非金属矿物与岩石材料工艺学 填空 论述 压缩 应试精简版.doc

当代科学技术各学科发展的趋势是学科（分类越加细化），同时学科间趋向于（融合、交叉），因此要求科技工作者对于本专业（要系统全面掌握专业理论知识），同时对于矿物加工工程专业技术人员要注重（学习和掌握相关学科的专业知识）。200目=( 0.074 )mm；0.045( 325 )目；5m( 2500 )目；1250目( 10 )m。按物质内部原子之间结构不同材料的分类：金属材料、( 非金属 )和( 高分子聚合物)三大类。地质学家常将“矿物光性测定、（X射线分析）和（差热分析）称作是鉴定矿物的三种主要手段”写出下列附号的意义：PVA (聚乙烯醇)、GCC(重钙)、CMC(羧甲基纤维素)、PAM(聚丙烯酰胺)、PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PCC(轻钙)、PVC(聚氯乙烯) GB（中国国家标准）、m2/g或cm2/g （表示超细粉体的比表面积）IM （工业矿物与岩石）、DTA（差热分析）、TG（热重分析）。【矿物与矿物学】矿物的定义是由（天然）产出且具有特定的（但一般并非固定的）化学成分和内部晶体结构的均匀固体，通常由（无机）作用所形成。非金属矿（工业矿物与岩石）是指除了金属及矿物燃料以外的其（化学组成）或技术物理性能可资利用而具有（经济价值）的所有非金属矿物与岩石矿物材料是指能够利用其物理、化学（性质）的矿物（或岩石），或以天然矿物为重要原料，以优化其物理、化学（性能）为目的的，经可控加工改造或复合形成的一切材料矿物材料学是一门研究矿物材料的(组成与结构)、形成与加工、（性能）和使用效能四者之间关系与规律的一门科学.它与矿物学等学科有着天然的联系.矿物在应用上几个特点如多用性、应用面广、相互替代性等，都依赖于矿物内在本质（成分组成）、结构与性能的（揭示）及其应用和优化途径的选择。【矿物物理加工与改性】矿物颗粒形态处理五种工艺： （片状矿物的磨剥解离）；（纤维矿物的松解开棉）；颗粒矿物的超细粉碎和分级；晶体矿物的选择性解离及特殊形态处理;粘土矿物的碎散剥片。固体表面自由能是指矿物破碎产生新鲜表面（需要做功），是在恒温恒压下，（单位表面积）产生新表面所做的可逆功。表面能是指矿物晶体（连续）结构的断裂，使表面原子（离子）受到一种不对称力场的作用，从而在晶格结合能上产生（过剩能量），即表面能（界面能）Es. 矿粒的不断碎裂表面积(增加 )、矿粒质量变小，同时表面能不断（增加），最终可能形成表面非晶态。硅氧配位四面体（SiO44）(附号T)是硅酸盐矿物的最稳定的基本结构单元。由一个Si4+离子等距离地配上四个比他大得多的O2离子构成。硅氧四面体的（四个氧）各带一个负电荷。矿物表面的润湿性的决定因素是表面不饱和键与水分子之间的作用能(表面能)，以及与水分子之间的缔合能的强度大小及（对比）关系。已知某矿物表面与水分子的作用能E-4.70102Jm2，水的缔合能Ew(-1.4610-2Jm2)，因此，该矿物具有（强亲）水性。相（phase）是体系（物系）中具有相同（物理性质）与化学性质的（均匀）部分。【矿物电化学】水对矿物离子的作用是由于水的（结构）性及其（偶极化）特性决定的。双电层理论中，stern层电位（反）比于配衡离子浓度。矿物水解反应的原因是荷电阳离子与（水分子偶极化）强烈作用。【矿物热加工】热分析技术是指在（控制温度下）测定一种物质及其加热反应的物理性质随（温度变化）的一组技术，方法有十余种。一般的化学反应，反应温度每提高（10），反应速度可增加（1倍）或更高。吸热效应是因（蒸发）、分解、（转变）、还原和融化等引起的热变化；放热效应是（氧化）和（结晶）引起的热变化。材料干燥过程的本质是(能量的传递)与（物质的转移）。材料干燥过程的实质是(材料中水分的移动过程)。固体干燥的两个阶段：首先，加热水分气化的（传热过程）；然后，是气化后的润湿分子蒸汽，由于其分压较大而扩散，进入气相的（传质过程）。固体干燥的特点： (传热)与（传质）并存，互相影响与制约。材料干燥过程的四阶段包括：加热阶段等速干燥阶段（降速）干燥阶段（平衡）阶段。