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1、化工工艺学化工工艺学3.3无机化学矿物加工利用无机化学矿物加工利用3.3.1概述概述无机化工多以天然矿物资源为原料生产无机无机化工多以天然矿物资源为原料生产无机酸、碱、盐及化学肥料和其他精细无机化学品。酸、碱、盐及化学肥料和其他精细无机化学品。大多数无机化工产品都涉及到矿物的化学加大多数无机化工产品都涉及到矿物的化学加工，如无机盐、硫酸、磷肥及钾肥等。此外，大工，如无机盐、硫酸、磷肥及钾肥等。此外，大多数金属在自然界状态下多以硫化物、氧化物、多数金属在自然界状态下多以硫化物、氧化物、碳酸盐和硅酸盐等形态存在，从这些矿物中回收碳酸盐和硅酸盐等形态存在，从这些矿物中回收和生产纯金属及它们的盐类化合
2、物也涉及到化学和生产纯金属及它们的盐类化合物也涉及到化学矿物的加工问题。矿物的加工问题。无机化学矿物的种类繁多，主要的矿物品种有：无机化学矿物的种类繁多，主要的矿物品种有：（1）镁矿）镁矿菱镁矿、白云石、水镁石等，主要用于生产镁盐、氧化镁及耐火菱镁矿、白云石、水镁石等，主要用于生产镁盐、氧化镁及耐火材料等。材料等。（2）石灰石矿）石灰石矿石灰石，主要用来生产碳酸盐、钙盐及石灰。石灰石，主要用来生产碳酸盐、钙盐及石灰。（3）硼矿）硼矿纤维硼镁矿、硼镁铁矿，可用来加工生产硼砂、硼酸、硼及铁等。纤维硼镁矿、硼镁铁矿，可用来加工生产硼砂、硼酸、硼及铁等。（4）硫矿）硫矿硫磺矿、硫铁矿，用于生产硫酸和硫
3、磺。硫磺矿、硫铁矿，用于生产硫酸和硫磺。（5）钾矿）钾矿钾石盐、光卤石、明矾石等，用于生产钾盐、硫酸钾、硫酸铝及钾石盐、光卤石、明矾石等，用于生产钾盐、硫酸钾、硫酸铝及氧化铝等。氧化铝等。3.3.1概述概述（6）磷矿）磷矿氟磷灰石、氯磷灰石等，用于制备磷酸、磷肥和磷酸盐。氟磷灰石、氯磷灰石等，用于制备磷酸、磷肥和磷酸盐。（7）铝矿）铝矿铝土矿、水硬铝石、水软铝石、三水铝石、膨润土、高岭铝土矿、水硬铝石、水软铝石、三水铝石、膨润土、高岭土等，用于生产铝化合物、分子筛及催化剂载体。土等，用于生产铝化合物、分子筛及催化剂载体。（8）盐矿）盐矿岩盐、海盐、湖盐等，用于制造纯碱、烧碱、硫化碱、泡岩盐、海
4、盐、湖盐等，用于制造纯碱、烧碱、硫化碱、泡花碱、盐酸、氯乙烯及建筑材料等花碱、盐酸、氯乙烯及建筑材料等除少数除少数品位品位较高的矿物开采出来后不需经初步加工即可利较高的矿物开采出来后不需经初步加工即可利用外，大多数化学矿物需经过一系列的物理或化学过程处理后用外，大多数化学矿物需经过一系列的物理或化学过程处理后才能转化为人们所需要的化工产品。才能转化为人们所需要的化工产品。3.3.1概述概述3.3.3化学矿物加工的方法和原理化学矿物加工的方法和原理一、矿石的精选一、矿石的精选矿石的精选矿石的精选是利用矿石中各组分的物理及化学性质上是利用矿石中各组分的物理及化学性质上的差别使有用成分富集的一种方法
5、。的差别使有用成分富集的一种方法。精选方法主要有手选、重力选、磁选及浮选等。精选方法主要有手选、重力选、磁选及浮选等。1、手选、手选是一种人工选矿方法，即根据矿石的颜色、色泽等外是一种人工选矿方法，即根据矿石的颜色、色泽等外表特征进行选择，以提高矿石的品位。表特征进行选择，以提高矿石的品位。优点：优点：简便易行；简便易行；缺点：缺点：需大量劳动力，仅适用于小规模生产。需大量劳动力，仅适用于小规模生产。2、重力选、重力选是利用矿石中各组分是利用矿石中各组分比重的差异比重的差异进行选别的一种精进行选别的一种精选方法。选方法。介质：介质：水、有机溶剂、气流或方铅矿等配制的悬乳液。水、有机溶剂、气流或
