无机05级《矿物材料》期末考试试卷

中南大学考试试卷20--20学年下学期时间120分钟矿物材料加工学课程48学时3学分考试形式：开卷专业年级：总分100分，占总评成绩60％注：此页不作答题纸，请将答案写在答题纸上一、简答题（本题25分，每小题5分）1、说明湿法化学浸出的定义并说明其在矿物材料加工中的作用。答：浸出是溶剂选择性溶解矿物原料中某组分的工艺过程。化学浸出依靠化学试剂与矿石中各组份选择性地发生化合作用，使需浸出的元素或成份进入溶液，而脉石等不需浸出的成份留在浸渣中，然后过滤、洗涤使溶液与滤渣分开，达到提纯分离目的。浸出技术根据溶剂可分为水浸、酸浸（盐酸、硫酸、硝酸等）和碱浸（氢氧化钠、碳酸钠、硫化钠、氨等）；根据压力可分为常压（大气压力）和高压（几个、几十个气压）浸出；根据浸出方式分为渗滤浸出（就地浸、堆浸和池浸）和搅拌浸出。浸出技术因其①低成本、低能耗、低药剂消耗量、低劳动力需求②工艺流程短、设备简单、易于建筑、资金消耗小③无废气，一定程度上可认为无废物、废水排放，可改善环境，增加生产安全性④简化整个工艺过程等特点，在矿产资源综合回收和环境治理中越来越受到重视。浸出技术降低矿石开采品位，变“废”为宝，能使资源得到有效经济利用。随着采选冶技术的进步，矿床工业品位不断降低，如采用浸出+萃取+电积法，铜矿的开采品位可降至0.1%~0.4%最低达0.05%。浸出技术具有反应速度快，流程短，操作环境好，能耗低，加工成本低，建设投资小等优点，符合矿物加工业可持续发展，走新型工业化道路的要求。浸出加压工艺应用于处理有色金属硫化矿石及难处理贵金属矿等方面在国际上已经发展成为相当成熟的技术。2、试解释煅烧定义。答：煅烧是指在低于熔点的适当温度下，加热物料，使其分解，并除去所含结晶水，氧化碳或三氧化硫等挥发性物质的过程。3、阐述表面改性方法分类。答：表面改性分为：包覆处理改性、沉淀反应改性、表面化学包覆、机械化学改性、胶囊化处理、接枝改性、酸碱处理、化学气相沉淀、物理沉淀等。①包覆处理改性是利用有机高聚物或树脂等对粉体表面进行“包覆”以达到改善粉体表面性能的方法。②沉淀反应改性是利用化学反应并将生物沉积在颗粒表面形成一层或多层“改性层”的方法。③机械化学改性是利用超细粉碎及其他强烈机械力作用有目的地对物料表面进行激活，在一定程度上改变粒子表面的晶体结构、溶解性能（表面无定型化），化学吸附和反应活性（增加表面的改性点或活性基团）等。④胶囊化处理是在颗粒表面覆盖均质而且有一定厚度薄膜的一种表面化学改性方法。⑤表面化学包覆是利用表面化学方法，如有机物分子中的官能团在物料粒子（填料或颜料）表面的吸附或化学反应对颗粒表面进行局部包覆，使颗粒表面有机化而达到表面改性的方法。⑥接枝改性是在一定的外部激发条件下，将单体烯烃或聚合烯烃引入填料表面的改性过程，有时还须在引入单体烯烃后激发导致填料表面的单体烯烃聚合。⑦酸碱处理也是一种表面辅助处理方法，通过酸碱处理可以改善粉体表面（或界面）的吸附和反应活性。4、解释阳离子交换容量定义。答：100g干的被测物质所吸附离子的毫克当量数。5、解释什么是碳纤维答：碳纤维（CF）是由碳元素构成的一类纤维，由有机纤维经高温碳化而成。