矿物材料精细加工课堂习题

课堂习题矿物材料精细加工工程学第四章课堂习题沸石具有哪些特殊的性能?沸石规整孔道结构的形成分为哪几级？沸石改型的基础是什么？什么是膨润土的改型？层状结构化合物能发生夹层作用的原因是什么？从夹层反应的机理来看，夹层过程可分为哪几类？请简要说明。2参考答案1.（1）沸石的特殊性：①孔道规则且孔径大小正好在多数分子的尺寸(5-12Å)范围之内；复杂的孔道结构允许沸石和分子筛对化学反应的产物、反应物或中间物的吸附有形状选择性，避免副反应；②补偿电荷阳离子的可交换性(沸石对某一类特定阳离子的交换能力可能大到足以作为这类阳离子的良好捕收剂使用)；③非常高的表面积和吸附容量；④较好的化学稳定性，富铝沸石在碱性环境中有较高的稳定性，而富硅沸石在酸性介质中有较高的稳定性；⑤容易再生；⑥良好的热稳定性和水热稳定性，多数沸石的热稳定性可超过500℃；⑦吸附性质可调控，可从亲水性到疏水性34（2）沸石规整孔道结构的形成分为4级：第一级：TO4四面体构成多元环

第二级：β笼

第三级：α笼/八面沸石笼第四级：晶粒（3）沸石的离子交换作用是沸石能够进行改型的主要基础。2.膨润土的改型，就是利用蒙脱石的阳离子交换特性，改变蒙脱石的层间可交换阳离子的类型或增大蒙脱石的阳离子交换容量，从而改变膨润土的某些理化性能，使之适应多种需求。3.原因：层状结构化合物的层内为强烈共价键，维持层的稳定性；层间则是弱相互作用（电中性层时：VanderWaals力；电正/负性时：弱的静电力）。在一定条件下，活泼性的外来物质（i.e.客体）能克服层间作用力，可逆地插入层间间隙，并且又未破坏原有的层状结构。参考答案参考答案从夹层反应的机理来看，夹层过程可分为：（1）氧化–还原夹层反应过程：存在电子在主、客体之间的转移（电子得失）。（2）配位夹层反应过程:客体与主体层之间形成配位共价键。（3）“离子交换”夹层反应过程。5第六章课堂测验1.水热生长过程的主要特点有哪些？水热法使晶体生长的过程是怎样的？完成温差水热结晶的必要条件是什么？2.从非晶态的铝硅酸钠凝胶转变到亚稳的沸石，涉及的两种晶化机理是什么？请分别列举典型实例。3.转晶剂包括哪几类？

简述转晶剂的作用机理。4.在强碱及弱碱条件下，分别合成什么形状的α-FeOOH？请写出弱碱条件下合成α-FeOOH的反应方程式。65.什么是沉淀反应？应用沉淀法制备沉淀物时应注意什么？6.使用一步法制备白炭黑的工艺流程是怎样的？7.简述蛇纹石的酸处理过程。8.作为碳化添加剂的EDTA和AlCl3对生成链状碳酸钙微晶起什么作用？7参考答案1.（1）水热生长过程的主要特点：①过程是在压力与气氛可以控制的封闭系统中进行，②反应釜内填充矿化剂溶液作为介质；③生长温度比熔融态、熔盐法生长等低得多；④生长区基本上处在恒温和等浓度状态，且温度梯度很小；⑤属于稀薄相生长，溶液粘度很低。（2）水热法生长晶体的过程：缓慢升温到预定温度的过程中，液相体积及液相上方的气相压力增大。在预设温度及温度梯度下，高温区的营养料溶解，形成的饱和溶液被输送到低温区（籽晶），从而在籽晶区保持溶质过饱和状态，使籽晶生长。冷却使在籽晶上析出部分溶质后的溶液又流回下部高温区，变得不饱和，再溶解营养料。