非金属矿物加工与利用 第4讲

由于矿物表面电位与动电电位是一致的， 由于矿物表面电位与动电电位是一致的， 可以用ζ 可以用 ζ 电位来表征矿物表面荷电的正负及 相对大小。 相对大小。
对于大部分硅酸盐矿物来说， 对于大部分硅酸盐矿物来说 ， 在水 溶液中荷负电， 溶液中荷负电，只有在强酸性条件下才 荷正电。 荷正电。
下面为硅酸盐矿物在纯水中表面电性的研 究举例
夕线石表面ζ 夕线石表面ζ电位 pH值的关系 与pH值的关系
链状结构硅酸盐矿物在纯水中表面电性小结
单链状结构硅酸盐矿物解离表面阳离子对于阴离 单链状结构硅酸盐 矿物解离表面阳离子对于阴离 子的相对密度较小， 子的相对密度较小， Si、 另一方面， 矿物表面上Si 另一方面 ， 矿物表面上 Si 、 O 及部分外露的阳离子 会以不同的方式键合羟基。故此类矿物的零电点较低， 会以不同的方式键合羟基。故此类矿物的零电点较低， 在很宽的pH值范围内带负电。 pH值范围内带负电 在很宽的pH值范围内带负电。 双链结构的硅酸盐矿物比单链结构矿物零电点高。 双链结构的硅酸盐矿物比单链结构矿物零电点高。 双链间可以形成更大的空隙， 这是由于双链间可以形成更大的空隙 这是由于双链间可以形成更大的空隙，可以容纳更多 的阳离子，矿物表面正电性强，零电点相应较高。 的阳离子，矿物表面正电性强，零电点相应较高。
架状结构硅酸盐矿物
石英表面ζ电位与pH值的关系 石英表面ζ电位与pH值的关系 pH
2Fuerstenau； 韦书立； 刘亚川； 1 孙传尧 ；2Fuerstenau；3 韦书立；4刘亚川；5翁达
在水溶液中石英动电行为的起源有人认为是石英表 面酸基的形成及此酸基随后的溶解。 面酸基的形成及此酸基随后的溶解。 Gaudin等提出石英在水中的荷电机理模式是： 等提出石英在水中的荷电机理模式是： 等提出石英在水中的荷电机理模式是 1）石英晶体破裂后．硅氧键破裂； ）石英晶体破裂后．硅氧键破裂； 2）在水溶液中吸附定位离子，生成羟基表面； ）在水溶液中吸附定位离子，生成羟基表面； 3）在不同介质 值条件，产生解离或吸附，形成 ）在不同介质PH值条件 产生解离或吸附， 值条件， 不同的表面电性。由于这种解离和吸附是可逆过程， 不同的表面电性。由于这种解离和吸附是可逆过程，因此 石英表面在较宽的pH值范围内整体表现出负电性 值范围内整体表现出负电性。 石英表面在较宽的 值范围内整体表现出负电性。
架状结构硅酸盐矿物
长石表面ζ电位与pH值的关系 长石表面ζ电位与pH值的关系 pH
微斜长石I 微斜长石II II； 叶钠长石； 1 微斜长石I ；2微斜长石II；3 叶钠长石；4正长石
架状结构硅酸盐矿物在纯水中表面电性小结
架状结构硅酸盐矿物荷电状态是铝氧四面体和硅氧 架状结构硅酸盐矿物荷电状态是铝氧四面体和硅氧 四面体的综合反映。对长石来说， 四面体的综合反映。对长石来说，其解离面上的配衡阳 离子K 等易溶， 离子K+、Na-、Ca2 +等易溶，给表面留下负电荷和活泼的 SiOH、 区域， SiOH、SiO-区域，另外长石解离表面多价金属阳离于对 于阴离子的相对密度较低， 于阴离子的相对密度较低，其综合因素的总和导致零电 点较低。 点较低。
1 纯水中硅酸盐矿物表面电性及其 与矿物晶体化学特征的关系
在无浮选药剂作用下， 矿物荷电的原因主 在无浮选药剂作用下 ， 矿物荷电的原因 主 要有以下两个方面
矿物表面组分的优先解离或溶解。矿物在水中， 矿物表面组分的优先解离或溶解 。 矿物在水中 ， 其表面受到水偶极的作用，由于正、 其表面受到水偶极的作用，由于正、负离子受水偶极 的吸引力不同，会产生非等当量的转移， 的吸引力不同，会产生非等当量的转移，有的离子会 优先解离（或溶解）转入溶液， 优先解离（或溶解）转入溶液，从而使表面产生过剩 的电荷而荷电； 的电荷而荷电； 矿物解离后吸引H 许多难溶矿物， 矿物解离后吸引 H+ 或 OH- 。 许多难溶矿物 ， 如石英 及一些硅酸盐矿物，在水中先形成羟基化表面 羟基化表面， 及一些硅酸盐矿物，在水中先形成羟基化表面，使表 面荷负电。 面荷负电。