目前工业上广泛采用聚丙烯腈（PAN）纤维、粘胶纤维或沥青纤维，在隔绝空气和水分的情况下加热至1000℃二、综合问答题（本题60分，每小题12分）1、给出钙基膨润土有机化改性工艺流程并说明其原理。答：钙基膨润土有机化改性工艺流程如图：膨润土的钠化膨润土的钠化（常用Na2CO3和NaCl作为钠化试剂进行钠化，钠离子交换出钙离子）钠化膨润土悬浮液钠化膨润土悬浮液有机改性剂改性有机改性剂改性过滤过滤烘干烘干粉碎粉碎改性原理：湿法化学改性，有机改性药剂浸入晶片层间，浸出层间的杂质，同时产生像离子交换、水化、物理或化学吸附等一系列反应，使矿物产生大量的结构孔隙或比表面积，从而提高其吸附性和选择性吸附及离子交换能力。2、试说明硼氢化钠法漂白高岭土原理。答：漂白高岭土最常用的方法之一,是用连二亚硫酸钠或连二亚硫酸锌作漂白剂,与高岭土中的着色杂质氧化铁反应,把三价铁还原成二价铁。二价铁易溶于水,通过浓缩、过滤、洗涤除去,从而提高高岭土的白度。常用的还原剂除了连二亚硫酸钠外，还有连二亚硫酸锌，相比之下前者很不稳定．后者则稳定得多。但是用连二亚硫酸锌漂白时会使废水中锌离子浓度过高，对江河水造成污染。为此，可采用硼氢化钠还原法。这种方法实际上是在漂白过程中通过硼氢化钠与其它药剂反应生成连二亚硫酸钠，使高岭土中剩余的铁的氧化物如Fe2O3、FeOOH等被还原成可溶性二价铁而除去，从而使这一类高岭土得到漂白。具体过程为：在pH为7.0～10.0的条件下，将一定量的硼氢化钠和NaOH与矿浆混合，然后通入SO2气体。调节pH值在6～7，此pH值有利于在矿浆中产生最大量的连二亚硫酸钠。再用H2SO3或SO2调节pH值到2.5～4，此时即可发生漂白反应。生成连二亚硫酸钠的反应如下：NaBH4+9NaOH+9SO2=4Na2S2O4+NaBO2+NaHSO3+6H2O这种方法的本质仍是连二亚硫酸钠起还原漂白作用，但在pH6～7时，生成的大量连二亚硫酸钠十分稳定。在随后的pH值降低时，连二亚硫酸钠与高岭土矿浆中的氧化铁立即反应，得到及时利用，从而避免了连二亚硫酸钠的分解损失。3、阐述玻纤增强树脂的种类及其特性。P269答：根据聚合物基体的化学结构和加工性能的不同，可分为玻璃纤维增强热固性树脂和玻璃纤维增强热塑性树脂。玻璃纤维增强热固性树脂具有以下特性：比重小而比强度高良好的耐腐蚀性能良好的电性能良好的热性能此外，不同的玻璃钢还要各自的特性，如环氧玻璃钢的强度高于其他玻璃钢，尺寸稳定性也最好，收缩率只有1%-2%，耐久性好，因此是玻璃钢综合性能最好的一种。聚酯玻璃钢最突出的优点是加工性能好，可采用各种成型方法进行加工成型，能制造大型异型构件，可连续生产，其透光性好，透过率可达60%-80%，可制作采光瓦。酚醛玻璃钢是三种玻璃钢中耐热性最好的一种，可以在200℃下长期使用，还可在1000玻璃纤维增强热塑性塑料具有以下特性：密度小比强度高。蠕变性等力学性能大大改善。采用玻璃纤维增强的聚酰胺，其抗拉、抗压强度明显提高，尤其是耐热性得到了大幅度的提高，耐水性得到明显的改善，吸水率和吸湿速度明显下降。用玻璃纤维增强的聚丙烯，其机械强度大大提高，低温脆性得以显著改善，低温时的抗冲击强度也有所提高。用玻璃纤维增强的聚苯乙烯类塑料，耐冲击性和耐热性提高，其机械强度及耐高温和低温性、尺寸稳定性均大有提高。