《表面电性与浮选》PPT课件.pptx

6.2表面电性与浮选 资源工程试验0901 胡宜斌 主要内容 6.2.1 矿物表面电性起源 6.2.2 双电层结构及电位 6.2.3 动电位测定 6.2.4 颗粒表面电性与浮选 一.矿物表面电性起源 矿物在水溶液中受水偶极及溶质的作用，表面 会带一种电荷。矿物表面电荷的存在影响到溶液中 离子的分布，带相反电荷的离子被吸引到表面附近 ，带相同电荷的离子则被排斥而远离表面。于是， 矿物水溶液界面产生电位差，但整个体系是电中 性的。 矿物表面电荷的起源，归纳起来，主要有以 下四种类型： 1、优先溶解 2、优先吸附 3、优先电离 4、晶格取代 1、优先溶解 离子型矿物在水中由于表面正、负离子的表面 结合能及受水偶极的作用力（水化）不同而产生非 等当量向水中转移的结果，使矿物表面荷电。 表面离子的水化自由能 可由离子的表面结 合能 和气态离子的水化自由能 计 算。 对阳离子 ： 对阴离子 ： 根据 和 何者小 ，相应离子的水化程度就较高，该离子将优先进入 水溶液。于是表面就会残留另一种离子，从而使表 面获得电荷。 对于表面上阳离子和阴离子呈相等分布的1-1价离子型矿 物来说，如果阴阳离子的表面结合能相等，则其表面电荷符 号可由气态离子的水化自由能相对大小决定。 【例】1.碘银矿(AgI)，气态银离子Ag+的水化自由能为-441 kJ/mol，气态碘离子I-的水化自由能为-279 kJ/mol，因此Ag+优 先转入水中，故碘银矿在水中表面荷负电。 【例】2.钾盐矿(KCl)，气态钾离子K +的水化自由能为-298 kJ/mol，氯离子Cl-的水化自由能为-347 kJ/mol，因此 Cl-优先 转入水中，故钾盐矿在水中表面荷正电。 【注】对于组成和结构复杂度离子型矿物，则表面电荷将决 定于表面离子水化作用的全部能量。 这是矿物表面对电解质阴阳离子不等量吸附而 获得电荷的情况。 离子型矿物在水溶液中队组成矿物晶格的阴阳 离子的吸附能力是不同的，结果引起表面荷电不同 ，因此矿物表面电性与溶液组成有关。 例如白钨矿在自然饱和溶液中，表面钨酸根离 子较多而荷负电。如向溶液中添加钙离子，因表面 优先吸附钙离子而荷正电。又如，在用碳酸钠与氯 化钙合成碳酸钙时，如果氯化钙过量，则碳酸钙表 面荷正电。 2、优先吸附 对于难溶的氧化物矿物和硅酸盐矿物，表面因 吸附H+或OH-而形成酸类化合物，然后部分电离而使 表面荷电，或形成羟基化表面，吸附或解离H+而荷 电。 、优先电离 4、晶格取代 黏土、云母等硅酸盐矿物是由铝氧八面体和硅 氧四面体的层状晶格构成。在陆杨八面体层片中， 当Al3+被低价的Mg2+或Ca2+取代，或在硅氧四面体层 片中，Si4+被Si3+置换，结果会使晶格带负电。为维 持电中性，矿物表面就吸附某些正离子（例如碱金 属离子）。 当矿物置于水中时，这些碱金属阳离子因水化 而从表面进入溶液，故这些矿物表面荷负电。 二.双电层结构及电位 1.双电层结构 矿物水溶液 界面的双电层可用 斯特恩(stern)双 电层模型表示。 名词解释： 定位离子 定位离子层 配衡离子 配衡离子层 紧密层（斯特恩层） 扩散层（古依层） (1)表面电位0 即荷电的矿物表面与 溶液之间的电位差。对于 导体或半导体矿物，可将 矿物制成电极测0 ，故又 称电极电位。 非导体的矿物，可用 能斯特公式算出。它取决 于溶液中定位离子的活 度。其关系式推倒如下： 2、双电层电位 设M+或X-为1-1型矿物，如果其溶解度小，当在水溶液中 平衡时，M+或X- （即定位离子）在溶液内的活度分别为a M+ 和ax-，则当阳离子M+吸附后，其自由能变化（ ）为 ： 式中： 标准状态时自由能变化； aM+ ，ax分别为离子M+在表面和溶液内的活度； R气体常数； T绝对温度 平衡状态时，化学功应等于电功，即 于是 当 时，则 式中 、 分别为 时，M+在矿物 表面的溶液中的活度。 将代入，得： 因为M+是矿物的一个组分，其在表面的活度可假定为常 数，即 ，所以上式可简化为 同样，对于阴离子X-的吸附可得 如果离子价数为n，则上两式可写成 （6-28） （2）斯特恩电位（ ） 紧密层与溶液之间的电位差 （3）动电位（ ） 当矿物溶液两相在外力作用下发生相对运动时，紧密层中 的配衡离子因吸附牢固会随矿物一起移动，而扩散层将沿位 于紧密层稍外一点的“滑移面”移动。此时，滑移面上的电 位称为动电位，写成 。 （1）零电点PZC。 当 为零（或表面净电荷为零）时，溶液中定位离 子活度的负对数值被定义为零电点，用符号PZC(Point of Zero Charge)表示。 