制 时 其 数 值 范 围 为 1 0 .0至 4 .5 。 结 果 表 明 ， 结 晶 指 数 与 可 浮 性 之 间 具 有 显 著的 相 关 性 。 当 结 晶 指 数 小 于 8 时 ， 磷 灰 石 的 可 浮 性 均显 著 下 降 。 另 外 ， 矿 物 的 结 晶 程 度 越 好 ， 溶 解 度 越 低， 调 浆 时 间 对 矿 物 可 浮 性 的 影 响 不 大 ； 结 晶 程 度 差 、表 面 溶 解 度 较 大 的 矿 物 ， 调 浆 时 间 越 长 ， 可 浮 性 越 差。 认 为 结 晶 度 较 低 的 磷 灰 石 表 面 的 可 溶 性 较 大 ， 从 而使 吸 附 的 捕 收 剂 膜 越 易 于 脱 落 。 时 间 间 隙 越 长 ， 在 一定 程 度 的 搅 拌 条 件 下 这 种 作 用 越 显 著 ， 捕 收 剂 的 稳 定性 就 越 差 ， 使 矿 物 上 浮 量 越 低 。 孙 传 尧 、 印 万 忠 对 硅 酸 盐 矿 物 浮 选 的 晶 体化 学 原 理 进 行 了 研 究 。 研 究 表 明 ， 岛 状 、 环 状 、链 状 、 层 状 和 架 状 五 大 类 结 构 的 硅 酸 盐 矿 物 的晶 体 化 学 特 征 及 表 面 特 性 和 浮 游 性 具 有 密 切 的关 系 。 不 同 结 构 类 型 硅 酸 盐 矿 物 解 离 时 Si-O键和 Al-O键 的 断 裂 程 度 、 Al3+对 Si4+的 替 代 程 度及 Al的 配 位 方 式 、 矿 物 的 化 学 组 成 及 矿 物 的 解离 程 度 等 晶 体 化 学 特 征 的 差 异 ， 导 致 矿 物 表 面电 性 (包 括 零 电 点 )、 暴 露 于 矿 物 表 面 的 阴 阳 离子 的 种 类 、 性 质 和 相 对 含 量 、 表 面 多 价 金 属 阳离 子 对 于 阴 离 子 的 相 对 密 度 (M n+/O2-)、 表 面不 均 匀 性 、 表 面 金 属 阳 离 子 的 溶 解 度 及 表 面 键合 羟 基 的 能 力 等 诸 多 表 面 特 性 的 不 同 。 这 导 致 矿 物 在 阴 、 阳 离 子 捕 收 剂 浮 选体 系 中 在 不 加 活 化 剂 和 抑 制 剂 时 的 自 然 可浮 性 及 多 价 金 属 阳 离 子 、 无 机 阴 离 子 调 整剂 、 有 机 高 分 子 调 整 剂 及 有 机 络 合 调 整 剂对 矿 物 可 浮 性 影 响 的 差 异 ， 得 出 了 不 同 浮选 条 件 下 矿 物 可 浮 性 与 矿 物 主 要 晶 体 化 学特 征 和 表 面 特 性 之 间 的 某 些 相 关 规 律 。 借 助 于 以 下 两 图 说 明 包 头 白 云 鄂 博 矿霓 石 的 可 浮 性 以 及 石 煤 含 钒 云 母 提 钒 问 题 。 在 霓 石 （ 钠 辉 石 ） 的 晶 体 结 构 中 ， 硅 原 子 与 氧 原 子 形成 SiO4 四 面 体 链 ， 铁 原 子 与 氧 原 子 结 合 成 FeO6 八 面 体 链 ，每 两 个 SiO4 四 面 体 链 与 一 个 FeO6 八 面 体 链 形 成 2 1 型 的“I”形 杆 。 图 4 中 的 M1 位 置 被 Fe3 +占 据 ， M2 位 置 被 Na+占 据 。结 构 中 Si-O键 主 要 为 共 价 键 ， 键 强 较 大 ， 而 Na-O和 Fe-O键离 子 键 性 特 征 明 显 。 矿 物 解 离 时 主 要 沿 Na-O键 断 裂 的 方 向 进 行 (如 图 中 A-B-C-D-E-F方 向 )， 故 矿 物 解 离 后 破 裂 表 面 有 较 多 的 Na及 少 量 的Si和 Fe。 霓 石 的 含 铁 量 约 占 2 5 %， 应 当 具 有 某 些 铁 矿 物 的 性质 。 