淺談機械化學在礦物加工領域的應用

何熊

摘 要：機械化學研究物質在機械力作用下所發生的化學和物理化學的變化。在超細磨過程中，礦物在晶體結構、活性等方面具有顯著變化，處于高效失穩狀態，反應活性增強。試驗研究表明，利用超細磨過程中的機械力誘發化學反應，可以顯著強化和改善礦物的浸出過程，在礦物加工領域具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：機械化學；應用研究

機械化學亦稱為機械力化學，專門研究物體在高能機械力作用和誘發下發生的物理化學變化。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生的壓力，還可以是一般的壓力和摩擦力等。機械化學涉及無機化學、有機化學、表面化學、固體化學、結構化學、合成化學、機械力學、礦物加工及材料科學等多學科的交叉，是一門新興的邊緣學科，近年來已成為冶金、化工、材料、礦物加工、環保等高新技術領域研究的熱門課題。

一、機械化學的產生與發展

1919年，德國學者W.Ostwald從化學分類的角度首次提出了機械化學這一新概念，即由機械力誘發化學反應，但當時對機械化學的基本原理尚不十分清楚。從1951年開始，奧地利學者Peters與其助手Pajoff對機械力誘發化學反應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表了題為《機械力化學反應》論文，詳細闡述了粉碎技術與機械化學的關系，介紹了當時機械化學的研究成果，明確指出機械化學反應是由機械力誘發的化學反應，對推動機械化學的發展起到開拓性作用。40年來，機械化學研究取得了很大進展，前蘇聯和日本等國家都相繼發表了有關機械化學的論著，如Avvakumov等的《無機化學中的機械合成方法》和Kubo等的《無機物的機械化學》。隨著研究的深入和部分研究成果的應用，機械化學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，如俄羅斯科學院的固態化學和機械化學研究所。在日本、德國、美國、前蘇聯和捷克及斯洛伐克等國家科學家的積極倡導下，1991年國際機械化學會（IMA）正式成立，隸屬于國際純粹和應用化學聯合會（IUPAC）。它定期召開國際學術會議，加強該研究領域的學術交流并創辦了學術期刊《國際機械化學與機械力合金化》。近年來，人們借助現代測試手段，在機械化學的理論與應用領域進行了廣泛而卓有成效的研究，促進了該學科的快速發展。

二、機械化學在礦物加工領域的應用研究

1.在浸出過程中的應用

由于超細磨中的機械化學作用能加快礦物的分解速度，降低分解反應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用。如苛性鈉分解法是用獨居石、磷釔礦生產稀土金屬的經典方法，有堿用量大、能耗高、流程長的缺點。根據機械化學理論開發的機械活化堿分解工藝，可節省堿用量30%，節煤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已成功用于鎢業生產。該工藝將機械化學作用、破碎作用、攪拌作用與浸出過程有機結合，為反應創造了良好的動力學條件，大大強化了反應速度，流程短，分解率高。如150℃下處理黑鎢礦或混合礦，經1 h分解率為99.49%。

2.復雜礦物的選擇性浸出分離

超細磨使礦物晶格產生缺陷，是引起機械化學作用的基本原因。而超細磨過程中，不同礦物晶體受破壞程度不同，因而有可能通過調節磨礦條件和藥劑條件，實現復雜礦物的選擇性分離。德國專利技術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，提金的關鍵是分解黃鐵礦以便金裸露。黃鐵礦性質較穩定，通常需要焙燒、高溫加壓或細菌催化氧化等較復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作用，可以使黃鐵礦在常溫常壓下氧化分解。國內有人對常規浸出率為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、機械化學的研究展望

1.重視機械化學基礎理論、特別是可控機械化學制備理論及機械化學與機械活化共同規律的研究.

2.加強用機械化學方法制備具有特殊性能的功能材料、亞穩態和非晶態粉末材料等的研究.

3.加強機械化學對粉體改性、礦產資源綜合利用和深加工等的研究.

4.結合現有的熱導量熱技術和計算機技術，研制新的機械化學量熱計，用于實時測定機械化學過程中的能量變化，并深入開展對機械化學反應器能量輸入模式、材料在機械活化過程中的能量儲存和演化規律及機械化學的熱動力學等方面的研究.

四、結語

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

參考文獻：

[1] 楊華明，邱冠周，王淀佐.超細粉碎機械化學的發展[J].金屬礦山，2000，（9）：21-24.

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