1.2.4. Технологические свойства минералов

К технологическим свойствам минералов, используемым при их разделении в процессе обогащения ПИ относятся: плотность, механические, спектроскопические, магнитные, электрические, физико-химические, термохимические, радиометрические.

Плотность минералов

Плотность δ минералов определяется их соста­вом и строением кристаллической решетки. Как правило, ми­нералы, содержащие тяжелые металлы, имеют большую плот­ность. Самая большая плотность наблюдается у самородных элементов: золота, серебра, меди и платины. Плотность мине­ралов возрастает с увеличением плотности упаковки кристал­лической решетки: минералы с плотнейшей упаковкой имеют большую плотность по сравнению с минералами цепочечной, ленточной, слоистой и, особенно каркасной структур.

Плотность минералов и измельченного полезного ископа­емого определяют с помощью пикнометрического метода или на квадрантных весах И.З. Марголина.

Различия в плотности минералов используют для их разделения при переработке полезных ископаемых гравитационными методами обогащения, которые могут осуществ­ляться в воде, воздухе, тяжелой жидкости, суспензии или жид­ком электролите, помещенном в скрещенные электрическое и магнитное поля.

Механические свойства минералов

Механические свойства кристаллов: величина и характер деформации, твердость и упругость — по разным кристалло­графическим направлениям различны. В одном направлении кристалл может вести себя как пластичный, в другом — как хрупкий.

Характер деформации, особенностью которого является от­носительное удлинение (или сжатие) кристалла ±ε = ^Δl/_l. При его растяжении и сжатии, иллюстрирует рис. 1.2 а.

Рис. 1.2. Схемы деформации кристаллов (а), трансляционного скольжения (б), краевой дислокации (в), винтовой дислокации (г) и механического двойникования (д) кристаллов

На начальных стадиях растяжения удельное (на единицу площади) напряжение а внутренних сил в кристалле растет примерно пропорционально деформации. Кристалл при этом полностью сохраняет упругие свойства вплоть до напряже­ния σ называемого пределом упругости. При снятии внешних напряжений исходные размеры и форма минералов полно­стью восстанавливаются.

Упругость связана с прочностью и типом межатомных свя­зей в минерале. Разделение минеральных частиц, имеющих раз­личную упругость, нашло применение при "обогащении по уп­ругости", например, строительных материалов (щебня и гравия).

Превышение предела упругости σ_S вызывает хрупкие или пластические деформации и разрушение кристалла при напря­жении, характеризующем предел его прочности или временное со­противление. Площадь, образованная кривой растяжения (сжа­тия) и осью ε, отражает работу, затраченную на разрыв кристалла. Хрупкое разрушение кристалла наступает сразу же за пределом упругости и происходит по определенным кристалло­графическим направлениям — плоскостям ослабленной силы связи между элементарными частицами кристаллической ре­шетки минерала. В зависимости от строения кристаллической решетки минералов таких кристаллографических направлений в них может быть одно, два, три, четыре или шесть, что приво­дит к образованию минеральных зерен различной формы: от плоской до округлой. Так, кристаллы слюды расщепляются на тонкие листочки в одном направлении (по пинакоиду 001), а кристаллы кальцита легко раскалываются по трем направ­лениям (по ромбоэдру), образуя зерна изометрической фор­мы. Процесс разделения минералов, имеющих различную фор­му зерен, носит название «обогащение по форме».

Способность кристаллов разрушаться с образованием глад­ких поверхностей является проявлением спайности. В зависи­мости от характера и силы разрываемых связей спайность может быть: весьма совершенной (зеркальная поверхность слюды, гипса и др.); совершенной (ровная, иногда ступенча­тая поверхность кальцита, галенита, галита и др.); средней (ровная, наряду с неровной поверхность полевых шпатов, ро­говой обманки и др.); несовершенной (неправильная поверх­ность скола берилла, апатита и др.) и весьма несовершенной (неровная поверхность кварца, касситерита и др.).

Неровная поверхность у минералов с несовершенной спай­ностью и не имеющих ее может носить ступенчатый, занози­стый (актинолит и др.), раковистый (кварц, опал и др.), крюч­коватый (золото, медь и др.) характер. Различный характер поверхности частиц разных минералов является причиной резких различий минеральных зерен по значению их коэффициен­та трения, что используется для их разделения в процессах "обогащение по трению" и «обогащение по трению и форме».

Твердость определяется типом химических связей между атомами и структурой минерала. Наибольшей твердостью об­ладают минералы с чисто ковалентной связью (алмаз); несколь­ко меньшей — минералы со смешанной ковалентно-ионной связью; умеренной - с ионной связью; низкой — с водород­ными и ван-дер-ваальсовыми связями. В соответствии с этим многие слоистые, водные и молекулярные кристаллы отлича­ются низкой твердостью. Твердость возрастает с увеличением плотности упаковки атомов и заряда катиона или аниона, об­разованием каркасной структуры минерала. Точечные дефекты — вакансии, микропримеси, ди­слокации и степень совершенства (блочность) кристаллических индивидов — заметно влияют на микротвердость минералов. Теоретическая прочность кристаллов практически всег­да значительно выше реальной.