由 于 Fe3 +占 据 M1 位 置 ， 解 离 时 难 以 暴 露 ， 故 破 碎 后 在霓 石 表 面 暴 露 了 大 量 的 氧 和 钠 ， 但 极 少 有 铁 。 由 于 霓 石 的晶 体 结 构 和 表 面 特 征 ， 当 用 强 磁 选 时 它 会 进 入 磁 性 产 品 ，当 用 浮 选 时 表 面 不 显 铁 矿 物 的 特 征 ， 因 此 ， 选 用 适 当 的 调整 剂 和 捕 收 剂 可 实 现 包 头 霓 石 和 铁 矿 物 的 浮 选 分 离 。 作 者 和 同 事 用 “ 络 合 浸 蚀 浮 选 法 ” 曾 成 功 地 实 现 包 钢选 矿 厂 弱 磁 精 矿 反 浮 选 （ 没 有 上 工 业 ） 。 体 相 和 表 相 不 同 。 图 4 霓 石 晶 体 结 构 (垂 直 C轴 的 投 影 ） 关 于 石 煤 提 钒 问 题 。 石 煤 中 钒 的 主 要 价 态 有 +3、 +4和+5价 ， 绝 大 部 分 以 V3+形 态 存 在 于 含 钒 云 母 等 硅 酸 盐 矿 物 中 。云 母 的 晶 体 结 构 如 图 5和 6所 示 ， 为 2:1型 TOT的 层 状 结 构 硅酸 盐 矿 物 ， 即 两 层 硅 氧 四 面 体 夹 着 一 层 铝 氧 八 面 体 。 V3+主要 以 类 质 同 象 形 式 部 分 取 代 Al3+形 成 钒 氧 八 面 体 或 钒 氧 四 面体 而 存 在 于 云 母 中 。以 下 几 个 问 题 需 要 进 一 步 查 清 ：1） 钒 对 铝 的 取 代 程 度 。 钒 在 八 面 体 和 四 面 体 中 含 量 有 多少 ？2） 提 钒 过 程 中 ， 八 面 体 和 四 面 体 中 的 钒 ， 浸 出 率 有 多 少 ？3） 在 焙 烧 过 程 中 ， 云 母 的 结 构 发 生 怎 样 的 变 化 ？4） 进 一 步 提 高 钒 回 收 率 的 技 术 关 键 如 何 ？ 必 须 说 明 ， 上 述 关 于 矿 床 、 矿 石 和 矿 物 基 因 的 零 散 研 究 仅 仅 是 初 步 的 ， 完 全 构 不 成 体 系 ； 而 且 至 今 尚 未 见 到 用 三 位 一 体 的 基 因 矿 物 加 工 工 程 的 研 究 方 法 所 选 择 的 工 艺 流 程 ，用 于 选 矿 工 业 实 践 的 报 道 。 图 5 沿 云 母 （ 010)的 晶 体 结 构 图 6 云 母 的 晶 体 结 构 四 、 基 因 矿 物 加 工 工 程 的 研 究 方 法 和 技 术 路 线 4.1、 矿 物 、 矿 石 和 矿 床 基 因 特 性 的 研 究 与 测试 矿 石 和 矿 物 基 因 应 是 决 定 可 选 性 的 重 要 因素 ， 它 包 括 矿 床 成 因 和 类 型 ， 矿 石 的 结 构 构 造 ，矿 物 组 成 ， 嵌 布 特 性 ， 结 晶 粒 度 ， 解 离 特 性 ， 矿物 的 晶 体 化 学 特 征 ， 包 括 元 素 组 成 、 化 学 键 特 征、 晶 体 构 造 类 型 、 表 面 和 内 部 缺 陷 和 矿 物 表 面 特性 等 。 利 用 现 代 工 艺 矿 物 学 的 多 种 研 究 手 段 ， 对矿 物 、 矿 石 的 基 因 特 性 进 行 系 统 研 究 测 试 ， 提 出原 则 的 磨 矿 分 级 流 程 和 选 别 流 程 ， 推 测 理 论 选 矿指 标 。 这 是 制 定 选 矿 工 艺 流 程 的 基 础 。 4.2、 建 立 并 利 用 大 数 据 库 技 术 将 庞 大 的 矿 石 工 艺 矿 物 学 研 究 ， 矿 床 、 矿石 和 矿 物 的 基 因 测 试 ， 选 矿 工 艺 试 验 研 究 ， 选矿 厂 生 产 实 践 数 据 以 及 选 矿 厂 工 程 设 计 资 料 等历 史 的 、 现 今 的 、 国 内 的 、 国 外 的 大 量 资 料 进行 收 集 、 研 究 、 建 立 数 据 库 。 