浅谈机械化学在矿物加工领域的应用

何熊

摘 要：机械化学研究物质在机械力作用下所发生的化学和物理化学的变化。在超细磨过程中，矿物在晶体结构、活性等方面具有显著变化，处于高效失稳状态，反应活性增强。试验研究表明，利用超细磨过程中的机械力诱发化学反应，可以显著强化和改善矿物的浸出过程，在矿物加工领域具有广阔的应用前景。

关键词：机械化学；应用研究

机械化学亦称为机械力化学，专门研究物体在高能机械力作用和诱发下发生的物理化学变化。其中机械力既可以是粉碎和细磨固体过程中的冲击、剪切、摩擦、压缩和研磨作用力，也可以是液体和气体的冲击波产生的压力，还可以是一般的压力和摩擦力等。机械化学涉及无机化学、有机化学、表面化学、固体化学、结构化学、合成化学、机械力学、矿物加工及材料科学等多学科的交叉，是一门新兴的边缘学科，近年来已成为冶金、化工、材料、矿物加工、环保等高新技术领域研究的热门课题。

一、机械化学的产生与发展

1919年，德国学者W.Ostwald从化学分类的角度首次提出了机械化学这一新概念，即由机械力诱发化学反应，但当时对机械化学的基本原理尚不十分清楚。从1951年开始，奥地利学者Peters与其助手Pajoff对机械力诱发化学反应进行了大量的研究工作，并于1962年在第一届欧洲粉体会议上发表了题为《机械力化学反应》论文，详细阐述了粉碎技术与机械化学的关系，介绍了当时机械化学的研究成果，明确指出机械化学反应是由机械力诱发的化学反应，对推动机械化学的发展起到开拓性作用。40年来，机械化学研究取得了很大进展，前苏联和日本等国家都相继发表了有关机械化学的论著，如Avvakumov等的《无机化学中的机械合成方法》和Kubo等的《无机物的机械化学》。随着研究的深入和部分研究成果的应用，机械化学日益受到世界各国的重视。一些国家为此成立了专门的研究机构，如俄罗斯科学院的固态化学和机械化学研究所。在日本、德国、美国、前苏联和捷克及斯洛伐克等国家科学家的积极倡导下，1991年国际机械化学会（IMA）正式成立，隶属于国际纯粹和应用化学联合会（IUPAC）。它定期召开国际学术会议，加强该研究领域的学术交流并创办了学术期刊《国际机械化学与机械力合金化》。近年来，人们借助现代测试手段，在机械化学的理论与应用领域进行了广泛而卓有成效的研究，促进了该学科的快速发展。

二、机械化学在矿物加工领域的应用研究

1.在浸出过程中的应用

由于超细磨中的机械化学作用能加快矿物的分解速度，降低分解反应对温度和试剂浓度的依赖程度，因而在强化湿法冶金浸出过程方面得到了应用。如苛性钠分解法是用独居石、磷釔矿生产稀土金属的经典方法，有碱用量大、能耗高、流程长的缺点。根据机械化学理论开发的机械活化碱分解工艺，可节省碱用量30%，节煤50%，提高回收率两个百分点（达98.5%），而且工艺过程得到简化。又如，获中国专利的热碱球磨分解工艺技术已成功用于钨业生产。该工艺将机械化学作用、破碎作用、搅拌作用与浸出过程有机结合，为反应创造了良好的动力学条件，大大强化了反应速度，流程短，分解率高。如150℃下处理黑钨矿或混合矿，经1 h分解率为99.49%。

2.复杂矿物的选择性浸出分离

超细磨使矿物晶格产生缺陷，是引起机械化学作用的基本原因。而超细磨过程中，不同矿物晶体受破坏程度不同，因而有可能通过调节磨矿条件和药剂条件，实现复杂矿物的选择性分离。德国专利技术MELT法是一项无污染的金属回收工艺。它将黝铜矿精矿用Na2S溶液在搅拌磨中处理20 min，成功地浸出Sb、As和Hg，浸出率分别为98%、73%和85%，能耗为82～157 kW·h/t[20]，含银0.21%的黝铜矿用行星磨处理45 min后用硫脲浸出，可获48%的银浸出率，而直接用硫脲浸出的浸出率<10%。

3.难浸金矿的预处理

金被黄铁矿包裹，以显微金、次显微金或固熔体存在的金矿，是极难溶浸提金的一类难浸金矿石，提金的关键是分解黄铁矿以便金裸露。黄铁矿性质较稳定，通常需要焙烧、高温加压或细菌催化氧化等较复杂方法才能使其分解。近年来的试验研究表明，利用超细磨中的机械化学作用，可以使黄铁矿在常温常压下氧化分解。国内有人对常规浸出率为89.6%的硫化物浮选精矿用搅拌磨细磨氰化，浸出率可提高到98.8%。还有人用塔式磨浸机处理高硫难浸金矿石，浸出率由原来的75%提高到86%～89%。

三、机械化学的研究展望

1.重视机械化学基础理论、特别是可控机械化学制备理论及机械化学与机械活化共同规律的研究.

2.加强用机械化学方法制备具有特殊性能的功能材料、亚稳态和非晶态粉末材料等的研究.

3.加强机械化学对粉体改性、矿产资源综合利用和深加工等的研究.

4.结合现有的热导量热技术和计算机技术，研制新的机械化学量热计，用于实时测定机械化学过程中的能量变化，并深入开展对机械化学反应器能量输入模式、材料在机械活化过程中的能量储存和演化规律及机械化学的热动力学等方面的研究.

四、结语

机械化学这个古老而又引人人胜的学科，在它的历史发展长河中，比起其它学科要缓慢得多。其主要原因是物质在机械作用下所涉及到的物理与化学现象十分复杂，很难用一种理论得到圆满的解释。虽然有人建立了数学模型和新的理论，但仍然没有突破。在实验的定量描述方面一也有一定困难。这就需要我们继续深入地研究，以完善和丰富机械化学这门边缘学科的理论和内容，为化学这块百花园地增添新秀。

参考文献：

[1] 杨华明，邱冠周，王淀佐.超细粉碎机械化学的发展[J].金属矿山，2000，（9）：21-24.

[2] 熊仁根，游效曾，董浚修.机械化学及其应用[J].化学通报，1995，（4）：7-11.