【矿物化学改性】利用表面活性剂对矿物表面界面改性：使亲水性矿物变成（疏水性）矿物材料。使（疏水性）矿物变成亲水性矿物材料（如水性胶体石墨）；使具有层间膨胀及具有离子交换性的亲水性矿物改性为可膨胀的亲油性矿物。硅烷偶联剂可用通式表示为。式中：Y 是可以和(有机聚合物)反应的基团；R (短键烷撑基)，通过它把Y与Si原子相连接；X是可进行( 水解反应)并生成SiOH的基团。钛酸酯偶联剂子结构划分为6个功能区，每个功能区都有其特点，在偶联剂中发挥各自作用。在括号中添入功能区的作用对象。 （亲水基端）（亲有机端） 1 2 3 4 5 6 （RO）MTi (O X - RY)N 矿物加工过程中利用表面活性剂：改善矿物材料的（润湿）性、分散性及油、水介质的（相溶性），从而提高或完全改变矿物材料的（界面）特性。使表面活性剂渗透到矿物晶层间 ，使矿物晶层得到改性，或进一步被膨胀剥离，达到化学松解或起（助磨剂）作用。改善复合材料的加工性能及其产品的质量。偶联剂还有利于改善（体系）的流变性，改善和抑制填料的“相”分离，从而得到均匀混合，并使矿物表面（有机化）等作用，对改善复合材料的韧性、机械强度、电气性能与密封性能等均有良好的效果，并能经得起苛刻环境的考验。【矿物化学处理与湿法冶金】 矿物化学处理与湿法冶金的应用领域？ 非金属矿物提纯与化学改性； 化学改性是指使用化学处理方法来改变目的矿物的物理与物理化学性能的工艺方法。例如化学漂白、活性白土制备、合成沸石，各类粘土或非粘土矿物的吸附、脱色，催化剂与载体功能材料的加工等。其中有些改性产物实际上已改变了原有矿物成分，晶体结构与元素组分，变成了新的一类人造矿物。 难选金属矿，特别是有色及稀有金属提取；与非金属矿产不同，金属矿产的化学处理，主要是实现化学选矿与湿法冶金。其主要目的：是处理低品位、细嵌布、难选的贫矿，浸出有用元素，最终获得化学精矿或单独产品(金属或金属化合物)。在金属矿产的化学处理中，被浸取后溶入溶剂的是有用元素，它是以离子形式存在的，须要经过一系列化学反应手段回收处理，包括离子交换、溶剂萃取，离子沉淀及置换沉淀等工艺获得化学精矿。如再进一步采用电解等方法(可溶性阳极或不溶性阳极电解等方法)，可直接制取金属产品。 共伴生矿物资源及二次资源（矿山废弃物）综合利用；如果能在共伴生矿物资源及二次资源（矿山废弃物）及非金属矿物提纯或活化(酸、碱等浸出)中获得金属、金属氧化物及其盐的副产品，这将是今后非金属矿产及其尾矿综合利用的发展方向。 化学处理的原则： 用酸浸出原料中的金属盐和碱(土)金属物质； 用碱浸出非金属氧化物。强化化学处理过程的辅助手段：为使反应进行得完全，一般均要在加热条件下进行，也可采用高压酸浸方法处理。 酸法浸出常用的浸出试剂及其浸出目的及适用范围？浸出试剂：硫酸、盐酸、硝酸、过氧化物、次氯酸盐、过醋酸、臭氧等；浸出目的及适用范围：含酸性脉石矿物提纯；氧化漂白硅酸盐矿物及其他惰性矿物； 碱法浸出常用的浸出试剂及其浸出目的及适用范围？浸出试剂：氢氧化钠、氨水；浸出目的及适用范围：提纯浸出硅酸盐等碱(土)金属矿物；改性，含碱性脉石的矿石。 盐浸出常用的浸出试剂及其浸出目的及适用范围？浸出试剂：碳酸钠、氢氧化钠、草酸钠、氢氧化锂、氯化锂等低价金属盐类；浸出目的及适用范围：膨润土、累托石、沸石、凹凸棒石等离子交换改性；干燥过程中，水分排除的方式有（2分）：内扩散（1分）和外扩散（1分）。矿物热分解和重烧温度一般是多少（2分）？90050（1分）和1000100（1分）干燥过程的特点： (答题要点)传热和传质并存，且相互影响又相互制约。 D902m 表示的意义什么？ (答题要点)是粉体中90%物料的粒度小于/等于2m含量。高岭土矿物煅烧的实质是什么？ (答题要点) 使矿物的SiO2与Al2O3摩尔比，向Al2O3增高方向转变。目前国内矿物界判别膨润土属型的依据是什么？写出判别式，并讨论之。用(ENa+EK+)/（EMg+EGa+），若系数大于1,则为钠基土，若小于1,则为钙基土。矿物化学表面改性药剂的主要种类： (答题要点)硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝钛偶联剂、表面活性剂等湿法加热改性的目的1. 