淺談機械化學(xué)在礦物加工領(lǐng)域的應(yīng)用

何熊

摘 要：機械化學(xué)研究物質(zhì)在機械力作用下所發(fā)生的化學(xué)和物理化學(xué)的變化。在超細磨過程中，礦物在晶體結(jié)構(gòu)、活性等方面具有顯著變化，處于高效失穩(wěn)狀態(tài)，反應(yīng)活性增強。試驗研究表明，利用超細磨過程中的機械力誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，可以顯著強化和改善礦物的浸出過程，在礦物加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機械化學(xué)；應(yīng)用研究

機械化學(xué)亦稱為機械力化學(xué)，專門研究物體在高能機械力作用和誘發(fā)下發(fā)生的物理化學(xué)變化。其中機械力既可以是粉碎和細磨固體過程中的沖擊、剪切、摩擦、壓縮和研磨作用力，也可以是液體和氣體的沖擊波產(chǎn)生的壓力，還可以是一般的壓力和摩擦力等。機械化學(xué)涉及無機化學(xué)、有機化學(xué)、表面化學(xué)、固體化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、合成化學(xué)、機械力學(xué)、礦物加工及材料科學(xué)等多學(xué)科的交叉，是一門新興的邊緣學(xué)科，近年來已成為冶金、化工、材料、礦物加工、環(huán)保等高新技術(shù)領(lǐng)域研究的熱門課題。

一、機械化學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展

1919年，德國學(xué)者W.Ostwald從化學(xué)分類的角度首次提出了機械化學(xué)這一新概念，即由機械力誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，但當時對機械化學(xué)的基本原理尚不十分清楚。從1951年開始，奧地利學(xué)者Peters與其助手Pajoff對機械力誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)進行了大量的研究工作，并于1962年在第一屆歐洲粉體會議上發(fā)表了題為《機械力化學(xué)反應(yīng)》論文，詳細闡述了粉碎技術(shù)與機械化學(xué)的關(guān)系，介紹了當時機械化學(xué)的研究成果，明確指出機械化學(xué)反應(yīng)是由機械力誘發(fā)的化學(xué)反應(yīng)，對推動機械化學(xué)的發(fā)展起到開拓性作用。40年來，機械化學(xué)研究取得了很大進展，前蘇聯(lián)和日本等國家都相繼發(fā)表了有關(guān)機械化學(xué)的論著，如Avvakumov等的《無機化學(xué)中的機械合成方法》和Kubo等的《無機物的機械化學(xué)》。隨著研究的深入和部分研究成果的應(yīng)用，機械化學(xué)日益受到世界各國的重視。一些國家為此成立了專門的研究機構(gòu)，如俄羅斯科學(xué)院的固態(tài)化學(xué)和機械化學(xué)研究所。在日本、德國、美國、前蘇聯(lián)和捷克及斯洛伐克等國家科學(xué)家的積極倡導(dǎo)下，1991年國際機械化學(xué)會（IMA）正式成立，隸屬于國際純粹和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會（IUPAC）。它定期召開國際學(xué)術(shù)會議，加強該研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流并創(chuàng)辦了學(xué)術(shù)期刊《國際機械化學(xué)與機械力合金化》。近年來，人們借助現(xiàn)代測試手段，在機械化學(xué)的理論與應(yīng)用領(lǐng)域進行了廣泛而卓有成效的研究，促進了該學(xué)科的快速發(fā)展。

二、機械化學(xué)在礦物加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究

1.在浸出過程中的應(yīng)用

由于超細磨中的機械化學(xué)作用能加快礦物的分解速度，降低分解反應(yīng)對溫度和試劑濃度的依賴程度，因而在強化濕法冶金浸出過程方面得到了應(yīng)用。如苛性鈉分解法是用獨居石、磷釔礦生產(chǎn)稀土金屬的經(jīng)典方法，有堿用量大、能耗高、流程長的缺點。根據(jù)機械化學(xué)理論開發(fā)的機械活化堿分解工藝，可節(jié)省堿用量30%，節(jié)煤50%，提高回收率兩個百分點（達98.5%），而且工藝過程得到簡化。又如，獲中國專利的熱堿球磨分解工藝技術(shù)已成功用于鎢業(yè)生產(chǎn)。該工藝將機械化學(xué)作用、破碎作用、攪拌作用與浸出過程有機結(jié)合，為反應(yīng)創(chuàng)造了良好的動力學(xué)條件，大大強化了反應(yīng)速度，流程短，分解率高。如150℃下處理黑鎢礦或混合礦，經(jīng)1 h分解率為99.49%。

