工业矿物与岩石（中国地质大学）1一、试分析石英、高岭石和钾长石在陶瓷制备工艺中的作用 （20 分）石英、高岭石和长石是制备陶瓷的主要原料，其作用也不尽相同石英是陶瓷坯料中的瘠性原料，其主要作用有：（1）在烧成前， 瘠性原料对泥料的可塑性起调节作用，能降低坯体的干燥收缩，缩短干燥时间，并防止坯体变形 （2）在烧成时，石英的加热膨胀可部 分的抵消坯体收缩的影响当熔体相大量出现时 ，石英能部分溶解于液相中，增加熔体的粘度，而未溶解的石英颗粒，则构成坯体骨架， 起到防止坯体软化变形的作用 （3）石英对胎体的机械强度有很大的影响，合理的石英颗粒不仅能大大提高瓷器胎体的强度，而且能使 胎体的透光度和白度得到改善 （4）在釉料里，SiO2是形成玻璃相的主要组分，增加釉料中的石英含量能提高釉的熔融温度和粘度，减 小釉的热膨胀系数石英还能赋予釉较高的机械强度、硬度、耐磨性和耐化学侵蚀性高岭石是陶瓷工业重要的可塑性原料，其主要作用有：（1）具有层状结构的高岭石矿物，研磨后将分离成细小板片状颗粒，与水混 合时，这些矿物表面将形成均匀的水膜水膜产生的表面张力迫使粘土颗粒聚集在一起，从而表现出良好的结合性、可塑性和流变性， 粘结一定细度的瘠性物料、形成可塑泥团并具有一定干燥强度，是陶瓷坯体能够成型的基础。
（2）高岭石化学成分以 SiO2、Al2O3为主， 在煅烧过程中发生如下变化：高岭石 550℃ 变高岭石 1000℃ 尖晶石+ SiO21100℃ 假莫来石 1400℃ 莫来石+方石英莫来石具有较高熔融温度和较小的密度，在陶瓷坯体中呈交生的针状形态，可防止烧成过程 中坯体变形，并保证坯体烧成后具有高的强度和较小的密度 （3）高岭石从开始烧结到熔化，大约有 350-450℃的温度间隔，这一特点大 大放宽了陶瓷的烧成温度范围，有利于烧成过程的温度控制 （4）含杂质较少的高岭石，煅烧后呈白色，可以保证陶瓷的白度高岭石 中的铁和钛的氧化物能使陶瓷制品染色或产生色斑，同时降低耐火度、白度和电绝缘性应根据不同陶瓷制品的要求控制其有害组分的 含量长石在陶瓷坯料烧成前起支撑作用，并减少干燥过程中的变形，缩短干燥时间长石在烧成中主要是作为熔剂使用的，其主要作用 有：（1）长石在高温下熔融，形成粘稠的熔体相，是坯料中碱金属氧化物的主要来源，能降低坯体的熔化温度，有利于成瓷和降低烧成 温度 （2）长石熔体能溶解部分高岭土分解产物和石英颗粒液相中的 SiO2和 Al2O3相互作用，促进莫来石晶体的成核和生长，赋予坯 体以机械强度和化学稳定性。
（3）长石熔体填充与晶粒之间，有助于坯体致密和减少空隙长石熔体冷却后构成陶瓷的玻璃基质，可改 善透明度，并有助于提高坯体的机械强度和电气性能 （4）在釉料中长石是主要的熔剂二、按用途对工业矿物和岩石进行分类 （20 分）工业矿物与岩石是指除矿物燃料以外其技术物理性能或化学成分可资工业利用而具有经济价值的天然矿物与岩石，或由其作为主要 原料而人工制备的具有相似的化学成分、物相组成和显微结构的无机非金属固体物质工业矿物与岩石种类繁多，按工业用途分类，大致可分为以下几大类： (1)、利用其化学成分用作化工原料可用作化工原料的工业矿物有石盐、芒硝、天然碱、明矾石、自然硫、黄铁矿、方解石等 (2)、利用矿物特殊的光学特性用作光学工业原料，此种工业矿物包括光学石膏、光学萤石、光学石英、冰洲石等 (3)、可用作电气和电子工业材料的工业矿物有石墨、电气石和白云母等 (4)、可用作农药农肥原料的工业岩石有磷块岩等，工业矿物有磷灰石、钾石盐、芒硝和石膏等 (5)、利用矿物的硬度等特性用作研磨和宝石原料的工业矿物有金刚石、刚玉、石榴子石、蓝晶石等 (6)、用作工业填料、过滤剂、吸附剂和载体材料的工业矿物有滑石、蓝石棉、沸石等，可应用于此类用途的工业岩石有高岭土、膨 润土、硅藻土、漂白土、海泡石粘土等。
