选矿工程

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Crushing, a form of comminution, one of the unit operations of mineral processing

选矿工程的研究内容是将低品位的矿物进行加工、提纯,主要目的是提高矿物的品位,去除矿物的杂质,例如去除煤炭中的灰分、硫、磷等杂质。选矿工程的对象主要有金属矿石、煤炭等,选矿的手段主要是物理方法和化学方法。

Screening ore through a sieve, Fixed Nitrogen Research Laboratory, 1930
Sizer 2000 for screening coarse to small particles

物理分選[编辑]

A set of Cornish stamps

重力分選[编辑]

利用不同礦物比重差異的物理性質,將礦物富集的方法,即為重力選礦法或比重選礦法。

水流選礦法

  • 絕對法--僅利用不同礦物自身比重的差異,使輕於重液的礦物上浮,重於重液的礦物反之,以達到分離。如此僅用重液浮力的選礦法稱之。
  • 相對法"(多種力量法)"

不僅以礦物的比重差異為主要分離依據,且就其礦粒大小與形狀之不同,在流體中之所受摩擦阻力所產生之影響為輔助因素,使其分離富集。此法運用多種力量。 此類選礦方法都在水流中進行,所以又稱為水流選礦法。依水流方向可分為:

  1. 垂直流選礦法--係利用昇或降流水流選礦
  2. 平流選礦法--利用與平行於分離面的水流選礦,如洗桌選礦法。

雖然在理論上分離之礦石粒度不受限制,但粒度過小,在重液中之沉降速度變小,或受重液黏滯影響,實際上無法達到目的。因此此種選礦法除受到礦物之比重差與重液之比重外,處理之礦石粒度與重液之黏性也是重要的因素。 一般重力方式處理之粒度下限為2-3mm,常用之上限為30-50mm,大者可達100mm以上,而離心式重液選礦則可處理下限0.5mm,上限為 20mm左右之礦粒。

礦石之比重大都大於水,因此選用重液密度都大於水,所以稱為重液選礦法[Heavy Medium Separation]。其產品為浮起或下 沉,故又稱為浮沉選礦法[Sink and Float Process]。 所使用之重液有兩種:

  • 真重液:為真正溶液,可為是各種可溶性大的鹽類所溶成的溶液,例如氯化鋅溶液,也可以是高比重之有機溶液,例 如四氯化碳、四溴乙烷等。此類重液可保持長時間的物理穩定性,價格較貴,有腐蝕性與毒性,因此很少 在大量生產操作中使用,僅用於實驗室之研究工作中。
  • 擬重液為一種懸浮液,由水與懸浮於其中之微細固粒為介質所構成,由於細微固粒懸浮之穩定性不易保持,須有適當之裝置使其保持,其作用殆與真重液無異。價格較便宜,且可回收再使用,無毒性與腐蝕性,實際應用於工業操作 上。

擬重液與均質真重液不同點在於,其比重和粘性可以隨加重質的性質和含量不同而變化。擬重液的比重、粘度和穩定性三方面性質是互有關聯的。其中比重是決定分離的關鍵因素,但是對實際的分離和穩 定性有影響的卻是擬重液的粘性。


磁力分選[编辑]

在眾多的礦物中,有些礦物具有被磁鐵吸引的性質(即是具有磁性),其被吸引之強度是受到礦物本身的性質、磁鐵的強度以及兩者相距之距離所支配。用礦物磁性之有無而分選礦物之方法稱為磁力選礦法。 磁選主要用來分選或精選磁鐵礦、磁硫鐵礦以及鈦鐵礦等強磁性礦物也可用強磁磁選機分選含鎳礦物、氧化錳礦等。工業礦物中所含少量 鐵礦物或含鐵礦物之去除也是磁選的主要應用之一。 另外由於強磁磁選機之不斷開發,將來有可能利用反磁性物之性質進行磁選分離。

礦物之磁性強度可由殘留磁與帶磁率來決定。礦物磁性愈強愈容易被磁極所吸引。同一磁性之礦物其粒度越大感應所生成之磁距 也越大(), 且越容易被吸引,但其粒度卻與重量有關。因此粒度也不能大過作用於它的磁力。在實際的操作上,以 1-5mm 左右之礦粒大小為最適宜。

原理[编辑]

  • 磁極強度是以磁束密度來表示,磁極愈強愈容易將礦粒吸引。磁選機所使用的磁極有永久磁鐵與電磁極兩種。
  • 礦粒被磁極吸引的作用力是依庫侖定律。若所使用的為兩平極,兩極間各處磁力強度均勻, 在兩磁極間之礦粒不易移動,因此要使礦粒吸引至磁極,必須考慮磁極之強度要產生差異,將其中一極之形狀改成尖狀極(V- Shaped Pole), 則靠尖狀處之磁 力較強,成為一極集中磁場。另外也可在一極上夾入無磁性之材料,相間疊作成層狀極也能集中磁力,此型多用於轉輪磁極。

物質的感磁係數導磁係數均可用實驗測定,或測定其一,並求出另一數值。此性質,對磁力選礦至關重要。

靜電選礦機主要有:

