無機(jī)05級(jí)《礦物材料》期末考試試卷

中南大學(xué)考試試卷20--20學(xué)年下學(xué)期時(shí)間120分鐘礦物材料加工學(xué)課程48學(xué)時(shí)3學(xué)分考試形式：開卷專業(yè)年級(jí)：總分100分，占總評(píng)成績(jī)60％注：此頁(yè)不作答題紙，請(qǐng)將答案寫在答題紙上一、簡(jiǎn)答題（本題25分，每小題5分）1、說明濕法化學(xué)浸出的定義并說明其在礦物材料加工中的作用。答：浸出是溶劑選擇性溶解礦物原料中某組分的工藝過程?；瘜W(xué)浸出依靠化學(xué)試劑與礦石中各組份選擇性地發(fā)生化合作用，使需浸出的元素或成份進(jìn)入溶液，而脈石等不需浸出的成份留在浸渣中，然后過濾、洗滌使溶液與濾渣分開，達(dá)到提純分離目的。浸出技術(shù)根據(jù)溶劑可分為水浸、酸浸（鹽酸、硫酸、硝酸等）和堿浸（氫氧化鈉、碳酸鈉、硫化鈉、氨等）；根據(jù)壓力可分為常壓（大氣壓力）和高壓（幾個(gè)、幾十個(gè)氣壓）浸出；根據(jù)浸出方式分為滲濾浸出（就地浸、堆浸和池浸）和攪拌浸出。浸出技術(shù)因其①低成本、低能耗、低藥劑消耗量、低勞動(dòng)力需求②工藝流程短、設(shè)備簡(jiǎn)單、易于建筑、資金消耗小③無廢氣，一定程度上可認(rèn)為無廢物、廢水排放，可改善環(huán)境，增加生產(chǎn)安全性④簡(jiǎn)化整個(gè)工藝過程等特點(diǎn)，在礦產(chǎn)資源綜合回收和環(huán)境治理中越來越受到重視。浸出技術(shù)降低礦石開采品位，變“廢”為寶，能使資源得到有效經(jīng)濟(jì)利用。隨著采選冶技術(shù)的進(jìn)步，礦床工業(yè)品位不斷降低，如采用浸出+萃取+電積法，銅礦的開采品位可降至0.1%~0.4%最低達(dá)0.05%。浸出技術(shù)具有反應(yīng)速度快，流程短，操作環(huán)境好，能耗低，加工成本低，建設(shè)投資小等優(yōu)點(diǎn)，符合礦物加工業(yè)可持續(xù)發(fā)展，走新型工業(yè)化道路的要求。浸出加壓工藝應(yīng)用于處理有色金屬硫化礦石及難處理貴金屬礦等方面在國(guó)際上已經(jīng)發(fā)展成為相當(dāng)成熟的技術(shù)。2、試解釋煅燒定義。答：煅燒是指在低于熔點(diǎn)的適當(dāng)溫度下，加熱物料，使其分解，并除去所含結(jié)晶水，氧化碳或三氧化硫等揮發(fā)性物質(zhì)的過程。3、闡述表面改性方法分類。答：表面改性分為：包覆處理改性、沉淀反應(yīng)改性、表面化學(xué)包覆、機(jī)械化學(xué)改性、膠囊化處理、接枝改性、酸堿處理、化學(xué)氣相沉淀、物理沉淀等。①包覆處理改性是利用有機(jī)高聚物或樹脂等對(duì)粉體表面進(jìn)行“包覆”以達(dá)到改善粉體表面性能的方法。②沉淀反應(yīng)改性是利用化學(xué)反應(yīng)并將生物沉積在顆粒表面形成一層或多層“改性層”的方法。③機(jī)械化學(xué)改性是利用超細(xì)粉碎及其他強(qiáng)烈機(jī)械力作用有目的地對(duì)物料表面進(jìn)行激活，在一定程度上改變粒子表面的晶體結(jié)構(gòu)、溶解性能（表面無定型化），化學(xué)吸附和反應(yīng)活性（增加表面的改性點(diǎn)或活性基團(tuán)）等。