促使矿物界面双电层的活化，改变矿物的表面性能；2. 促进药剂与矿粒表面的作用；一般的化学反应，反应温度每提高10，反应速度可增加1倍或更高。3. 使矿物选择性吸附药剂。 热分析技术的意义（2 分）：矿物分析测试，分析矿物性质；（1 分）； 指导工程实践，为干燥、煅烧、烧成等工艺过程提供理论指导。（1 分）；通常硅酸盐材料中除了陶瓷，还有包括哪些（2 分）： 玻璃、水泥和耐火材料（答对2个者即得2分）。在固液润湿过程中，体系中固液气三相发生变化，如果液相()和固相()按图所示的方式结合，则称此过程为沾湿。这一过程进行后的总结果是：消失一个固气()和一个液气()界面，产生一个固液界面()若设固液接触面为单位面积，在恒温恒压下，试写出此过程引起体系自由能变化的表达式是：（1分），的意义？（1分）G0，则过程不能进行。（1分）为达到干燥目的的必要条件是（2 分）？水分易于从表面蒸发（1分）；水分易于从材料内部扩散（1分）。干燥过程的四阶段为何？加热阶段等速干燥阶段降速干燥阶段平衡阶段。干燥过程的支配因素是：材料内部存在的温度差梯度和水分浓度差梯度。蒙脱石遇水膨胀，晶层底面间距(C0)加大。自然界产出的较稳定形式的蒙脱石，单位化学式有：2H20时，C012.4；4H20 时，Co15.4；当吸水达到较高水化阶段成为胶体时，Co18.421.4。如何测试分析：XRD. 简述构成材料科学中的四要素（可图示说明）及对矿物加工工程学科的借鉴意义（10分）。答：材料科学中的四要素如图所示（4分），对于矿物加工工程学科的发展具有重要的借鉴意义 ；构成材料科学四面体的四个组元矿物加工工程技术研究中，首先要研究矿物的组成、结构和化学成分；然后分析液所具有的性能，进而分析其使用性能。对于矿物组成、使用性能增强和改善，则是矿物加工工程技术的应用所在；即结合“合成与制备”，应用选矿、提纯、超细粉碎和分级、化学改性等手段，制备满足市场需求的功能性矿物材料（6分）。4分2分6分 试论矿物粉体化学改性的基本原理与程序（亦可绘简图说明）（10分）。可按以下步骤给分： 参考答案（见图）4分4分10分23=6分 试论相对与金属、燃料矿产，工业矿物与岩石（非金属矿）的特点：（答题要点五点）首先：绝大部分【不排除利用元素，如钾盐】是利用其宏观【应为微观】结构的技术物理特性【工艺或应用矿物学性质，包括物理的、化学的性质】或利用加工以后形成的新的技术物理特性，大多数不改变所利用的矿物（或岩石）的微观结构组分。这是与其他矿产最根本的区别。其次：一矿多用（所利用矿物的主要性质相同，但用法不同，加工工艺多半不同），多矿一用（不同矿物可互相代用）。其三：与金属矿产有限种类不同，工业矿物与岩石的种类不但很多，而且常有变化。随着科技进步而发展，是个动态概念。有新发现和废弃不用。“所以从事工业矿物与岩石的资源与勘查工作与金属及燃料矿床的资源勘查不同，除一般的地质技术外，必须经常注意科学技术对矿物、岩石材料的需求动向和研究，发掘矿物、岩石的新用途”其四：工业矿物与岩石和市场的关系更为密切；其价格变化亦很大；产地到应用地的距离极为重要，即“与产地的地理位置关系特别密切”；因而“矿产经济学对工业矿物与岩石更为重要”；也是目前非金属矿企业急于上马而骑虎难下的重要原因之一。其五：“工业矿物与岩石的成矿地质条件较为复杂。”对于地勘人员应极为注意。对矿物加工工程技术人员，更用有清醒的认识。 根据“矿物应用的现实性依赖于矿物本身多样性质所提供的可能性”这一论点，结合实例，试论述如何实现可能性向现实性的转变？（答题要点）。这种可能性向现实性的转化，即把矿物的独特的性质在材料的性能中发挥出来，从而发挥出更加优异的性能需要一系列中间技术环节基础理论的、技术的、工艺的极为重要的环节，来解决矿物性质与材料性能之间的联系、转化和传递，【针对应用目的的或目的用途的需求，】并在工艺上、用法和用量上切实可行【实现】。因此，并不是所有的矿物都能成为矿物材料，而是指一类从天然矿物和岩石（包括部分人造矿物岩石）的物理、化学性质及物理化学效应出发，经过适当的加工处理或深加工处理，使之成为能被工农业生产和日常生活各个领域直接使用的材料或制品材料的原材料。