(7)、可用作染料的工业岩石有白垩和红土等 (8)、可作绝热、隔音绝缘和轻质材料的工业矿物有石墨、石棉和蛭石等，有此类用途的工业岩石有珍珠岩、硅藻土、浮石、火山灰、 石膏岩等 (9)、用作铸石材料的工业岩石有辉绿岩、玄武岩、粗面岩和安山岩等 (10)、用作建筑石料、集料、轻骨料、砖瓦材料的工业岩石有大理石、花岗岩、砂、卵石、膨胀页岩、粘土、砖瓦页岩和粘土等 (11)、用作水泥和粘合原料的工业岩石有石灰岩、粘土、页岩、砂岩、凝灰岩、火山灰、沸石岩和石膏岩等 (12)、用作玻璃原料的工业矿物有长石和硬硼钙石等，可作为玻璃原料的工业岩石有石英砂、石英岩、霞石正长岩等 (13)、用作陶瓷原料的工业矿物有叶腊石、长石、硅灰石和透辉石等，工业岩石有高岭土、绢英岩、细晶岩和霞石正长岩等 (14)、用作耐火材料和铸造材料的工业矿物有石墨、菱镁矿、叶蜡石、红柱石、蓝晶石、蓝线石和夕线石等，工业岩石有白云岩、 石英岩、铝土矿、粘土和砂等 (15)、用作熔剂和冶金原料的工业矿物有萤石、长石和硼砂等，工业岩石有石灰岩和白云岩等 (16)、用作钻探工业材料的工业矿物主要有重晶石，工业岩石有膨润土、凹凸棒粘土和海泡石粘土等。
三、试分析沸石晶体结构—性能—应用的关系 （20 分）沸石是重要的架状硅酸盐矿物，它的基本结构单元是[SiO4]和[AlO4]四面体，硅（铝）氧四面体在平面上通过共用顶角氧（桥氧）相 互连接，形成各种封闭的环，如由四个硅（铝）氧四面体形成的“环”——四元环；众多硅（铝）氧四面体再通过桥氧连接形成立体 “笼” ，如立方体笼、六角柱笼等；笼在三维空间以不同的方式连接形成“孔道体系” ，有一维、二维和三维孔道体系沸石晶格中硅氧 四面体内的 Si4+被 Al3+置换而出现的过剩负电荷，由占据架间空穴的阳离子平衡沸石孔道体系发达相互连通，孔道中有沸石水填充而不 破坏其基本结构由于沸石的晶体结构特征赋予其特殊的性能： （1）离子交换性沸石晶格中硅氧四面体内的 Si4+被 Al3+置换而出现过剩负电荷，由碱金属或碱土金属离子补偿而出现于孔道中的这些阳离子与晶格结 合力和弱，为可交换性阳离子当可交换阳离子数超过 Al3+时，SO42-、Cl-、OH-等阴离子就可能存在于沸石晶格中，以补偿过剩的正电荷，工业矿物与岩石（中国地质大学）2这些阴离子也具有相当大的活性，也具有交换性能沸石的离子交换性主要与沸石结构中的 Al/Si 比、空穴形状及大小、可交换性阳离 子的位置及性质有关。
2）吸附性能与分子筛效应 沸石对 H2O、NH3、H2S 等极性分子具有很强的吸附力，沸石的孔道结构使之具有很大的内表面积，脱水后则具有更大的内表面积 巨大的内表面积是沸石具有高效吸附性能的基础沸石中的孔道和孔穴大于晶体总体积的 50%，且大小均匀，有固定尺寸、规则的形状， 直径小于沸石孔穴的分子可以进入孔穴，而大于孔穴的分子则被拒之孔外，因而沸石具有分子筛效应3）催化性能 沸石中的 Si 被 Al 置换，使格架中的部分氧呈现负电荷，为中和[AlO4]四面体所出现的负电荷而进入沸石中的阳离子，使沸石产生 局部高电场和格架中酸性位置，格架中的 Si、Al、O 和格架外的金属离子一起构成催化活性中心，这些金属离子处于高度分散状态，因 此沸石的活性和抗中毒性能都优于一般金属催化剂，且耐高温、耐酸是优良的催化剂及其载体利用以上所述沸石的独特性能，沸石被广泛应用于生产生活的各个方面：利用沸石的离子交换性能，从海水中提取钾，沸石还可应 用于环保领域，从工业废水中回收金属元素，净化有色金属矿山、化工厂等排放的重金属废水等利用沸石的吸附性能和分子筛效应， 可用于吸附回收气体中的 SO2，氨厂废气中的氨，电子元件的防潮等。
