矿物加工工程的学科特色

磷肥是需求量极大又极其重要的化工产品，事关农业发展。少量优质磷资源正在快速消耗，而大量的贫资源从技术、经济上看尚不能利用，我国很快将沦为磷的进口大国。湖北、云南等省及云南磷肥厂都本来都是磷资源大省，但由于选矿技术落后，资源不能利用，面临着从外省，甚至从国外进口磷矿的困境。又如黄麦岭、贵溪等磷肥厂已遇到无稳定矿源的难题，不久将会影响产量。在化学矿选矿，特别是磷矿选矿的基础理论研究和应用开发领域，我院已取得了一系列重要的科研成果，本学科已形成了矿化结合、矿环结合的学科特色，在国内外具有较大学术影响。在本方向上的主要研究工作有：
1、磷矿物表面性质与矿物结构、地质成因关系的研究。研究磷矿物的晶体结构、表面性质与矿物可浮性和可加工性的关系，对浮选和制肥有重要的指导意义。
2、磷矿浮选药剂的研制。多年来研制了各种捕收剂、抑制剂和絮凝剂，形成了系列产品，有些得到了工业应用。如承担省科委的重点项目“磷矿反浮选抑制剂的研究”和“磷矿高效捕收剂的研究”，研制的W-98和OT-1、OT-3已成功用于海口、昆阳磷矿，达国内领先水平；研制的捕收剂W-01被列入全国著名产品，曾获轻工部科技进步三等奖；开发的WHL-1絮凝剂，99年获武钢科技进步三等奖；省重点项目“磷矿常温浮选工艺研究”研制的增效剂C.Z.S.可使放马山磷矿浮选温度由40℃降到25℃，每处理一吨原矿可产生2.4元的经济效益，达到国内领先水平。
3、镁—硅质中低品位磷块岩富集技术与工艺开发。从1986年以来，开发完善了适用于处理湖北、湖南、江西、云南等省的中低品位镁—硅质磷块岩的正—反浮选流程、药剂和配套技术。先后进行了放马山、保康、大峪口、王集、海口、洗溪等磷矿的连续扩大选矿试验。“大峪口矿正—反浮选扩大试验”和“王集磷矿正—反浮选工业试验”经鉴定达到国际先进水平。“云南中品位硅－钙质磷块岩浮选产业化研究”项目经鉴定为国内领先水平，是云南省“省校合作项目”中经费支持力度最大的项目。
4、浮选电化学研究。研究了硫化矿浮选的电化学作用机理和浮选废水的电化学处理方法。省科委重点科研项目“电化学方法强化浮磷过程研究”，经鉴定达到“国内领先水平”。
本学科方向在化工矿浮选的理论与实践的结合上、在技术创新、学术水平上居于全国领先地位。我们研究的项目，很多都是科研院、所未解决或是投产后长期解决不了的难题。如云南的海口、昆阳等大型磷矿矿石极其难选，虽经多年研究，甚至“八五”国家攻关仍未解决。本学科经数年研究，开发了从流程到药剂的全套技术，试验结果不但全面超过省科技厅要求的技术经济指标，还发挥了我们环境工程的优势，做到无废水排放，对发展云南的支柱产业做出了重要贡献，得到云南省科技厅的高度评价。在中国矿协的选矿年会上也引起了高度关注。 天然矿物的性能优化、功能化是提升资源附加值的一条重要途径。本研究方向以磷矿物和粘土矿物为主要研究对象，重点研究：（1）组成结构与材料的环保性能之间的关系；（2）复合矿物材料及成型技术（3）功能矿物材料制备过程中的数学模型。
在对磷矿物结晶化学研究的基础上，采用各种改性技术制备新型环保材料。湖北省科技厅重点项目“改性磷矿石复合吸附剂的研究”经鉴定达国内领先水平，省教育厅“改性磷矿石处理含铬废水”、意大利科学基金合作项目“磷灰石中挥发组份系列演化研究”、省教育厅重大项目“纳米磷灰石晶须有机杂化体制备及其在复合材料中的应用”等，均已基本完成准备鉴定。在粘土—磷灰石复合材料的开发研究上，通过交联、界面活化等新技术制备出膨润土、累托石等高性能粘土矿物以及与磷灰石的复合材料，可用作填料、催化材料、抗菌材料等。