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工艺矿物学

工艺矿物学不仅为选矿或冶金工艺提取其中某种有用元素的工艺流程提供依据,而且为利用矿物的物理性质、化学性能等特征进行矿物材料的开发利用以及为工业固体废弃物(固体尾矿、冶金渣等)综合治理和其深加工提供依据。工艺矿物学的发展已成为促进我国经济发展的一种重要科学技术手段。 工艺矿物学通过对矿石中矿物(元素)的赋存状态、矿物的嵌布粒度特征、镶嵌关系的研究,为矿石的可处理性提供矿物学评价,对矿山的生产流程作矿物学考察与分析,为矿山的选矿流程和冶金工艺提供宏观矿物学依据。我国铝土矿铝硅比小于5的低品位铝土矿分离难、氧化铝提取效率低、铝电解能耗高;通过对我国铝工业面临难题的研究,突破选矿领域表面组分和性质相似的矿物间分离的难题,构建了铝土矿中矿物晶体结构、化学组成与表面润湿性、电性、可浮性的相互关系,建立了系统的铝矿物分离浮选药剂分子组装和界面作用力理论,实现我国低品位铝土矿资源的高效利用,扩大了铝土矿可利用资源量两倍以上。针对我国铜锌镍钛等主要战略有色金属难处理矿产资源具有共同的矿物学特点,即大多是类质同象、同金属多矿相、高碱性脉石的多金属共生氧化矿,通过系统地研究难处理矿产资源中有用金属的赋存状态、矿物间镶嵌关系和矿物表面矿相再构机理,为难处理矿产资源分离工艺提取提供基础理论依据。通过计算白钨矿、萤石和方解石三种含钙矿物的晶面层间断裂键数,来验证和预测矿物的解离性质,通过计算矿物表面钙质点数和质点未饱和键数,从更微观和直观的角度来研究矿物的表面性质,并为解释矿物的实际浮选行为提供理论依据。通过新疆羟硅铍石型铍矿矿石的工艺矿物研究,发现有用元素铍的赋存状态主要以羟硅铍石为主,且羟硅铍石存在于萤石脉之中,这些认识为矿石的分选方法和工艺条件提供了理论依据,同时提供了成因矿物学依据和找矿标志,扩大了矿床储量,使目前有经济价值的铍矿物增至五种。探测微生物-矿物作用前后界面物种的组成和物态的变化,直接析浸矿过程,结合透射电镜、扫描电镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等,原位观测微生物-矿物作用过程中界面形貌、结构特征,探索界面结构特征与微生物-矿物作用的内在联系,为微生物-矿物多相界面相互作用理论研究提供最直接的徽观实验数据,推进相关理论研究的深层次发展,从而揭示生物有机体调控或代谢产物诱导矿物氧化分解的本质。通过基因组学及蛋白质组学技术,对硫氧化系统中功能基因及主要蛋白质进行分析,揭示徽生物浸矿体系细胞与矿物表面间的物质和能量传输规律,并最终建立硫化矿生物浸出化学-生物学机制。 通过对尾矿和冶金渣等工业固体废弃物进行工艺矿物学分析,并利用各种矿物加工和冶金方法进行探索,寻求资源回收的可能,在尽可能回收的前提下,对固体尾矿和冶金渣进行材料深加工,不仅实现固体废弃物的综合治理,并且实现经济上的增值。例如香花岭地区尾矿综合利用研究、铝土矿选矿尾砂综合利用、钨矿尾砂工艺矿物学研究、梅山钢渣处理制酸污水及钢渣后续利用研究(钢渣工艺矿物学部分)和宝钢含锌尘泥工艺矿物学研究等。 将矿物的晶体化学、矿物物理学、量子矿物学与工艺矿物学紧密结合,使这门应用学科不仅选冶、加工工艺等为提取其中某种有用元素发挥作用,而且为促进新兴矿物材料和技术的发展提供强大的理论基础。例如,通过锑对氧化锡掺杂优化实现重晶石基导电粉末的性能调控,导电性能增强2~3倍,矿物基体附加值提升10倍。 矿物学研究的每一个阶段都以新技术和新理论的引导为标志。工艺矿物学的研究更是如此。QEM-SCAN(Quantitative evaluation of Mineralsby Scanning Electronic Microscopy)系统由X射线能谱确定矿物的成分,由背散射电子像区分矿物相。矿物的自动识别由其软件中的SIP(Species Identification Program)完成,它为一个矿物能谱成分数据库,能谱分析数据与此数据库中数据比对,从而识别矿物。QEMCSCAN可自动测定解离度、矿物嵌布粒度、矿物相对含量等工艺矿物学参数,同时可编程得到研究者感兴趣的参数。 MLA(mineral liberation analyser)矿物自动检测系统是目前世界上最先进的工艺矿物学参数自动定量分析测试系统,由澳大利亚昆士兰大学JK矿物学研究中心(JKMRC)开发研制。MLA矿物自动检测系统由FEI Quanta200扫描电镜、EDAX射线能谱议和MLA Suite软件构成,它利用背散射电子图像区分矿相和微区X射线衍射技术进行多点分析,对扫描电镜的工作距离进行了优化,使所得到的背散射像更加清晰,增加了矿物签定的准确性。MLA系统能快速、准确地测定样品中的矿物组成及含量、元索赋存状态、产品磨矿粒度分布等工艺矿物学数据,可以实现对选矿厂工艺流程合理性的快速评估,为企业改进生产工艺、提高资源回收率提供技术依据。目前,国内外很多大型厂矿、研究院和大学装备了MLA。 工艺矿物学参数自动测定系统的出现,是工艺矿物学领域所取得的最大成就。这些系统的出现不仅使解离度测定实现了自动化,也使解离度测定的准确性和可重现性得到了很大提高。 深入的基础理论研究与先进测试手段的应用是工艺矿物学发展的基础,因此应加强基础理论的研究和先进测试手段的应用。与此同时,进一步促进工艺矿物学研究与地质勘探、采矿、选矿、冶金以及材料加工等生产工艺更大程度地融合,保证矿物资源的高效利用。建立高效的数字化QEMSCAN和MLA系统,快速准确地获得工艺矿物学参数,建立数学模型为生产工艺流程服务。