6、方铅矿等配制的悬乳液。3、磁选、磁选是利用矿石的是利用矿石的磁化系数的差异磁化系数的差异进行选矿的一种方法。进行选矿的一种方法。根据化学矿物的相对磁性，可将矿物分为：根据化学矿物的相对磁性，可将矿物分为：强磁性：磁铁矿、磁黄铁矿、钛磁铁矿等。强磁性：磁铁矿、磁黄铁矿、钛磁铁矿等。弱磁性：赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、钛铁矿、软锰矿、弱磁性：赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、钛铁矿、软锰矿、水锰矿。水锰矿。非磁性：镁矿、石灰石矿、硼矿等。非磁性：镁矿、石灰石矿、硼矿等。一、矿石的精选一、矿石的精选4、浮选、浮选泡沫浮选的简称泡沫浮选的简称，即利用矿石中各组分被溶剂（水，即利用矿石中各组分被溶剂（水或其他溶剂）润
7、湿程度的差异而进行的选矿方法。或其他溶剂）润湿程度的差异而进行的选矿方法。根据作用机制不同，浮选剂可分为如下几类：根据作用机制不同，浮选剂可分为如下几类：（1）捕获剂）捕获剂使某些矿物表面生成一层憎水薄膜，使矿物易于与使某些矿物表面生成一层憎水薄膜，使矿物易于与气泡结合并随气泡上升。气泡结合并随气泡上升。捕获剂分子中含有极性和非极性基团，极性基团吸捕获剂分子中含有极性和非极性基团，极性基团吸附在矿物表面，而非极性基团则伸向水侧使矿物具有憎附在矿物表面，而非极性基团则伸向水侧使矿物具有憎水性。水性。一、矿石的精选一、矿石的精选（2）起泡剂）起泡剂起泡剂一般是起泡剂一般是表面活性物质表面活性物质，
8、含有极，含有极性和非极性基团，能定向吸附在空气和水性和非极性基团，能定向吸附在空气和水的界面上，极性基面向水侧，而非极性基的界面上，极性基面向水侧，而非极性基朝向空气。朝向空气。常用的起泡剂：松节油、桉树油、煤常用的起泡剂：松节油、桉树油、煤焦油、甲酚某些高级醇。焦油、甲酚某些高级醇。一、矿石的精选一、矿石的精选（3）抑制剂）抑制剂为增加矿石中某些非上浮组分的亲水性而使之完为增加矿石中某些非上浮组分的亲水性而使之完全沉降，提高浮选效果。全沉降，提高浮选效果。主要有水玻璃、氨水、石灰、氰化物等。主要有水玻璃、氨水、石灰、氰化物等。（4）调节剂）调节剂为了改变浮选介质的为了改变浮选介质的pH，调节
9、其他药剂的作用，调节其他药剂的作用，消除有害离子的影响和调节矿浆的分散度和絮凝度，消除有害离子的影响和调节矿浆的分散度和絮凝度，主要有石灰、碳酸钠、磷酸盐、硫化钠、硫酸等。主要有石灰、碳酸钠、磷酸盐、硫化钠、硫酸等。一、矿石的精选一、矿石的精选（5）解毒剂）解毒剂在矿物和水中往往存在一些能阻止矿物表面在矿物和水中往往存在一些能阻止矿物表面形成憎水膜使浮选不能进行的物质，这类物质统形成憎水膜使浮选不能进行的物质，这类物质统称为称为浮选毒物浮选毒物。为消除或减弱它们的负面作用，通常为消除或减弱它们的负面作用，通常添加石添加石灰、纯碱、碳酸钡、硫酸锌、硫酸铁等作为解毒灰、纯碱、碳酸钡、硫酸锌、硫酸铁
10、等作为解毒剂。剂。在选矿时，如将有用矿物成分浮入泡沫产物在选矿时，如将有用矿物成分浮入泡沫产物中，而将脉石矿物留在矿浆中，则称其为中，而将脉石矿物留在矿浆中，则称其为正浮选正浮选；反之，则称为反之，则称为反浮选反浮选。一、矿石的精选一、矿石的精选矿石的热化学处理可分为煅烧、焙烧、烧结和熔融。矿石的热化学处理可分为煅烧、焙烧、烧结和熔融。1、煅烧、煅烧煅烧煅烧是将矿石在低于熔点的温度下加热分解，除去挥是将矿石在低于熔点的温度下加热分解，除去挥发性组分的过程。发性组分的过程。煅烧过程主要发生的物理和化学变化有：煅烧过程主要发生的物理和化学变化有：(1)热分解热分解。除去化学结合水，。除去化学结合水
11、，CO2，NOx等挥发性杂质，等挥发性杂质，在较高温度下，氧化物还可能发生固相反应，形成有活性在较高温度下，氧化物还可能发生固相反应，形成有活性的化合状态；的化合状态；(2)再结晶再结晶，可得到一定的晶形、晶体大小、孔结构和，可得到一定的晶形、晶体大小、孔结构和比表面；比表面；(3)微晶适当烧结微晶适当烧结，以提高机械强度。，以提高机械强度。二、矿石的热化学加工二、矿石的热化学加工2、焙烧、焙烧矿石在低于熔点的温度下，与空气、氯气、矿石在低于熔点的温度下，与空气、氯气、氢气等气体或反应剂发生化学反应，改变化学组氢气等气体或反应剂发生化学反应，改变化学组成与物理性质的过程。成与物理性质的过程。焙