如湖北省基金项目“某些粘土矿物复合吸附剂对磷、酚吸附机理研究”、“累托石抗菌剂材料的制备及其抗菌机理的研究”，省科技厅重点项目“累托石处理工业废水的研究”，省教育厅优秀中青年人才项目“累脱石抗菌剂的研制”，武汉市重大项目 “纳米矿物环境材料开发及处理废水工艺研究”及“赤峰天然沸石活化工艺及固体干燥剂研制”等。研究开发矿物环境材料处理工业废水已经在荆门中试，进展良好。发表的论文有6篇被SCI、EI、ISTP等收录；获美国和中国发明专利授权各1项、发明专利申请公开1项。
在上述矿物材料制备过程中，超细、超微粉碎技术尤为关键。由于颗粒粒度小，比表面积大，粉碎能耗高，那么，研究粉碎过程中变量之间的相互关系及其数学模型对于揭示粉碎机理，提高粉碎效率，降低能耗，实现优化控制具有重要的理论意义和使用价值。完成了国家自然科学基金项目“螺旋分级机数学模型及其在磨矿回路控制中的应用”和化工部科技发展计划项目“球磨机中钢球磨损机理与磨损规律的研究”，首次提出了分级过程中的“混杂指数”和“极限混杂数”的基本概念，建立了“粒度特性判据与评价函数”模型，提出了“钢球磨损复合迭加原理”的新学术观点，开发了“助磨-缓蚀节能新技术”。研究成果分获湖北省自然科学优秀学术论文一、二等奖，并被EI、SCI收录。
本研究方向形成了自己的特色。在污水处理方面，已率先应用自己研制的矿物材料进入工业试验，在国内处于领先水平。开发的粘土矿物复合吸附剂能够处理多种高、低浓度工业废水，处理成本低于其它方法，且运行中可以回收废水中有用组分，推动了粘土矿物在环境工程上的应用，在省内独树一帜。与意大利和美国合作的磷矿物的基础和应用研究在国际上处于先进水平。改性磷矿石在重金属废水回收处理的专利属国内首创，已经开始了工业应用研究。本研究方向培养的人才，必将为功能性矿物岩石材料基础理论研究的发展和材料制备的产业转化做出应有的贡献。 本研究方向具有多学科理论与技术综合的学科特色。矿物生物技术是一种综合利用生物与化工的原理和方法来处理贫、杂矿石，提取贵金属的先进技术。矿物生物技术具有成本低、污染小、处理对象广泛（不限于特定矿种）的特点。是未来选矿发展的重要方向之一。该技术的研究与发展对开发利用我国大量闲置的贫矿、难选矿及废弃尾矿资源，控制环境污染具有十分重要的意义。
1、低品位铜矿的生物浸出技术研究。我国铜矿资源以贫矿为主，且零散分布于偏远地区；这些铜矿如用传统的选矿—冶炼工艺处理则很不经济。而我国铜的自给率长期严重不足。微生物堆浸或就地浸出工艺具有成本低、污染小、操作简单等优点。美国等大规模生产实践证明：贫矿堆浸—萃取—电积是一项利润极大的产业。开展这项技术在我国地理环境下的应用研究，对利用我国的贫矿资源，缓解我国铜自给不足的压力具有十分重要的现实意义。我院与中南大学合作进行的“863”项目德兴铜矿微生物堆浸技术的研究已取得重要成果。
2、难浸金矿的微生物处理技术研究。含砷、碳细粒浸染包裹型金矿是世界公认的难选冶金矿。传统的处理方法是氧化焙烧法、加压氧化法和化学氧化法。这些方法均存在投资大、生产成本高、有环境污染等问题。生物处理技术可避免这些缺点。我国广西、云南、贵州、四川、陕西均存在大量这类难选冶金矿。生物处理技术将为这类矿产资源的开发利用提供一条新途径。我院完成的湖北省重点项目“微生物氧化处理崇阳难浸金矿的研究”，研究了细菌作用下黄铜矿—黄铁矿—毒砂体系中金的浸出机理，矿物界面性质的变化规律和浮选分离的工艺参数，金的浸出率由46%提高到90%，经省科委鉴定达到“国内领先水平”。