如此循环往复，使籽晶得以不断长大；8（3）完成温差水热结晶的必要条件为：①在高温高压的某种矿化剂水溶液中，能促使晶体原料具有一定值(例如1.5％～5％)的溶解度，并形成稳定的所需的单一晶相；②有足够大的溶解度温度系数，以使得在适当的温差下就能形成足够的过饱和度而又不产生过分的自发成核；③具备适于晶体生长所需的一定切型和规格的籽晶，并使原料的总表面积与籽晶总表面积之比值达到足够大；④溶液密度的温度系数要足够大，使得溶液在适当的温差条件下具有引起晶体生长的溶液对流和溶质传输作用；⑤备有耐高温高压抗腐蚀的容器。92.对晶化机理的两个极端认识:•溶液传输机理(液相机理)：在溶液中成核和晶化，即凝胶溶解，形成胶团进入溶液，经过成核-生长，生成沸石。典型的液相机理实例：从清液中生成中硅沸石及高硅沸石(如Y、P、ZSM-5)，没有发生固相传输过程。•固相传输机理(固相机理)：无定形凝胶经结构重排(重结晶)转化为沸石，晶化时无明显的固相溶解，溶液内的Na+、K+向固相内迁移，晶化在凝胶固相内部出现。典型的固相机理实例：550℃脱水的无定形硅铝酸盐凝胶通过与三乙胺和乙二胺反应，在160℃生成ZSM-5和ZSM-35，硅酸盐物种不溶于这些有机胺。103.转晶剂有以下三类：•水溶性蛋白质；•琥珀酸、马来酸、柠檬酸以及C2以上的羧酸及其盐；棕榈酸、亚油酸等C15以上的脂肪酸的碱金属盐；•硫酸铝、硫酸铬等无机盐。转晶剂的作用机理：提高石膏溶液的过饱和度，抑制半水石膏晶体在某些生长方向上的生长速度，而使晶体在另一些特定方向上优先取向生长。124.在强碱介质中合成的α-FeOOH(针铁矿)为针状微晶；在弱碱介质中可能合成出均匀纺锤形的α-FeOOH微晶。合成纺锤形的α-FeOOH微晶涉及的化学方程式为：5.沉淀反应是向可溶性阳离子的盐溶液或氢氧化物溶液中，加入沉淀剂，如OH-、CO32-、C2O42-及CO2（酸性气体氧化物），形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物、碳酸盐、草酸盐沉淀。煅烧分解沉淀产物能获纯氧化物粉体。应用沉淀反应制备粉体产物时应该注意：（1）沉淀法制备的沉淀物应该经过仔细的分散及洗涤，去除由夹带溶液带入的离子，提高产物的纯度。（2）粒间水使组成沉淀的微粒集合体在干燥过程中易于发生收缩、团聚，不易控制，导致煅烧产物硬团聚化。应采用有机溶剂置换、超临界干燥、冷冻干燥及高压水热处理等特殊手段，以抑制干燥过程中的硬团聚趋势。136.一步法(硫酸沉淀法)制备白炭黑的工艺流程先期酸化水玻璃，生成硅酸溶胶晶种；然后将水玻璃及硫酸溶液平行地加入晶种液内，沉淀生成的硅酸胶粒自聚合，形成葡萄状的二次胶粒；95～97℃下熟化；过滤、洗涤、烘干得产物。7.蛇纹石的酸处理过程：将原矿粉碎至200目，经湿式强磁选除去磁性杂质矿物后，以盐酸浸出。为使蛇纹石的镁质被完全沥取，使用超过理论用量25％的盐酸(浓度为6mol/L)，在100℃与蛇纹石反应12h，可使产物的SiO2含量达到99.5％。反应结束后，将物料过滤、洗涤，获得硅质滤饼，滤饼经烘干、粉碎，为水合二氧化硅产物148.EDTA：稳定晶核和微晶，使晶核寿命延长，单位时间内随机成核数量大增，在碳化反应速率不变的情况下生成颗粒较小的晶体。