链状结构硅酸盐矿物
单链
辉石类矿物表面ζ电位与pH值的关系 辉石类矿物表面ζ电位与pH值的关系 pH
锂辉石； 霓石（ 霓石（II） 1 锂辉石；2 蔷薇辉石 ；3 霓石（I）； 4霓石（II）
单链
硅灰石表面ζ电位与pH值的关系 硅灰石表面ζ电位与pH值的关系 pH
普通角闪石表面ζ 普通角闪石表面ζ电位 pH值的关系 与pH值的关系 双链
层状结构硅酸盐矿物
云母族矿物表面ζ电位与pH值的关系 云母族矿物表面ζ电位与pH值的关系 pH
1湖北白云母 2 新疆锂云母 3河南黑云母
高岭石表面ζ电位与pH值的关系 高岭石表面ζ电位与pH值的关系 pH
层状结构硅酸盐矿物在纯水中表面电性小结 以云母为典型代表的层状结构硅酸盐矿 由于解离面与端面的面积比很大，因此表 物由于解离面与端面的面积比很大，因此表 面上主要是硅氧四面体阴离子， 面上主要是硅氧四面体阴离子，表面多价阳 离子对阴离子的相对密度较低。另外， 离子对阴离子的相对密度较低。另外，由于 暴露于表面上K 极易溶解，与水溶液中H 暴露于表面上 +极易溶解，与水溶液中 +交 换，云母矿物表面具有极强的键合羟基的能 力，因此矿物表面带有相对较为恒定的负电 零电点极低。 荷，零电点极低。 云母主要成份： 云母主要成份： KAl2 [AlSi3O10 ](OH) 2
aH + 表示溶液中 +的活度，0 为Ψ 为零时 +的活度， a 表示溶液中H 的活度， + 0为零时H 的活度，
H
pH pzc 表示硅酸盐矿物的零电点 ， pH 表示溶液的酸碱 表示硅酸盐矿物的零电点，
度。
25ºC时，上式可变为 时
ห้องสมุดไป่ตู้
Ψ0 = 0.059( pH pzc − pH )
由上式可见
在水溶液中当pH>pH 在水溶液中当pH>pHPZC，硅酸盐矿物表面荷 负电， 矿物表面荷正电。 负电，当pH<pHPZC时，矿物表面荷正电。 相对应，对于硅酸盐矿物， 相对应，对于硅酸盐矿物，当pH>pHPZC，矿 物的表面ζ电位< 电位> 物的表面ζ电位<0，当pH<pHPZC时，ζ电位>0。
总结以上结果， 总结以上结果，硅酸盐矿物表面电性及零 Si- 键的断裂程度、 电点与矿物解离时（1）Si-O键的断裂程度、
表面暴露阳离子的种类、 （2）表面暴露阳离子的种类、数量及溶 解性有关 进而与（ 有关， 解性有关，进而与（3）表面阳离子对总 的相对密度等晶体化学特征密切相关 等晶体化学特征密切相关。 O2-的相对密度等晶体化学特征密切相关。
非金属矿物加工与利用
硅酸盐矿物选矿与提纯技术
• 硅酸盐矿物浮选的意义与研究进展 • 硅酸盐矿物的晶体结构特性及表面特征 • 典型硅酸盐矿物的选矿与提纯技术
本次课在前面已介绍过的硅酸盐矿物五 大晶体结构及基本表面特征的基础上讲解
表面电性与矿物晶体化学特性的关系
双电层： 双电层：
在两种不同物质的界面上， 在两种不同物质的界面上，正负电荷分别排列成的面 在溶液中， 层。在溶液中，固体表面常因表面基团的解离或自溶液中 选择性地吸附某种离子而带电。由于电中性的要求， 选择性地吸附某种离子而带电。由于电中性的要求，带电 表面附近的液体中必有与固体表面电荷数量相等但符号相 反的多余的反离子。带电表面和反离子构成双电层。 反的多余的反离子。带电表面和反离子构成双电层。
环状结构硅酸盐矿物
绿柱石表面ζ电位与pH值的关系 绿柱石表面ζ电位与pH值的关系 pH
新疆绿柱子石； 1 新疆绿柱子石；2 巴西绿柱石
环状结构硅酸盐矿物在纯水中表面电性小结 绿柱石为六环结构硅酸盐矿物， 绿柱石为六环结构硅酸盐矿物，矿物解离 由于结构中Si 键较强， Si时 ， 由于结构中 Si-O 键较强 ， 矿物解离时 键为主要断裂键， M-O键为主要断裂键，矿物表面必然暴露有 阳离子。 阳离子 。 这些阳离子的溶解导致表面正电 荷短缺。 荷短缺。 (1)绿柱石在较宽的pH值范围内均荷负电 绿柱石在较宽的pH值范围内均荷负电 pH 零电点与岛状结构矿物相比较低。 (2)零电点与岛状结构矿物相比较低。