3、中低品位磷资源的微生物处理技术研究。我国磷资源丰富，但资源条件较差，多以中低品位为主，不能直接制肥。若经传统选矿富集又会使成本大幅度上升，长期困扰我国磷肥工业的发展。滇、黔、鄂有大量的含磷较低的选磷尾矿。利用溶磷微生物直接将这些磷资源转化为植物可吸收的磷肥，试验表明用该法处理低品位磷矿制成的磷肥可使油菜、小麦增产明显，为这些中低品位的磷资源找到一条新的利用途径。
微生物技术在环境保护中的应用研究。生物技术在环境保护中的应用潜力非常巨大。本研究是矿物生物技术在环境保护中的延伸，着重于无机金属及重金属污染的治理。传统的处理方法是中和沉淀法，但存在药剂消耗大、金属沉淀不完全、沉淀金属难回收而且极易造成二次污染（废水）等缺陷，利用微生物或微生物制品如生物絮凝剂可吸收或溶解金属，从而达到治理污染和回收的综合效果。生物技术还可以治理各种生活污水、工业废水、固体废物、土壤有机污染物等，好氧堆肥、厌氧发酵等方法可达到综合治理、变废为宝、回收能源的目的。 在19世纪，矿物加工本不是一门独立的学科，而是采矿大学科体系中的组成部分。1900年前后，冶金才从大矿业中分离出来，发展成为独立的学科。到20世纪30年代以后，选矿才开始逐步发展成为相对独立的一门工程学科。
早期的矿物加工（选矿）是建立在选矿厂的工艺过程基础之上的。它本质上是选矿过程的反映，由三大板块构成：选矿方法（主要是浮选、重选及磁选）、辅助过程（例如粉碎和脱水干燥等）和选矿过程检测及控制。因此，具有很强的实用特征。
20世纪后半叶，随着世界经济的迅猛发展及科学技术的飞速进步，加之高品位、易选矿产资源的逐步枯竭，资源及材料工程领域的各种学科均发生了明显的调整及变化。例如，冶金学科逐步向材料学科靠拢并转化。矿物加工也不例外，经历了一系列变化和调整，面临着重大的挑战。
开采矿石的品位越来越低。以铜矿资源为例，美国的入选铜矿石的平均品位在20世纪30-40年代是!1.5，如今仅为0.6%，个别选矿厂处理的铜矿石，其品位低至0.35%。据估计，品位由1.5%下降到0.5%，选矿能耗将增大1倍，品位的进一步降低，选矿能耗的增长幅度将会更大。问题不仅在于此，随着入选矿石品位的降低，环境问题变得日益突出。因为炼出1吨金属铜，大约需要处理品位为0.5%的铜矿石200吨，而每生产1吨铜矿石，约产出3吨废石。随着入选矿石的贫化，尾矿及废渣的处理将成为制约选矿发展的一个重要因素。使用的各种化学药剂也对环境产生影响。可以说，当前的矿物加工是处在“经济—能耗—环境”三角的严酷扼制之中。
难选矿的比例越来越大。随着富矿、易选矿资源的耗尽，一系列共生关系复杂、嵌布粒度细微的矿产资源的开发利用提到了议事日程。这一问题在我国表现得尤为突出，我国的大量弱磁性铁矿因为铁矿物及伴生矿物嵌布粒度太细（小于10至30μm）而无法有效分选。岂止铁矿，诸如锰矿、磷矿、铝土矿等等均有相同的问题。分选技术固然是个尚未解决的问题，细磨、脱水等作业也远未达到成熟的地步。面对严酷现实的挑战，矿物加工学科已经发生并还在发生巨大的调整及变化。一些适合于处理贫矿、复杂矿的技术和直接提取有用成分的技术正在发展应用。
矿物加工的对象已从天然矿产资源扩展到二次资源的回收及利用。各种固体废弃物，例如尾矿、炉渣、粉煤灰、金属废料、电器废料、塑料垃圾、生活垃圾乃至土壤都成了加工对象，经过加工又转化为有用的资源。由于现代科技的发展及人类社会的进步，需要开发超纯、超细及具有特殊功能的矿物原料及矿物材料。再如特殊功能的石墨、云母、石棉等非金属矿物材料，超细金属氧化物粉体等均需要特殊的、与传统方法迥异的加工方法，即所谓深加工工艺。 事实上，20世纪后半叶，矿物加工工艺已逐步突破了传统的机械加工的框架。化学提取以及生物工程与机械加工的结合在金属矿及非金属矿的加工中早已屡见不鲜。非金属矿的深加工进一步扩展并丰富了这种结合，例如高岭土的超声剥片，石墨及各种层状矿物的有机及无机嵌层等。