④膠囊化處理是在顆粒表面覆蓋均質(zhì)而且有一定厚度薄膜的一種表面化學(xué)改性方法。⑤表面化學(xué)包覆是利用表面化學(xué)方法，如有機(jī)物分子中的官能團(tuán)在物料粒子（填料或顏料）表面的吸附或化學(xué)反應(yīng)對(duì)顆粒表面進(jìn)行局部包覆，使顆粒表面有機(jī)化而達(dá)到表面改性的方法。⑥接枝改性是在一定的外部激發(fā)條件下，將單體烯烴或聚合烯烴引入填料表面的改性過程，有時(shí)還須在引入單體烯烴后激發(fā)導(dǎo)致填料表面的單體烯烴聚合。⑦酸堿處理也是一種表面輔助處理方法，通過酸堿處理可以改善粉體表面（或界面）的吸附和反應(yīng)活性。4、解釋陽(yáng)離子交換容量定義。答：100g干的被測(cè)物質(zhì)所吸附離子的毫克當(dāng)量數(shù)。5、解釋什么是碳纖維答：碳纖維（CF）是由碳元素構(gòu)成的一類纖維，由有機(jī)纖維經(jīng)高溫碳化而成。目前工業(yè)上廣泛采用聚丙烯腈（PAN）纖維、粘膠纖維或?yàn)r青纖維，在隔絕空氣和水分的情況下加熱至1000℃二、綜合問答題（本題60分，每小題12分）1、給出鈣基膨潤(rùn)土有機(jī)化改性工藝流程并說明其原理。答：鈣基膨潤(rùn)土有機(jī)化改性工藝流程如圖：膨潤(rùn)土的鈉化膨潤(rùn)土的鈉化（常用Na2CO3和NaCl作為鈉化試劑進(jìn)行鈉化，鈉離子交換出鈣離子）鈉化膨潤(rùn)土懸浮液鈉化膨潤(rùn)土懸浮液有機(jī)改性劑改性有機(jī)改性劑改性過濾過濾烘干烘干粉碎粉碎改性原理：濕法化學(xué)改性，有機(jī)改性藥劑浸入晶片層間，浸出層間的雜質(zhì)，同時(shí)產(chǎn)生像離子交換、水化、物理或化學(xué)吸附等一系列反應(yīng)，使礦物產(chǎn)生大量的結(jié)構(gòu)孔隙或比表面積，從而提高其吸附性和選擇性吸附及離子交換能力。2、試說明硼氫化鈉法漂白高嶺土原理。答：漂白高嶺土最常用的方法之一,是用連二亞硫酸鈉或連二亞硫酸鋅作漂白劑,與高嶺土中的著色雜質(zhì)氧化鐵反應(yīng),把三價(jià)鐵還原成二價(jià)鐵。二價(jià)鐵易溶于水,通過濃縮、過濾、洗滌除去,從而提高高嶺土的白度。常用的還原劑除了連二亞硫酸鈉外，還有連二亞硫酸鋅，相比之下前者很不穩(wěn)定．后者則穩(wěn)定得多。但是用連二亞硫酸鋅漂白時(shí)會(huì)使廢水中鋅離子濃度過高，對(duì)江河水造成污染。為此，可采用硼氫化鈉還原法。這種方法實(shí)際上是在漂白過程中通過硼氫化鈉與其它藥劑反應(yīng)生成連二亞硫酸鈉，使高嶺土中剩余的鐵的氧化物如Fe2O3、FeOOH等被還原成可溶性二價(jià)鐵而除去，從而使這一類高嶺土得到漂白。具體過程為：在pH為7.0～10.0的條件下，將一定量的硼氫化鈉和NaOH與礦漿混合，然后通入SO2氣體。調(diào)節(jié)pH值在6～7，此pH值有利于在礦漿中產(chǎn)生最大量的連二亞硫酸鈉。再用H2SO3或SO2調(diào)節(jié)pH值到2.5～4，此時(shí)即可發(fā)生漂白反應(yīng)。生成連二亞硫酸鈉的反應(yīng)如下：NaBH4+9NaOH+9SO2=4Na2S2O4+NaBO2+NaHSO3+6H2O這種方法的本質(zhì)仍是連二亞硫酸鈉起還原漂白作用，但在pH6～7時(shí)，生成的大量連二亞硫酸鈉十分穩(wěn)定。