книги / Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых. Обогатительные процессы и аппараты

По магнитной восприимчивости и характеру зависимости магнитных свойств от напряженности внешнего магнитного поля минералы делятся на диа-, пара- и ферромагнитные.

Диамагнитные минералы (pM< 1, X > 0) имеют отрица­ тельную магнитную восприимчивость, равную 1СР— 10'6см3/г, их намагниченность М = %Н направлена противоположно внеш­ нему полю и они выталкиваются из магнитного поля. К диа­ магнитным относятся многие соли, окислы, сульфиды, само­ родные металлы и силикаты. Наиболее сильно диамагнитные свойства проявляются у самородного висмута, графита, в мень­ шей степени — у самородного серебра и золота, флюорита, кальцита, кварца и других минералов породьцПри магнитной сепарации все они попадают в немагнитную фракцию.

Минералы-парамагнетики (рм > 1 %< 0) характеризуются наличием в их составе ионов с неспаренными электронами (в основном элементы с незаконченными d- или/-уровнями), ха­ отичной ориентацией спинов и при отсутствии магнитного по­ ля не обнаруживают намагниченности. В магнитном поле всле­ дствие ориентации спинов минералы намагничиваются поло­ жительно и притягиваются в направлении магнитного поля.

Основной вклад в намагниченность парамагнетиков вно­ сит электронный парамагнетизм входящих в их состав ионов переходных и редкоземельных элементов с незаполненной внут­ ренней оболочкой, а также атомов, ионов и свободных ради­ калов, имеющих нечетное число электронов. Для металлов су­ щественным является парамагнетизм электронов проводимо­ сти. В некоторых случаях, при отсутствии в составе минера­ лов парамагнитных ионов, проявляется слабый температур­ но-независимый парамагнетизм, вызванный поляризацией элек­ тронных оболочек (например, у рутила).

К минералам-парамагнетикам относятся: ильменит, гема­ тит, хромит, вольфрамит, сидерит, пиролюзит и железосодер­ жащие силикаты. Удельная магнитная восприимчивость их не превосходит 10 '4 см3/г и они относятся к слабомагнитным ми­ нералам. Намагниченность минералов-парамагнетиков уве­ личивается с ростом напряженности магнитного поля и умень­ шается при нагреве (вследствие разупорядоченности спинов).

Значительного изменения магнитной восприимчивости не­ которых из них можно достигнуть осуществлением термохи­ мического процесса. Например, кратковременным обжигом можно существенно увеличить магнитную восприимчивость сфена, рутила и лейкоксена (по данным В.И. Ревнивцева).

Минералы-ферромагнетики (цм» 1 X » 0 содержат ио­ ны переходных металлов с неспаренными спинами, магнитные моменты которых ориентируются кристаллическим полем в пределах магнитных доменов. При отсутствии магнитного по­ ля домены имеют различную ориентацию, в присутствии его

— одинаковую (параллельную). В связи с разной подвижно­ стью магнитных доменов в разных минералах, зависящей от наличия дислокаций, включений и других неоднородностей, минералы обладают различной скоростью ориентации и разориентации, вплоть до сохранения остаточной намагничен­ ности. Последняя выражается через коэрцитивную силу, пред­ ставляющую собой энергию, необходимую для размагни­ чивания.

Минералы-ферромагнетики характеризуются высоким по­ ложительным значением магнитной восприимчивости (более КГ4 см3/г) и являются сильномагнитными минералами. К ним относятся, например, самородное железо, ферроплатина, желе­ зосодержащее золото. Их магнитная восприимчивость, как и у парамагнетиков, сильно зависит от напряженности магнит­ ного поля и температуры. При нагревании магнитные домены разориентируются и при определенной температуре (точка Кю­ ри) их магнитные моменты полностью компенсируются, на­ магниченность исчезает и ферромагнетик превращается в па­ рамагнетик.

Обменное взаимодействие между электронами у ферромаг­ нетиков вызывает взаимную ориентацию их элементарных магнитных моментов. В зависимости от знака обменного ин­ теграла соседние магнитные моменты ориентируются парал­ лельно у ферромагнетиков и антипараллельно — у антифер­ ромагнетиков. Минералы-антиферромагнетики, обладаю­ щие неполной взаимной компенсацией магнитных моментов

тации большое влияние оказывают свойства, зависящие от уров­ ня электрохимического потенциала, ширины запрещенной зо­ ны, концентрации и характера примесей. На результаты элек­ трической сепарации — различие минералов по их электропро­ водности, диэлектрической проницаемости, трибоадгезионно­ му эффекту (электризации трением), значению контактного по­ тенциала и пироэлектрическому эффекту. Пьезоэлектрический эффект и униполярная (детекторная) проводимость кристаллов в процессах обогащения пока не используются.