硅酸盐矿物在水溶液中会发生表面吸附或 解离，固液界面就分布有与表面异名的电荷， 解离 ， 固液界面就分布有与表面异名的电荷 ， 使矿物与水溶液界面形成电位差，即形成双电 使矿物与水溶液界面形成电位差 ， 即形成 双电 层 。 硅酸盐矿物的表面电性与矿物的晶体化学 特征及解离后表面暴露元素的性质密切相关。 特征及解离后表面暴露元素的性质密切相关。 因此， 因此 ， 研究矿物在纯水中及药剂作用下的 表面电性及其与矿物晶体化学特征和表面暴露 元素性质之间的关系具有重要的理论意义。 元素性质之间的关系具有重要的理论意义。
矿物的表面电位： 矿物的表面电位
aH + RT Ψ0 = ln 0 = 2.303 RT ( pH pzc − pH ) F aH+
Ψ 为矿物的表面电位， 式中： 0 为矿物的表面电位，
R为气体常数；T为绝对温度；F为法拉第常数， 为气体常数； 为绝对温度 为绝对温度； 为法拉第常数 为法拉第常数， 为气体常数
高岭石属于TO型结构，即由[SiO4]四面体层和“ 氢氧 四面体层和“ 高岭石属于 型结构，即由 型结构 四面体层和 铝石”层连结而成。 铝石”层连结而成。 每个结构单元层的氧与相邻单元层的八面体层的氢氧 形成氢键，结构单元层间靠氢键联结成重叠的层状堆叠。 形成氢键 ，结构单元层间靠氢键联结成重叠的层状堆叠。 层间力为氢键或范德华力，解离时沿与层平行的方向劈开。 层间力为氢键或范德华力，解离时沿与层平行的方向劈开。 断裂后高岭石产生两个性质不同的表面，即底面(或称层面 或称层面) 断裂后高岭石产生两个性质不同的表面，即底面 或称层面 和端面(或称棱面 底面Si 或称棱面)。 类质同象取代， 和端面 或称棱面 。底面 4+ 被A13+、Fe3+类质同象取代， A13+ 被Mg2+、Fe2+置换，导致品格中正电荷不足，故使底 置换，导致品格中正电荷不足， 面恒定带负电。 面恒定带负电。
岛状结构硅酸盐矿物
石榴子石的ζ电位与pH值的关系 石榴子石的ζ电位与pH值的关系 pH
1新疆铁铝石榴子石 2 湖北钙铁石榴子石 3河南铁铝石榴子石
蓝晶石ζ电位与pH值的关系 蓝晶石ζ电位与pH值的关系 pH
1 新疆可可托海蓝晶石 2 河南南阳隐山蓝晶石
岛状结构硅酸盐矿物在纯水中表面电性小结
岛状结构硅酸盐矿物，独立的 岛状结构硅酸盐矿物，独立的[SiO4]四面体结构靠 四面体结构靠 阳离子联结，矿物解离时M-O键大多断裂，使其解离 键大多断裂， 阳离子联结，矿物解离时 键大多断裂 面暴露较多的多价金属阳离子， 面暴露较多的多价金属阳离子，故矿物表面阳离子对 于阴离子的密度大，这导致在中强酸性条件下矿物表 于阴离子的密度大， 面荷正电。 面荷正电。 的增加， 随pH的增加，矿物表面暴露离子（包括 4+）由 的增加 矿物表面暴露离子（包括Si 于键合大量羟基而荷负电。另外在试验的介质条件下， 于键合大量羟基而荷负电。另外在试验的介质条件下， 岛状结构硅酸盐矿物如石榴子石表面的部分阳离子的 岛状结构硅酸盐矿物如石榴子石表面的部分阳离子的 溶解性增加， 溶解性增加，这也是造成矿物表面负电性增加的一个 原因。 原因。
另外底面的晶格缺陷(如脱位 、 局部键断裂)也有可能 另外底面的晶格缺陷 如脱位、局部键断裂 也有可能 如脱位 使底面荷电。 使底面荷电。 高岭石端面可与水介质间界面上形成双电层， 高岭石端面可与水介质间界面上形成双电层， 其荷电 被端面上破裂的Si-O和A1-O键所控制，即高岭石中 键所控制， 被端面上破裂的 和 键所控制 即高岭石中SiO2、 A12O3 组成的表面行为受控与H+ 和 OH-， 当 pH值低时端面 组成的表面行为受控与 值低时端面 荷正电；中性、弱酸性介质中端面不荷电； 荷正电； 中性、弱酸性介质中端面不荷电；碱性介质中端 面荷负电。 面荷负电。 实际测得的高岭石零电点是水介质中表面电荷的总反 可近似地出底面电荷和端面电荷的代数和确定。 映，可近似地出底面电荷和端面电荷的代数和确定。