12、烧过程有焙烧过程有加添加剂和不加添加剂加添加剂和不加添加剂两种类型。两种类型。二、矿石的热化学加工二、矿石的热化学加工（1）不加添加剂的焙烧）不加添加剂的焙烧也称煅烧也称煅烧，按用途可分为：按用途可分为：分解矿石分解矿石，如石灰石化学加工制成氧化钙，同，如石灰石化学加工制成氧化钙，同时制得二氧化碳气体；时制得二氧化碳气体；活化矿石活化矿石，目的在于改变矿石结构，使其易于，目的在于改变矿石结构，使其易于分解，例如：将分解，例如：将高岭土高岭土焙烧脱水，使其结构疏松焙烧脱水，使其结构疏松多孔，易于进一步加工生产氧化铝；多孔，易于进一步加工生产氧化铝；二、矿石的热化学加工二、矿石的热化学加工脱除杂质
13、脱除杂质，如脱硫、脱除有机物和吸附水等；，如脱硫、脱除有机物和吸附水等；晶型转化晶型转化，如焙烧二氧化钛使其改变晶型，改，如焙烧二氧化钛使其改变晶型，改善其使用性质。善其使用性质。 按生产工艺可分为按生产工艺可分为烧胀法和烧结法烧胀法和烧结法两种。烧两种。烧胀法是将原料加热至熔融温度，产生气体使其膨胀法是将原料加热至熔融温度，产生气体使其膨胀。烧结法通过加热使某些原料熔化，将整个颗胀。烧结法通过加热使某些原料熔化，将整个颗粒黏结在一起。粒黏结在一起。二、矿石的热化学加工二、矿石的热化学加工（2）加添加剂的焙烧）加添加剂的焙烧 添加剂可以是气体或固体添加剂可以是气体或固体，固体添加剂兼有助熔剂的
14、，固体添加剂兼有助熔剂的作用，使物料熔点降低，以加快反应速度。按添加剂的不作用，使物料熔点降低，以加快反应速度。按添加剂的不同有多种类型：同有多种类型：氧化焙烧氧化焙烧粉碎后的固体原料在氧气中焙烧，使其中的有用成分粉碎后的固体原料在氧气中焙烧，使其中的有用成分转变成氧化物，同时除去易挥发的砷、锑、硒、碲等杂质。转变成氧化物，同时除去易挥发的砷、锑、硒、碲等杂质。在硫酸工业中，硫铁矿焙烧制备二氧化硫是典型的氧化焙在硫酸工业中，硫铁矿焙烧制备二氧化硫是典型的氧化焙烧。冶金工业中氧化焙烧应用广泛，例如：硫化铜矿、硫烧。冶金工业中氧化焙烧应用广泛，例如：硫化铜矿、硫化锌矿经氧化焙烧得氧化铜、氧化锌，同
15、时得到二氧化硫。化锌矿经氧化焙烧得氧化铜、氧化锌，同时得到二氧化硫。二、矿石的热化学加工二、矿石的热化学加工还原焙烧还原焙烧在矿石或盐类中添加还原剂进行高温处理，在矿石或盐类中添加还原剂进行高温处理，常用的还原剂是碳常用的还原剂是碳。在制取高纯度产品时，可用。在制取高纯度产品时，可用氢气、一氧化碳或甲烷氢气、一氧化碳或甲烷作为焙烧还原剂。作为焙烧还原剂。例如：贫氧化镍矿在加热下用水煤气还原，例如：贫氧化镍矿在加热下用水煤气还原，可使其中的三氧化二铁大部分还原为四氧化三铁可使其中的三氧化二铁大部分还原为四氧化三铁,少量还原为氧化亚铁和金属铁少量还原为氧化亚铁和金属铁;镍、钴的氧化物则镍、钴的氧化
16、物则还原为金属镍和钴。因为该过程中的三氧化二铁还原为金属镍和钴。因为该过程中的三氧化二铁具有弱磁性，四氧化三铁具有强磁性，利用这种具有弱磁性，四氧化三铁具有强磁性，利用这种差别可以进行磁选，故此过程又称磁化焙烧。差别可以进行磁选，故此过程又称磁化焙烧。二、矿石的热化学加工二、矿石的热化学加工氯化焙烧氯化焙烧在矿物或盐类中添加氯化剂进行高温处理在矿物或盐类中添加氯化剂进行高温处理,使物使物料中某些组分转变为气态或凝聚态的氧化物料中某些组分转变为气态或凝聚态的氧化物,从而同从而同其他组分分离。其他组分分离。氯化剂可用氯气或氯化物（如氯化钠、氯化钙等）氯化剂可用氯气或氯化物（如氯化钠、氯化钙等）。例如：金红石在流化床中加氯气进行氯化焙烧，例如：金红石在流化床中加氯气进行氯化焙烧，生成四氯化钛，经进一步加工可得二氧化钛。又如在生成四氯化钛，经进一步加工可得二氧化钛。又如在铝土矿化学加工中，加炭（高质煤）粉成型后氯化焙铝土矿化学加工中，加炭（高质煤）粉成型后氯化焙烧可制得三氯化铝。若在加氯化剂的同时加入炭粒，烧可制得三氯化铝。若在加氯化剂的同时加入炭粒，使矿物中难选的有价值金属矿物经氯化焙烧后，