2.復(fù)雜礦物的選擇性浸出分離

超細磨使礦物晶格產(chǎn)生缺陷，是引起機械化學(xué)作用的基本原因。而超細磨過程中，不同礦物晶體受破壞程度不同，因而有可能通過調(diào)節(jié)磨礦條件和藥劑條件，實現(xiàn)復(fù)雜礦物的選擇性分離。德國專利技術(shù)MELT法是一項無污染的金屬回收工藝。它將黝銅礦精礦用Na2S溶液在攪拌磨中處理20 min，成功地浸出Sb、As和Hg，浸出率分別為98%、73%和85%，能耗為82～157 kW·h/t[20]，含銀0.21%的黝銅礦用行星磨處理45 min后用硫脲浸出，可獲48%的銀浸出率，而直接用硫脲浸出的浸出率<10%。

3.難浸金礦的預(yù)處理

金被黃鐵礦包裹，以顯微金、次顯微金或固熔體存在的金礦，是極難溶浸提金的一類難浸金礦石，提金的關(guān)鍵是分解黃鐵礦以便金裸露。黃鐵礦性質(zhì)較穩(wěn)定，通常需要焙燒、高溫加壓或細菌催化氧化等較復(fù)雜方法才能使其分解。近年來的試驗研究表明，利用超細磨中的機械化學(xué)作用，可以使黃鐵礦在常溫常壓下氧化分解。國內(nèi)有人對常規(guī)浸出率為89.6%的硫化物浮選精礦用攪拌磨細磨氰化，浸出率可提高到98.8%。還有人用塔式磨浸機處理高硫難浸金礦石，浸出率由原來的75%提高到86%～89%。

三、機械化學(xué)的研究展望

1.重視機械化學(xué)基礎(chǔ)理論、特別是可控機械化學(xué)制備理論及機械化學(xué)與機械活化共同規(guī)律的研究.

2.加強用機械化學(xué)方法制備具有特殊性能的功能材料、亞穩(wěn)態(tài)和非晶態(tài)粉末材料等的研究.

3.加強機械化學(xué)對粉體改性、礦產(chǎn)資源綜合利用和深加工等的研究.

4.結(jié)合現(xiàn)有的熱導(dǎo)量熱技術(shù)和計算機技術(shù)，研制新的機械化學(xué)量熱計，用于實時測定機械化學(xué)過程中的能量變化，并深入開展對機械化學(xué)反應(yīng)器能量輸入模式、材料在機械活化過程中的能量儲存和演化規(guī)律及機械化學(xué)的熱動力學(xué)等方面的研究.

四、結(jié)語

機械化學(xué)這個古老而又引人人勝的學(xué)科，在它的歷史發(fā)展長河中，比起其它學(xué)科要緩慢得多。其主要原因是物質(zhì)在機械作用下所涉及到的物理與化學(xué)現(xiàn)象十分復(fù)雜，很難用一種理論得到圓滿的解釋。雖然有人建立了數(shù)學(xué)模型和新的理論，但仍然沒有突破。在實驗的定量描述方面一也有一定困難。這就需要我們繼續(xù)深入地研究，以完善和豐富機械化學(xué)這門邊緣學(xué)科的理論和內(nèi)容，為化學(xué)這塊百花園地增添新秀。

參考文獻：

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[2] 熊仁根，游效曾，董浚修.機械化學(xué)及其應(yīng)用[J].化學(xué)通報，1995，（4）：7-11.