应用矿物学就是研究发现这类材料的一门矿物学和材料学交叉的边缘学科，是古老矿物学的新分支。矿物性质分析研究针对应用加工改善实现矿物性质与材料性能的联系新的材料例如：利用膨润土（蒙脱石）矿物的层间结构性等等，可以开发蒙脱石/纳米复合材料等各种深加工技术和产品。利用高岭土的片状结构，可剥片生产造纸级涂料。 从有机膨润土的制备，分析蒙脱石/纳米复合材料制备的工艺路线，试绘出实验流程图。（答题要点）参考答案1：（答题要点）从 膨润土（主要矿物成分：蒙脱石）结构特性（二八面体、2：1层间结构）； 物理化学性质（分散到水中为2m）（固有性能）； 工艺性能（具有离子交换性能）出发（产品性能）； 到 天然钠基土（钙基膨润土需提纯、人工钠化加工）改性为有机膨润土 加入聚合物单体各类化学反应（原位聚合、接枝反应等），最终形成用聚合物作为分散剂的纳米复合材料。离子的水解程度与介质的pH值密切相关，其有哪些规律？。多数强烈水合的多价金属离子，如Th4+、Fe3+、Cr3+等在广泛的甚至很低的pH范围内水解。一部分两价金属离子，如Cu2+、Pb2+、Ni2+、Co2+、Zn2+等在中性pH范围内水解。碱土金属离子，如Ca2+、Mg2+等则仅在碱性溶液中水解。金属离子从水合进而水解的反应是极为复杂的，而且需要一定时间水解才达到平衡。阴离子与水分子也可能发生较强的作用。阴离子把水分子中的质子拉向自身，使OH键断裂或减弱，作用本质属于氢键键合性质。 举例说明化学处理改性及湿法冶金的主要工艺过程及其影响因素。参考答案1：（20分，5个主要步骤，每步骤4分）：（答题要点）矿物处理（破碎、磨矿） 球团矿 焙烧 浸出 离子交换 过滤 烘干举例说明矿物加工科学技术研究中最基本的研究工作或曰矿物加工工程技术的学科研究基础是什么？常用的手段有哪些？ 矿物组成、结构及其性质的分析研究；岩矿分析鉴定、XRD、DTA、SEM、化学全分析等。 如非金属矿矿物的矿物组成、化学成分等 金属矿物中有用矿物与脉石矿物的赋存状态，共伴生方式等；六、综合技能测试题（共2道题，计10分）试论矿物加工工程在贯彻国家“十一五计划”，建设资源节约型社会、发展循环经济中的意义（5分）。从选矿提高入选品位，提高产品质量角度谈；从矿物加工工程所含技术领域的23方面技术谈；试论矿物加工工程在当代高新技术产业中的作用（5分）。从航空航天、生物工程、纳米科技、高技术陶瓷、新型建材等方面谈。橡胶等高分子制品中，需要加入各种助剂，试分析对矿物粉体化学改性药剂的要求（4分）。矿物粉体化学改性药剂要求，一是满足橡胶等高分子基体材料的要求，即改性药剂有机官能团（基团）与橡胶等高分子有较好的相溶性（1分），同时满足功能性要求（1分）；二是改性药剂无机端与矿物粉体具有很好的相似相容性，即具有较好的结合（2分）。在名山古刹中，有一清泉流如湖泊（或水池），水面稳定。在水面上轻轻地、水平放置新鲜铝质硬币（简称硬币），硬币不立即下沉可停留的水面一段时间，试说明其原因。若是浑浊的水和旧硬币呢？（6分）此过程为新鲜硬币与清水的润湿过程（2分），因为此润湿过程中，将要生成的固液界面，需要克服原来的固气界面和液气界面的表面张力（表面能）（1分），所以过程需要持续一定时间（1分）；因为旧硬币表面粘有杂质或浊水中含有各种离子，因而将加速润湿过程，所以，旧硬币与浊水的润湿的过程要快于新币和清水的润湿（2分） 举例说明功能性矿物材料（5种以上）及其功能（5分）。序号材料类型非金属矿物原料非金属矿物材料或制品品种应用领域1填料和颜料方解石、大理石、白垩、滑石、叶蜡石、伊利石、石墨、高岭土、地开石、云母、硅灰石、透辉石、硅藻土、膨润土、皂石、海泡石、凹凸棒土、金红石、长石、锆英砂、重晶石、石膏、石英、石棉、水镁石、沸石、透闪石、蛋白土等 细粉(101000Pm)，超细粉(01101m)，超微细粉或一维、二维纳米粉(000101Pm)，表面改性粉体，高纯度粉体，复合粉体，高长径比针状粉体，大径厚比片状粉体，多孔隙粉体等 塑料、橡胶、胶黏剂、化纤、涂料、陶瓷、玻璃、耐火材料、阻燃材料、胶凝材料、造纸、建材