AlCl3：少量AlCl3的水解产物Al(OH)3被碳酸钙微晶表面吸附，在搅拌作用下这类微晶相互碰撞，在Al(OH)3粘连下形成链状结构。15课堂习题1.溶液法是制备陶瓷粉体的一种重要方法，请简要叙述什么是溶液法，溶液法分为哪些具体的类型。2.采用冷冻干燥法制备陶瓷粉体时，与常规干燥相比，两者的区别是什么？3.非金属矿物材料的精细加工制备包括哪些？天然矿物材料精细加工的目的是什么？4.在细磨和超细磨过程中，因机械作用导致的机械化学反应指什么？主要表面在哪三方面？5.超细粉体分级的必要性是什么？166.简述矿物原料的纯化手段。7.烧碱熔融法制备高碳石墨的原理是什么？8选择性絮凝的原理是什么？选择性絮凝过程分为哪5个阶段？9.还原漂白的机理是什么？请总结获得良好漂白效果的措施？10.高温物理化学作用包括哪些过程？11.请总结焰熔法的优缺点。12.什么是固相反应？13.什么是矿物材料改性？参考答案1.溶液法制备粉体时，先制备金属盐的水或有机溶液，加入合适的添加剂，使它们与金属盐以离子或分子状态混合均匀，经由蒸发、结晶、升华、水解等过程，将金属离子均匀沉淀出来，再经脱水或热分解制成粉体。溶液法主要用于制备氧化物粉体，包括具有高化学均匀性的复杂组成材料，其化学均匀性远超过用常规固态混合后烧结获得的类似材料。溶液法可分为：溶剂蒸发法、沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法。2.常规烘干的缺点：常规烘干湿凝胶时发生液-气相变，过程中由于水的表面张力及表面能的作用引起“液桥”效应，粒间毛细管内存在具有高表面张力的气-液界面，凝胶粒子间容易聚并，凝胶发生很大的体积收缩，形成硬团聚体；18冷冻干燥的优点：脱除溶剂时发生的是低温低压下的固-气相变，水冷冻成冰时体积增大1/11，使原先相互靠近的凝胶粒子被胀开；固态水的界面张力远小于液态水，粒间的毛细管内不存在具有高表面张力的气-液界面，从而大减脱水过程中微粒间的聚并，削弱脱除溶剂过程中微粒结合形成硬团聚体的趋势。3.非金属矿物材料的精细加工制备包括：超细粉粹与分级、矿物原料的纯化、高温物理化学处理、结构改性处理、表面改性处理、矿物材料的化学制备、新型陶瓷粉体的制备。目的：（1）矿物材料的纯化为，达到改善矿物材料的技术物理性能的目的。产物保留原矿物的单一矿物特性、构造、化学成分；2）赋予产物新的技术物理性能：原料矿物的结构、矿物组成、表面化学性质发生不同程度的改变。4.机械化学变化：因机械载荷作用导致的固体物料晶体结构和表面物理化学性质的变化(包括晶格畸变、晶格缺陷、颗粒无定形化、多晶转变、表面自由能增大等)。在细磨和超细磨过程中，因机械作用导致的机械化学反应主要表现为三个方面：（1）矿物晶体结构的变化：由于超细过程中强烈的机械化学作用，引起矿物的晶体结构，尤其是颗粒表面结构发生变化，例如位错、缺陷、重结晶，甚至使表面转为非晶态层。（2）