Классификация минералов по твер­дости и хрупкости, помимо оценки их влияния на энергоем­кость и эффективность процессов дробления и измельчения, по­зволяет анализировать возможность избирательного дробления, измельчения или истирания с целью последующего разделения их по крупности, называемого "обогащением по крупности".

Спектроскопические и радиоспектроскопические свойства минералов

Это свойства определяющие характер взаимодействия различных видов излучения с веществом.

Магнитные свойства минералов определяются в основном химическим составом и отчасти структурой минералов и проявляются в магнитном поле. Они возникают и проявляются в магнитном поле. Каждый минерал характеризуется магнитной проницаемостью минералов (μМ) и магнитной восприимчивостью (χ = μМ-1), определяющую намагниченность минералов. Намагниченность минералов М определяется – М= χН (Н –напряженность магнитного поля).

По магнитной восприимчивости и характеру намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля минералы делятся на диамагнетики (χ>0 (10^-7-10^-6cм³/г), μ_М<1), парамагнетики (χ<0 (не более 10^-4 cм³/г), μ_М>1) и ферромагнетики (χ >>1 (более10^-4cм³/г), μ_М>>1).

Диамагнетики попадают в немагнитную фракцию.

Парамагнетики относятся к слабомагнитным минералам, но их намагниченность возрастает с ростом напряженности магнитного поля и уменьшается при нагреве.

Ферромагнетики относятся к сильно магнитным материалам.

Электрические свойства минералов используются в процессах электрической сепарации и флотации. Основными характеристиками являются – удельное электрическое сопротивление (ρ) и удельная электропроводность(1/ρ). По величине электропроводности все минералы подразделяются на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Физико-химические свойства поверхности минералов. Основной характеристикой физико-химических свойств поверхности минералов является значение удельной свободной поверхностной энергии на границе раздела с жидкостью или газом.

Появление свободной поверхностной энергии обусловлено неодинаковым притяжением молекул поверхностного слоя со стороны самого минерала и соприкасающейся с ним жидкой или газообразной фазы. Значение удельной поверхностной энергии зависит от разницы в значениях полярности соприкасающихся фаз. Мерой полярности может служить, например, ее диэлектрическая проницаемость. Так, воздух и жидкие органические вещества имеют низкую диэлектрическую проницаемость и являются неполярными или аполярными фазами. Вода, наоборот, обладает высокой диэлектрической проницаемостью и является одной из наиболее полярных фаз.

Энергия взаимодействия минеральных поверхностей с водой и воздухом и значения поверхностной энергии на границе их раздела определяются характером связей, разрушаемых при дроблении и измельчении. Если при этом энергия взаимодействия поверхности с полярными молекулами воды будет велика, то в этом случае молекулы воды будут притягиваться к поверхности минералов делая ее гидрофильной, т.е. смачиваемой. Если же при разрушении происходит разрыв слабых связей, то в этом случае поверхность сильнее взаимодействует с воздухом и поверхность становится гидрофобной или несмачиваемой. Эти два свойства поверхности минералов используются при их флотации.

Флотация - это метод обогащения тонкоизмельченного материала в водной среде, в присутствии воздуха. Процесс флотации осуществляется в перемешиваемой водной ми­неральной суспензии (флотационной пульпе), в которую тем или иным способом вводят воздух. Одни минералы не смачиваются водой (гидро­фобные), прилипают к воздушным пузырькам и выносятся ими на поверхность пульпы, образуя минерализованную пену (пенный продукт). Другие минералы смачиваются водой (гидрофильные) и остаются в объеме пульпы во взвешенном состоянии (камерный продукт). При прямой флотации в пенный продукт обычно переводят полезный мине­рал (или группу минералов), который называется концентратом, а ка­мерный продукт — хвостами. При обратной флотации пенный продукт является хвостами.

В процессе флотации участвуют три фазы: твердая, жидкая и газообразная. Поэтому поверхностные явления рассматриваются на границе этих фаз: жидкое-газообразное, твердое-жидкое, твердое-газообразное. Мера флотируемости определяется краевым углом смачивания, который принято отсчитывать в сторону жидкой фазы. Возможность смачивания минеральной поверхности можно определить при работе адгезии, когда наносятся капли воды. Адгезия - это взаимодействие жидкой и твердой фаз в данном случае на границе их раздела.

Химические свойства минералов. Эти свойства определяют растворимость минералов в неорганических растворителях и возможность применения гидрометаллургических процессов в технологических схемах ОПИ.

Различие в химических свойствах используется при выщелачивании, представляющим собой операцию селективного растворения одного или нескольких минеральных компонентов.