4.3、 现 代 信 息 技 术 与 基 因 矿 物 加 工 技 术 深度 融 合 根 据 矿 物 、 矿 石 和 矿 床 的 基 因 研 究 测 试 结 果并 借 助 于 已 建 立 的 数 据 库 ， 经 过 智 能 选 择 ， 初步 提 出 选 矿 流 程 方 案 和 预 定 的 工 艺 指 标 ， 再 经过 虚 拟 选 矿 厂 的 模 拟 仿 真 ， 推 荐 出 工 艺 流 程 及指 标 。 4.4、 有 限 的 选 矿 试 验 验 证 对 所 推 荐 的 选 矿 工 艺 流 程 及 指 标 ， 开 展 有 限 的选 矿 试 验 研 究 ， 目 的 是 对 基 因 测 试 研 究 、 大 数 据技 术 和 信 息 技 术 三 位 一 体 推 荐 的 工 艺 流 程 及 指 标进 行 验 证 ， 验 证 成 功 的 经 确 认 后 转 入 应 用 ， 不 成功 者 反 馈 到 虚 拟 仿 真 和 数 据 库 再 循 环 推 出 。 4.5、 工 程 转 化 及 数 据 反 馈 对 确 认 的 选 矿 工 艺 流 程 和 选 矿 指 标 正 式 用 于 选矿 厂 建 设 或 技 术 改 造 的 工 程 设 计 。 投 产 后 的 实 际生 产 数 据 必 须 反 馈 到 虚 拟 仿 真 和 数 据 库 。 图 7是 基 因 矿 物 加 工 工 艺 流 程 研 究 的 技 术 路 线及 流 程 图 ： 下 是 基 因 矿 物 加 工 工 艺 程 研 究 的 技 术 路 线 及流 程 图 ：图 7 基 因 矿 物 加 工 工 程 研 究 技 术 路 线 (项 目 组 讨 论 制 定 ) 五 、 小 结1、 矿 物 、 矿 石 和 矿 床 基 因 特 性 的 研 究 与 测 试 是 本 研 究 的 基 础 。2、 基 因 矿 物 加 工 工 程 研 究 将 所 提 出 的 方 法 、 技 术 路 线 以 及 所 建立 的 信 息 平 台 ， 有 可 能 突 破 传 统 的 矿 物 加 工 研 发 和 工 程 转 化 的 模式 ， 大 幅 度 缩 短 工 艺 技 术 的 开 发 周 期 ， 实 现 高 效 低 耗 。3、 本 研 究 需 要 地 质 、 工 艺 矿 物 学 、 矿 物 加 工 、 信 息 科 学 与 技 术、 选 矿 工 程 设 计 以 及 生 产 人 员 的 通 力 合 作 ， 经 长 期 努 力 才 能 取 得成 效 。 也 可 以 先 做 局 部 的 研 究 ， 例 如 ， 黄 金 、 铜 ， 铅 锌 、 钨 等 。4、 有 关 数 据 库 的 建 立 和 应 用 研 究 工 作 量 大 、 难 度 大 ， 是 技 术 关键 ； 工 艺 流 程 的 智 能 选 择 和 虚 拟 选 矿 厂 的 模 拟 仿 真 是 另 一 技 术 关键 ， 创 新 性 强 ， 难 度 大 。5、 如 果 本 项 研 究 得 以 成 功 ， 相 应 的 设 计 规 范 和 设 计 思 想 也 应 当改 变 。 本 研 究 已 列 入 中 国 工 程 院 化 工 、 冶 金 与 材 料 学 部 的 战 略 咨 询项 目 ， 国 家 自 然 科 学 基 金 委 也 给 与 了 一 定 的 支 持 。 北 京 矿 冶 研 究总 院 与 中 南 大 学 、 东 北 大 学 、 昆 明 理 工 大 学 和 郑 州 大 学 等 将 合 作 开 展 这 一 研 究 。 在 此 一 并 感 谢 。选 矿 年 评 会 将 于 本 年 度 7月 中 旬 左 右 在 沈 阳 召 开 。第 十 一 届 ： 第 十 一 届 选 矿 年 评 会 将 于本 年 度 7月 中 旬 左 右 在 沈 阳召 开 。主 体 ：矿 产 资 源 高 效 加 工 和 综 合利 用 谢 谢 ！