4、以碳酸钙为例说明粉体表面改性的工艺和原理。答：碳酸钙是目前高聚物基复合材料中用量最大的无机填料。由于碳酸钙填料为无机粉体，与有机高分子的相容性差，直接添加到高分子材料中难以均匀分散，还会影响材料的加工性能和力学性能，因此，一般在填充高分子材料之前要对其进行表面改性处理。碳酸钙的表面改性方法主要是化学包覆，辅之以机械力化学；使用的表面改性剂包括硬脂酸(盐)，钛酸酯偶联剂，铝酸酯偶联剂等。表面化学包覆改性工艺有干法和湿法两种。硬脂酸(盐)是碳酸钙最常用的表面改性剂，故又称为聚合物表面包覆改性。干法改性是先将聚合物单体吸附在碳酸钙表面，然后引发其聚合，从而在其表面形成聚合物包覆层，工艺流程见图1；湿法改性是将聚合物溶解在适当溶剂中，然后对碳酸钙进行表面改性，当聚合物逐渐吸附在碳酸钙颗粒表面上时排除溶剂形成包膜。这些聚合物定向吸附在碳酸钙颗粒表面，形成物理、化学吸附层，可阻止碳酸钙粒子团聚，改善分散性，使碳酸钙在应用中具有较好的分散稳定性。具体来讲就是在水溶液中对碳酸钙进行表面改性处理。一般工艺过程，如图2，是先将硬脂酸皂化，然后加入碳酸钙浆料中，经过一定时间的反应后，进行过滤和干燥。碳酸钙在液相中的分散比在气相中的分散较为容易。另外，通过加入分散剂，使其分散效果更好，因此，在液相中碳酸钙颗粒与表面改性剂分子的作用更均匀。当碳酸钙颗粒吸附了硬脂酸盐后，表面能降低，即使经压滤、干燥后形成二次粒子，其团聚结合力减弱，不会形成硬团聚，用较小的剪切力即可将其重新分散。利用超细粉碎过程的机械力化学作用也可对碳酸钙粉体进行表面改性，一般的工艺流程如图3。碳酸钙在超细粉碎过程中，由于机械力的作用，一方面粒度变细，与此同时，一部分机械能积聚在颗粒内部，引起表面结构和性质的变化，使碳酸钙表面与表面改性剂的作用活性增加。因此在超细粉碎过程中添加表面改性剂和助剂可在超细粉碎过程中同时完成碳酸钙的表面化学包覆改性。此过程中，硬脂酸盐类改性剂与碳酸钙表面的吸附机理为:碳酸钙本身不含羟基,在粉碎过程中与附着在其表面的水分作用,并发生水解,产生一层具碱性的疏油的含羟基的表面,即表面上的羟基和改性剂分子的亲无机端发生键合作用,生成改性的碳酸钙粒子（答题要点是：表面化学包覆改性和机械化学改性的原理，见教材p97）5、说明高岭土在高温改性中的结构及性能变化。答：①高岭土煅烧温度接近500℃时，晶体结构中的水分逸出。到650℃左右完成脱羟，这时水合硅铝酸盐变成主要有三氧化铝和二氧化硅组成的煅烧陶土或偏高岭土。②700℃~850℃的高岭土，其高岭土晶体形成了通向层间的孔道，从而扩大了吸附能力及其表面能力，可用于治病③925℃时，偏高岭石转化为硅尖晶石，到1100℃④经1300~1525℃煅烧的高岭土，高岭土晶体发生相变，形成莫来石，是生产耐火材料的主要方法，产品耐火度达到1770三、计算题（本题15分）某高岭土含Fe2O3，试根据下列试剂的标准电位，做出电位—pH图，并说明哪些药剂可作为脱铁药剂。A+2H++2e=2A，+2H2OE0298=0.134v；2B+2H++4e=B，+H2OE0298=0.892v；C+2H++4e=3C，E0298=0.593v；Fe3++e=Fe2+E029