矿物物理化学性质的变化：经过细磨和超细磨后，由于矿物颗粒的内能和表面能的增加以及机械激活作用的影响，使矿物的吸附能力、溶解性和表面电性等均有不同程度的改变。（3）在局部承受较大应力或反复应力作用的区域产生化学反应：在超细粉碎过程中，矿物颗粒因反复承受应力并受到机械激活作用，有时会在颗粒变细的同时发生化学反应，例如由一种固态物质转变为另一种固态物质，或者因矿物分解释放出气体产物，因晶体结构发生变化或外来离子进入晶体结构而改变矿物的化学组成。5.分级的必要性:（1）矿物材料的超细粉体在精密陶瓷、涂料、生物工程、电子及尖端技术领域均有广泛应用。现代科技的发展迫切需要超细而且粒度分布范围窄小的粉体，有时甚至要求达到单一粒径。但是机械粉碎得到的粉体粒度分布较宽，往往在0.1μm到数十μm之间，因此需要对其进行分级，以满足对超细粉体的高标准要求。（2）精密分级设备与超细粉碎设备配套使用，及时将符合粒级要求的产品分出，可以防止产品的过度粉碎(或称过磨)，提高粉碎效率，降低能耗。6.矿物原料的纯化手段包括物理作用、化学作用及物理化学作用。（1）物理纯化：在经由物理分离纯化矿物原料时，原料的组成矿物之间的空间分布特征发生改变，但各矿物的化学成分、晶体结构均未被触及，所实现的仅仅是杂质组分与目的矿物在空间位置上的相互分离。传统的矿物机械加工，包括矿物原料的粉粹、分级以及目的矿物的分选富集（如浮选、电选、磁选、重选等），均属于物理纯化作用。（2）化学纯化：在化学应用中，采用多种化学手段以改变杂质矿物及其他组分的化学组成或存在形态，使之从目的矿物中分离出去。在化学纯化处理中，需要使用酸、碱、盐或其他溶剂、熔剂的溶解、熔融作用，或者利用活泼气体的氧化、还原作用，来达到纯化目的。（3）在煅烧、升华等高温过程中发生的纯化作用属于物理化学作用。高温物理化学处理能改变物料的化学组成、相组成、显微结构及宏观结构，从而赋予处理产物以新的物理化学性质，达到纯化矿物材料、改善原有材料的使用性能或者制备新材料的目的。7.烧碱熔融法制备高碳石墨的原理：石墨颗粒表面及鳞片内夹杂的细粒浸染状石英及部分铝硅酸盐矿物在高温下与氢氧化钠反应，生成可溶性盐，能在随后的水浸中除去。水浸产物再用盐酸处理，溶除金属氧化物及碳酸盐。经历上述碱熔-水浸-酸溶处理后，可将含云母量较少的、品位大于82％的浮选石墨精矿提纯到品位达98％～99％以上。8.选择性絮凝原理：向多种矿物的混合悬浮体系中加入辅助药剂，以调整某些种类矿物的表面性质，改变它们对絮凝剂的吸附性能，从而在加入絮凝剂时能拉开絮凝剂在不同种类矿粒表面的吸附量的差异，使特定矿物种类的颗粒形成絮块沉降下来，而其它种类的矿物颗粒继续稳定分散于悬浮液中，达到从复杂组成的悬浮体系中选择性地絮凝某些种类矿粒的纯化目的。选择性絮凝过程可分为5个阶段：(1)微细矿物混合体的制浆分散；(2)加入辅助药剂调节矿粒的表面性质；(3)加入高分子絮凝剂(最常采用的是阴离子型)，发生选择性吸附，形成以某些矿物为主的絮团；(4)絮团调整，个体增大；(5)絮团与悬浮液的分离。9.还原漂白机理：利用还原剂使赋存于待漂白矿物表面的难溶性的三价铁矿物（氧化铁、氢氧化铁微粒及薄膜）被还原成易溶性的Fe2+，然后经洗涤除去，从而达到漂白的目的。连二亚硫酸钠（Na2S2O4）作为还原剂的氧化-还原反应为：获得良好漂白效果的措施：（1）恰当的反应pH值。如果过低，则连二亚硫酸钠的稳定性下降，能自行分解，析出微粒硫，反而降低漂白效果。（2）分批向强烈搅拌下的矿浆内加入连二亚硫酸钠干粉。（