传统的机械加工工艺也发生了巨大的变化。超细粉碎及分级获得越来越多的应用；界面分选方法成为微细颗粒分选的主要手段；压滤及离心力场在超细颗粒的固液分离中发挥着重要的作用；而各种成型、包装工艺也变得越来越重要。矿物加工的任务也发生了变化。矿物加工已不仅是为各种工业提供合格的矿物原料，例如精矿粉或中间产品，而是扩展成了可以生产超纯、超细及具有特殊功能的矿物材料以及矿物制品的工业。矿物材料工程主要是以非金属矿石或矿物为原料（或基料），通过一定的深加工工艺制取具有确定物化性能的无机非金属材料及器件的技术。矿物材料有着巨大的应用前景，例如，沸石太阳能板，蒙脱石干燥剂，叶腊石高温绝缘体及导弹密封材料，钠云母密封材料，羟磷灰石骨骼材料，硅藻土牙模材料，火山岩防火材料等。
进一步分析现代矿物加工工程所包括的单元作业，它们大体包括：粉碎、分级、超细颗粒制备、物理分选（重选、磁电选、光电选、放射选等）、浮选及其他界面分选、化学处理及生物提取、固液分离（沉降、过滤、干燥）、成型及造粒、气固分离—收尘、物料贮运，等等。将这些单元作业同冶金工程、化学工程、环境工程、无机材料工程及颗粒技术五大类学科进行比较，如下表(略)所示。分析表便可发现，表中列出的单元作业在六种不同工程领域中有很强的通用性，许多单元作业是相同的。由此可以看出这六种不同工程领域之间的有机联系及交叉关系。因此，可以说无论从矿物加工工程的历史发展角度或从上述各学科之间的共同点看，矿物加工与冶金、化工、无机材料、环境工程及颗粒技术这些工程学科领域都有着密不可分的共生关系。特别是颗粒的各种机械加工及处理单元作业，几乎成为沟通这些工程技术学科领域的共同组成要素。这些工程技术领域的主要不同之处仅在于处理的对象有别。无怪乎在欧洲往往把这些通用的物理加工单元作业统称为机械加工技术或过程加工技术。在化学工程中机械加工技术与分离技术并列几乎包括了除化学反应工程外的全部化工单元作业。在矿物加工工程中矿粒的机械加工技术与矿粒的分选技术并列则覆盖了几乎全部单元作业。因此，从现代学科体系看，可以认为矿物加工工程是由分选富集技术、机械加工技术、过程模拟控制等三大板块所构成的。回顾历史不难看到，矿物加工原本不过是矿业或冶金工程的一个分支，后来由于矿产资源开发及利用的规模迅速扩大才从矿业或冶金工程中分离出来，发展成为独立的学科。如今人们又观察到学科之间的回归及交融。随着矿产资源的贫化及其共生关系的微细粒化，化学处理变得日益重要，而化学处理本是提取冶金的主要工艺过程。当前，提取冶金与化学工程也正在相互交融。现代矿物加工中包括的矿物材料工程或技术，与无机材料工程也十分接近。矿物加工过程产生的废渣、尾矿、废水的治理本身就是环境工程的主要内容，更何况矿物加工技术（包括分选技术）已在环境治理工程中找到了用武之地。 科学技术发展到今天，学科之间的界限趋于交叉融通，而市场经济的发展则要求科技界具有更大的适应性及应变能力。在这种形势下，只要不受研究对象的局限，矿物加工技术完全可以在上述多种工程技术领域得到有效的利用，反过来，吸收和利用其他工程技术领域的实际经验及研究成果又可以促进矿物加工的进一步发展。可以说，矿物加工技术的跨学科研究及应用是摆在我们面前的最大挑战和机遇