如果已知矿物的零电点，则可根据式（6-28）求出在其 定位离子活度条件下的 。 对于硅酸盐和氧化物矿物，如石英、刚玉、锡石、赤铁 矿、软锰矿、金红石等，根据双电层的起源，一般认为氢离 子和氢氧根离子是定位离子。按式（6-28），在25 时，带 入各常数数值，则 pHPZC氧化物和硅酸盐矿物的零电点pH 3、PZC和IEP 对于离子型矿物，如白钨矿、重晶石、萤石、碘银矿、 辉银矿等，一般认为定位离子就是组成矿物晶格的同名离子 ，因此，计算0的（6-28）式可写成： 式中：pMPZC以定位离子活度的负对数值表示的零电点。 pM定位离子活度的负对数值。 *注：应该指出，离子型矿物在水溶液中，随pH的变化而影 响矿物的解离，因此在一定的pH值，表面电位0会出现为零 的情况，此时称该pH值为“零表面电位pH”（或零电点pH ）以区别于该矿物的PZC。 （2）等电点IEP。 特性吸附作用：双电层中的配衡离子对矿物表面只有静电力相互作 用。但当溶液中某种离子（例如表面活性剂离子）对矿物表面除有静电 力外尚有附加的其他作用力时，例如化学力、烃链缔合力等存在时，则 可使这种离子更多地进入紧密层中，使配衡离子层的电位发生更复杂的 变化。 当这种离子与表面电荷符号相同时， 它能克服静电斥力而 进入紧密层，其电位 变化如图1所示； 而当这种离子与表面 电荷符号相反时， 则可使和电位符号 与0相反，如图2所示。 我们称这种作用 称为特性吸附作用。 等电点：由于电位测定容易，故在浮选中有很重要的意 义。因此，与零电点对应，定义当没有特性吸附， 电位等 于零时，溶液中定位离子活度的负对数值为等电点，用符号 IEP表示。 在没有特性吸附的情况下，当 时， ，即PZC=IEP。因此，可用测定动电位的方法来测定矿物的 PZC，即用测量电位变号时的IEP值来表示PZC。 三.动电位测定 前节所讨论的双电层都是只界面相对静止的情 况，当一相相对于另一相运动时，会引起一些有趣 的现象，成为电动现象，包括电渗、电泳、流动电 位和沉淀电位四种。电动现象获得了广泛的应用， 特别是电泳和电渗，应用在许多过程中，如脱水、 浓缩、分离、水的净化、红血球分离等。这些现象 被用来测定动电位。 1、电渗 在外加电场作用下，液相沿着固相（毛细管、多孔隔 膜、多孔塞、粉末等）移动，称为电渗。在电场作用下，溶 液发生移动，说明液相中存在剩余电荷，即固体微粒周围应 存在双电层或离子云，由此可以得出以下结论： （1）通过水或水溶液的流动方向，可以确定粒子带何种电 荷。 （2）根据玻璃管中溶液的移动速度可以确定电渗流出体积V ，V=A(cm3/s)。 （3）电渗速度不仅同多孔物质的性质有关，而且还与溶液 性质和电解质浓度有关。电解质对电渗速度影响非常敏感， 有时可以使电渗方向发生改变。 （4）由电渗速度的测定可以求得 电位。 由电渗法测定 电位通常是测出电渗电流和液体的电 渗流出体积，由下式求出 电位。 式中： 为溶液电导率；3002为换算因子；为黏度； D为液体的介电常数；i为电流强度；V为电渗时液体流过多 孔性物质的体积。 2、电泳 在外加电场作用下，分散在液相中的固体粒子向电极的 移动成为电泳。通过粒子在电场中的移动方向，可以确定他 们带何种电荷。如Fe(OH)3、Al(OH)3等向阴极移动，说明他们 带正电荷；而S、As2S3、淀粉、阿拉伯树胶带负电，移向阳 极。 有所时间的电场强度i，测得界面移动速度u，然后求得 电泳迁移率u0，便可根据下式求得 电位 式中： 、D同上式；f位数值因子，取决于离子半径与扩散 层有效厚度-1之比(a/ -1)，当a/ -1大，不论离子形状如何 ，f取1/4；当粒子与扩散层厚度比是较小的，对平行电厂的 圆柱粒子f取1/4，对球形粒子取1/6。 四.颗粒表面电性与浮选 PZC和IEP是矿物表面电性质的重要特征参数，当用 某些以静电力吸附作用为主的阴离子或阳离子捕收剂浮 选矿物时，PZC和IEP可作为吸附及浮选与否的判据。 当pHPZC时，矿物表面带负电，阳离子捕收剂能吸 附并导致浮选；pH6.7时，针铁矿表面电 位为负，此时用阳离子捕收 剂吸附。 用纯针铁矿与石英混合 物分选试验的结果，如图所 示，其中的选择性系数是指 在精矿产品中，两者回收率 之差。 在2pH6.7时，针铁 矿的表面电位为正，石英的 表面电位为负，用阴离子捕 收剂浮选针铁矿。或用阳离 子捕收剂浮选石英（反浮选 针铁矿）。 由此可见，讨论矿物的表面电性质及其同浮选捕收剂的 静电力作用时，矿物的PZC(IEP)值，是基本的理论依据。常见 的矿物表面零电点及等电点pH值列于表中。 磺酸盐、烷基硫酸盐和羧酸盐的短链同系