  1. 板式:帶電荷之礦物在分別帶正電荷及負電荷兩極板之間落下,由於同性電荷者相拒,異性電荷相吸,使帶不同電荷之礦物分開。
  2. 筒式:給礦接觸帶電轉筒[Electrified Roll]後,電導性礦物即由轉筒傳得相同的電荷,整個礦粒所帶的電荷與轉筒者相同,因此被排斥,乃落至導體礦物槽中。非電導性礦物則只與筒接觸的部份才帶與筒相同的電荷,其他部份由於誘導作,皆帶與筒相異的電荷,因 此非電導性礦物礦粒整體而言。不但無相拒作用,且有相吸之力,乃落入非導體礦物槽中。有在轉筒的前方另置一固定筒,並使帶與轉筒 相異的電荷,以吸引電導性礦物,增大其行程者,此為雙筒靜電選礦機。亦有在轉筒前置電極使轉筒生誘導電者。
  • 高壓電力選礦機:在帶電筒前方置放電電極,其電壓一般用16000~30000伏特。礦物接受放電而帶電荷,被帶異電荷之轉筒所吸引。電導性礦物接觸轉筒後電荷中和,隨又帶與轉筒之同性電,因此被排斥落下。

非電導性礦物則只有當接觸到轉筒,其電荷才被中和,並帶與轉筒相同電荷。大部份未接觸到轉筒的部份仍帶異性電荷,故被吸引,跟著轉筒旋轉,直至轉筒後方被刷子刷下。


浮選[编辑]

浮選,最重要的分選方法,其在西元 1906 年被申請專利。浮選主要根據礦物表面性質不同,以達到分選的目的。 最早被用來處理硫化 礦物,而近年來已廣為應用於氧化礦物、非金屬礦物、或廢水處理等方面。

原理[编辑]

礦物的可浮性與其"對水的親和力大小"有關。如大,則礦物容易為水所潤濕,因此難附著在氣泡上。相反的,小,亦即表面為疏水性,易與氣泡黏結而上浮。 此等因礦物表面性質而造成顆粒上浮的難易稱之為"可浮性" 。 大部分的礦物均為親水性,僅少部分的礦物如:石墨硫磺 輝鉬礦、金剛石滑石等為天然浮起性礦物。 浮選即為利用礦物表面性質與氣泡黏附之差異性而達到分 選的目的。


浮選方法建立在固體"(礦粒)"、液體"(溶液)"、氣體"(氣泡)"三相界面關係上。 首先在浮選槽中加入礦粒及水形成礦漿。礦粒的表面有效的陽離子格點在 水中遇水,水化產生水合物。這些水合物的多寡與主控的 pH 值有密切的關係。當捕集劑(見下文)加入後,捕集劑的極性基會吸附在礦粒表面水合物 上,而另一端疏水性的非極性基則朝向外側。吸附的種類有二:

  1. 物理性吸附-為正負離子以凡得瓦爾力吸引,
  2. 化學性吸附-以共價鍵形成化合物

礦粒表面如有足夠的格點並吸附有足夠的捕集劑,會使得礦粒表面形成疏水性。 礦粒因攪拌作用而游走浮選槽內,須與氣泡碰撞而產生黏結。若未產生碰撞,則浮選不可能成功。當礦粒與氣泡相接近時,會將二者之間的液體排出而 形成一個液體薄膜。此薄膜若是穩定,則礦粒無法沾附在氣泡表面。形成疏水性之礦粒有助於造成薄膜的不穩定而破損,礦粒因而沾 附在氣泡上,並成穩定三相平衡。此時氣泡帶著礦粒上浮。 在上浮的過程中,如遇過大渦流所產生的離心力、減切力而劇烈的變形震動等,仍會造成礦粒脫離。

浮選的藥劑[编辑]

浮選的藥劑依其功能可分為:

  1. 起泡劑:起泡劑通常為有機物,其功用在提高氣泡的穩定性與壽命,使氣泡升至礦漿表面時不會立即破滅。常用的起泡劑有松節油戊醇甲酚等。
  2. 捕集劑:通常亦為異極性之有機物,其分子有極性基與非極性基,極性基與礦物發生作用,非極性基則為疏水性,從而提高礦物表面疏水性。使欲上浮的礦粒易附著於氣泡上。一般常用者為化學捕集劑,如陰離子捕集劑包括脂肪酸、皂類、黃酸鹽等。陽離子捕集劑包括有胺類等。
  3. 調整劑:有促進或消除某捕集劑對某礦物的作用,其包括有活性劑、抑制劑清潔劑等。

浮選的流程[编辑]

浮選的過程可以分為以下四個步驟:

  1. 餵礦:
    1. 礦漿的餵入
    2. 氣泡的餵入
  2. 礦粒與氣泡的沾附(attachment)
    1. 礦粒與氣泡的碰撞(collision)
    2. 礦粒黏結(adhesion)至氣泡上
    3. 礦粒由氣泡上脫附(detachment)
  3. 礦漿與泡沫間的運搬作用
    1. 將負載有礦粒的氣泡運搬至氣泡層
    2. 直接夾帶礦粒進入氣泡層
    3. 部分礦粒因氣泡破裂返回礦漿中
  4. 移出浮選的產品
    1. 移出精礦
    2. 移出尾礦

化學分選[编辑]

參考[编辑]

  • 資源處理 (PDF). 台北科技大學教科書. 台北科技大學.