Мерой электропроводности служит удельное электриче­ ское сопротивление р или удельная электропроводность 1/р. По величине электропроводности и типу электронного стро­ ения все минералы подразделяются на проводники (р = 10"6-г -г 102Омм), полупроводники (р = 1СР + 1010 Ом м) и непро­ водники или диэлектрики (р = 1010 -н 1017 Ом м).

К минералам-проводникам относятся главным образом са­ мородные металлы с металлическим типом химической связи. Валентная зона у них занята электронами наполовину и час­ тично перекрывается зоной проводимости.

Минералы-полупроводники, к которым относятся боль­ шинство сульфидов, некоторые окислы и ископаемые угли, отличаются сравнительно узкой зоной запрещенных состоя­ ний (обычно менее 3 эВ) и частичным заполнением электро­ нами зоны, лежащей ниже зоны проводимости. Если в час­ тично заполненной зоне число электронов невелико, то они относятся к и-типу с электронной проводимостью, а если пре­ обладают, то к р-тту с дырочной проводимостью. Электро­ проводность полупроводников существенно зависит от содер­ жания в них примесей и структурных дефектов. Так, на элек­ трическое сопротивление угля заметно влияют его химиче­ ский, минеральный состав и влажность. Чем больше в мине­ ральных примесях растворимых в воде солей и выше влаж­ ность, тем значительнее снижается электрическое сопротив­ ление угля. Электропроводность полупроводников резко уве­ личивается также с ростом температуры, в связи с увеличени­ ем подвижности дырок и возрастанием концентрации свобод­ ных электронов. При этом собственная проводимость мине­ ралов-полупроводников связана с переходом при нагревании части электронов из валентной зоны в зону проводимости с

образованием равного числа свободных электронов и дырок. Примесная проводимость обусловлена ионизацией изоморф­ ных примесей с избыточными зарядами, которые возникают также в нестехиометричных минералах. При высоких темпе­ ратурах возможна также ионная проводимость, протекающая по вакансионному механизму.

У минералов-диэлектриков валентная зона целиком заня­ та электронами. От зоны проводимости она отделена широкой зоной запрещенных состояний с энергией в несколько электронвольт. К диэлектрикам относятся минералы с типично ион­ ной или ковалентной связью: галоидные соединения, силика­ ты, некоторые соли кислородных кислот. Среди них есть ми­ нералы со сверхвысоким электрическим сопротивлением (муско­ вит, галит, флюорит).

Под действием электрического поля у минералов-диэлек­ триков наблюдается смещение положительных и отрицатель­ ных зарядов в противоположные стороны, т. е. их поляризация. При этом различают электронную (асимметричное смещение электронов относительно ядер), ионную (смещение ионов раз­ личного знака) и ориентационную (ориентация диполей) поля­ ризации.

Мерой поляризации служит диэлектрическая проницаемость ем которая у минералов-диэлектриков изменяется от 2 до 80. Большинство силикатов (кварц, полевые шпаты, слюда, роговая обманка) имеет ем = 4-Т-5. У солей кислородных кислот (кальци­ та, апатита, доломита и др.) ем = б-т-8. Очень высокой диэлек­ трической проницаемостью обладают рутил (ем = 150), кассите­ рит (ем = 24), церуссит (бм* 25) и некоторые другие минералы.

С поляризацией связано появление на поверхности мине­ ралов-диэлектриков электростатических зарядов (того или ино­ го знака), которые могут возникать также в результате тер­ мических, механических воздействий или ионизации молекул воздуха в поле коронного разряда. При контакте с противо­ положно заряженной поверхностью они будут прилипать к ней, в отличие от проводников, которые приобретут заряд поверхности и будут от нее отталкиваться.

Различия между минералами-диэлектриками и проводя­ щими (обычно рудными) минералами (рис. 2.5) используются

при обогащении руд электрическими методами обогащения: по электропроводности на сепараторах электростатических (в электростатическом поле при заряжании частиц контактным или индукционным способом), коронных электрических (в по­ ле коронного разряда при заряжании частиц ионизацией) или коронных электростатических (в поле коронного разряда и электростатическом поле при заряжании частиц ионизацией и другими способами); трибоэлектрической сепарацией (в элек­ трическом поле постоянной полярности при заряжании час­ тиц за счет трибоэлектрического эффекта); пироэлектрической сепарацией (в электростатическом поле при заряжании частиц в результате их термической обработки); диэлектрической се­ парацией (в неоднородном электростатическом поле незаря­ женные частицы разделяются в жидкой среде под действием пондеромоторных сил).

Результаты разделения частиц с помощью электрических методов в значительной мере зависят от состояния и чистоты их поверхности. Поэтому при подготовке материалов к элек­ трической сепарации они подвергаются сушке, обеспыливанию, классификации по крупности и иногда обработке реагентами с целью растворения загрязняющих примесей на поверхности или избирательного изменения ее электропроводности.

