基因矿物加工工程研究

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。
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—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。
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（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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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%。
图2 不同成因黄铁 矿可浮性变化
M C Fuerstenau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。
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。
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。
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