利用沸石的催化性能，沸石被用作催化剂及其载体被广泛应用到 石油冶炼过程中的裂化催化、氢化裂化等催化反应当中沸石被用作土壤改良剂，提高土壤的离子交换性和吸附性沸石还被用作造纸、 塑料和橡胶工业的填料、建材原料等其它方面四、简述膨润土（蒙脱石）的工艺技术特性及应用 （20 分）膨润土具有良好的阳离子交换性、分散性和悬浮性、可塑性与粘结性、膨胀性等工艺技术特性 （1）阳离子交换性 蒙脱石是膨润土中主要的粘土矿物，含钠、钙、镁、氢和钾等可交换阳离子它们与水、有机极性分子共存于相邻的结构单元层之 间，或存在于晶体的端面蒙脱石的阳离子交换性能主要与层间阳离子的类型有关，也受矿物颗粒大、结晶程度、介质性能等因素影响 阳离子电价和水化能力越高，被代换性能越差2）分散性和悬浮性 钠质膨润土遇水膨胀，并分散形成具有一定粘滞性、触变性和润滑性的永久性乳浊液或悬浮液钙质膨润土在水中膨胀倍数较小， 虽也可以迅速分散，但一般会很快絮凝沉淀3）可塑性与粘结性 膨润土具有良好的可塑性和粘结性，其塑性指数大于高岭石粘土，但成型后发生变形所需的外力较高岭石粘土低膨润土的可塑性 和粘结性与蒙脱石矿物层间可交换阳离子的种类、水层厚度及颗粒大小形态有关。
钠质膨润土的可塑性和粘结性一般好于钙质膨润土4）膨胀性 蒙脱石吸水或吸附有机质后，晶层间距增大，从而引起体积膨胀膨润土的膨胀性也与种属有关：钠质膨润土吸水速度慢，但延续 时间长，其总吸水量和膨胀倍数高达 20—30 倍，大于钙质膨润土（几倍至十几倍） 膨润土的工业应用非常广泛，以下对其应用进行简述：1.悬浮剂：膨润土与水混合形成的悬浮液，可用于阻燃物、煤的悬浮分离等， 其中膨润土钻井泥浆特别是钠型膨润土泥浆性能优越2.粘结剂：膨润土是冶金工业铁矿球团和铸造业型砂的良好粘结剂，由其制作的球 团大小均匀，透气性和还原性好，钠质膨润土粘结剂使用最多，效果最好3.吸附剂和净化剂：膨润土吸附性强、无毒、无味，可用于食 物油的精制、脱色、滤毒，以及净化汽油、煤油、特殊矿物油、石蜡等工业产品膨润土还可吸附铯、铷等放射性物质，可用于放射性 物质废渣的处理经处理后的膨润土可用于含油废水、含菌废水的净化，吸附悬浮物4.添加剂：在造纸原料中添加膨润土可使纸浆脱色 增白、洁白柔软；在肥皂和洗衣粉中添加膨润土可有效吸附污物和细菌；膨润土用作涂料填料可改善涂料多项性能并降低成本5.稠化剂： 由有机阳离子取代蒙脱石中的可交换阳离子后，得到一种有机蒙脱石复合物——膨润土稠化剂，它是制造橡胶、塑料、油漆等产品的重 要原料。
6.工业用粮代品：膨润土与淀粉很多性质相似，可代替粮食用于生产浆糊，用于浆纱、印染等方面7.其它：膨润土撒入沙土地 中，可吸收储存水分，有利于土壤保墒，减缓释放肥效和药效，提高效益；用作陶瓷坯体和釉原料提高白度；用作禽畜粪便除臭；用作 铅笔芯粘合剂等五、试综述一种工业矿物或工业固体废物的应用研究现状 （20 分）粉煤灰是燃烧煤粉的锅炉排放出的一种粘土类火山灰质材料，是火力发电厂的主要废弃物，并且其产量逐年增大，对其处理不当， 将严重污染环境粉煤灰的综合利用，近年来也取得了较大成就归纳起来，粉煤灰主要应用于建材、建工、化工领域、农业及环保领 域等几方面一、 粉煤灰在建材制品方面的应用 粉煤灰作为生产粉煤灰水泥、矿渣硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥的混合材，粉煤灰的掺量从 10—15%，粉煤灰水泥中的掺合量可以 高达 30—40%用粉煤灰代替粘土作为制砖的原料已有 60 多年历史，粉煤灰掺入量可达 30％~50％，粉煤灰还可以用于生产蒸压粉煤 灰砖和加气混凝土制品，免蒸养承重砖等二、 粉煤灰在建设工程中的应用 粉煤灰作为掺合料已大量应用于混凝土，特别是大体积混凝土中，掺入粉煤灰后可以改善混凝土的部分特性，诸如降低水化热、改 善和易性、提高后期强度等。
不仅可以节约水泥，降低混凝土成本，研究表明掺入粉煤灰还可以改善混凝土耐久性能工程回填：用粉工业矿物与岩石（中国地质大学）3煤灰代替土或其它材料用于建筑物的地基、桥台及采矿坑道回填、围海造田等粉煤灰、石灰石及砂等配合拌制修筑路基和路堤等道路 工程，粉煤灰可用于护坡、护提工程和修筑水库大坝等工程。