2.2.6. Фпзпко-хпмпческпе свойства поверхности минералов

Основной характеристикой физико-химических свойств по­ верхности минералов является значение их удельной свобод­ ной поверхностной энергии на границе раздела с жидкостью (ат—ж) или газом (ат-_г).

Появление свободной поверхностной энергии обусловле­ но неодинаковым притяжением молекул поверхностного слоя со стороны самого минерала (Т) и соприкасающейся с ним жидкой (Ж) или газообразной (Г) фазы. Значение удельной свободной поверхностной энергии зависит при этом от разни­ цы в значениях интенсивности сил, действующих со стороны

каждой из них, т. е. от разницы в значениях полярности со­ прикасающихся фаз. Мерой полярности фазы может служить, например, ее диэлектрическая проницаемость. Например, воз­ дух и жидкие органические вещества имеют низкую диэлек­ трическую проницаемость и являются неполярными или аполярными фазами. Вода, наоборот, обладает высокой диэлек­ трической проницаемостью (80) и является одной из наиболее полярных фаз.

Чем больше разница в значениях полярности соприкаса­ ющихся фаз, тем меньше компенсируется взаимодействие ме­ жду молекулами и ионами граничащих фаз и тем больше удельная поверхностная энергия на границе их раздела. По этой причине значение поверхностной энергии на границе раз­ дела двух полярных фаз, а также на границе раздела двух не­ полярных фаз будет малое, а на границе раздела полярной и неполярной — большое.

Энергия взаимодействия минеральных поверхностей с во­ дой и воздухом и значения поверхностной энергии на границе их раздела определяются характером связей, разрушаемых при дроблении и измельчении.

Если при разрушении кристалла рвутся сильные полярные связи (такие, как ионная, ковалентная, металлическая и другие формы атомных связей), то энергия взаимодействия поверх­ ности с полярными молекулами воды будет велика (значение Стт_ж — мало), а с неполярными молекулами, например, возду­ ха — мала (значение а т_г — велико). В этом случае молекулы воды притягиваются к поверхности твердого тела, хорошо сма­ чивают ее и поверхность становится гидрофильной. Если же при разрушении кристалла происходит разрыв слабых связей (мо­ лекулярных, водородных), то образующаяся неполярная поверх­ ность слабее притягивает дипольные молекулы воды и силь­ нее взаимодействует с воздухом, т. е. поверхность становится

гидрофобной.

Характер обнажающихся на поверхности связей при дро­ блении и измельчении минералов определяется строением их кристаллических решеток. Например, в графите атомы углеро­ да расположены слоями, построенными в виде гексагональной сетки. В плоскости этих слоев между атомами углерода суще­

ствуют ковалентные связи, а связь между слоями (на плоско­ стях спайности) осуществляется слабыми межмолекулярными силами. Этим объясняются гидрофобность графита по плос­ костям спайности, где связь между находящимися в соседних слоях атомами углерода молекулярная, и гидрофильность его на торцах чешуек, где разрываются сильные атомные связи.

Разные минералы обязательно отличаются друг от друга или составом, или строением кристаллической решетки и, следовательно, имеют разные значения удельной поверхност­ ной энергии на границах раздела минерал — газ и минерал — жидкость. Это приводит к тому, что минимум свободной энер­ гии флотационной системы в соответствии со вторым зако­ ном термодинамики достигается для разных минералов при контакте их с разными фазами. Так, для минералов с поляр­ ной поверхностью энергетически выгодна поверхность раздела твердое — полярная жидкость (вода), а для минералов с аполярной поверхностью твердое — аполярное вещество (масло, газ), т. е. разные минералы обладают различной способностью закрепляться на рассматриваемых межфазовых поверхностях. Это создает условия для их разделения, что используется при обогащении полезных ископаемых флотационными методами обогащения.

При флотационном разделении минералов на поверхно­ сти раздела жидкость (вода) — газ используются следующие разновидности флотационных процессов: пленочная, пенная, ва­ куумная, компрессионная, адгезионная, химическая, электричес­ кая и ионная флотация, флотогравитация и пенная сепарация,

различающиеся способом создания поверхности раздела жид­ кость — газ и условиями осуществления процесса.

Флотационное разделение минералов на поверхности раз­ дела жидкость (вода) — аполярная жидкость осуществляется в процессах масляной и грануляционной флотации, при обогаще­ нии на жировых поверхностях и в процессе флотации при ав­ токлавной плавке серных концентратов. Флотационные про­ цессы на поверхностях раздела твердое — жидкость и твердое

— газ носят названия флотации твердой стенкой и флотации