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 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 （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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 —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(GeneticMineralProcessingEngineering)，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 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 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%。MCFuerstenau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Al—O和Si—O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pKa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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 进制时其数值范围为10.0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(Mn+/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25%，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 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 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！