在隨后的pH值降低時(shí)，連二亞硫酸鈉與高嶺土礦漿中的氧化鐵立即反應(yīng)，得到及時(shí)利用，從而避免了連二亞硫酸鈉的分解損失。3、闡述玻纖增強(qiáng)樹脂的種類及其特性。P269答：根據(jù)聚合物基體的化學(xué)結(jié)構(gòu)和加工性能的不同，可分為玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂和玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂。玻璃纖維增強(qiáng)熱固性樹脂具有以下特性：比重小而比強(qiáng)度高良好的耐腐蝕性能良好的電性能良好的熱性能此外，不同的玻璃鋼還要各自的特性，如環(huán)氧玻璃鋼的強(qiáng)度高于其他玻璃鋼，尺寸穩(wěn)定性也最好，收縮率只有1%-2%，耐久性好，因此是玻璃鋼綜合性能最好的一種。聚酯玻璃鋼最突出的優(yōu)點(diǎn)是加工性能好，可采用各種成型方法進(jìn)行加工成型，能制造大型異型構(gòu)件，可連續(xù)生產(chǎn)，其透光性好，透過率可達(dá)60%-80%，可制作采光瓦。酚醛玻璃鋼是三種玻璃鋼中耐熱性最好的一種，可以在200℃下長(zhǎng)期使用，還可在1000玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料具有以下特性：密度小比強(qiáng)度高。蠕變性等力學(xué)性能大大改善。采用玻璃纖維增強(qiáng)的聚酰胺，其抗拉、抗壓強(qiáng)度明顯提高，尤其是耐熱性得到了大幅度的提高，耐水性得到明顯的改善，吸水率和吸濕速度明顯下降。用玻璃纖維增強(qiáng)的聚丙烯，其機(jī)械強(qiáng)度大大提高，低溫脆性得以顯著改善，低溫時(shí)的抗沖擊強(qiáng)度也有所提高。用玻璃纖維增強(qiáng)的聚苯乙烯類塑料，耐沖擊性和耐熱性提高，其機(jī)械強(qiáng)度及耐高溫和低溫性、尺寸穩(wěn)定性均大有提高。4、以碳酸鈣為例說明粉體表面改性的工藝和原理。答：碳酸鈣是目前高聚物基復(fù)合材料中用量最大的無機(jī)填料。由于碳酸鈣填料為無機(jī)粉體，與有機(jī)高分子的相容性差，直接添加到高分子材料中難以均勻分散，還會(huì)影響材料的加工性能和力學(xué)性能，因此，一般在填充高分子材料之前要對(duì)其進(jìn)行表面改性處理。碳酸鈣的表面改性方法主要是化學(xué)包覆，輔之以機(jī)械力化學(xué)；使用的表面改性劑包括硬脂酸(鹽)，鈦酸酯偶聯(lián)劑，鋁酸酯偶聯(lián)劑等。表面化學(xué)包覆改性工藝有干法和濕法兩種。硬脂酸(鹽)是碳酸鈣最常用的表面改性劑，故又稱為聚合物表面包覆改性。干法改性是先將聚合物單體吸附在碳酸鈣表面，然后引發(fā)其聚合，從而在其表面形成聚合物包覆層，工藝流程見圖1；濕法改性是將聚合物溶解在適當(dāng)溶劑中，然后對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性，當(dāng)聚合物逐漸吸附在碳酸鈣顆粒表面上時(shí)排除溶劑形成包膜。這些聚合物定向吸附在碳酸鈣顆粒表面，形成物理、化學(xué)吸附層，可阻止碳酸鈣粒子團(tuán)聚，改善分散性，使碳酸鈣在應(yīng)用中具有較好的分散穩(wěn)定性。具體來講就是在水溶液中對(duì)碳酸鈣進(jìn)行表面改性處理。一般工藝過程，如圖2，是先將硬脂酸皂化，然后加入碳酸鈣漿料中，經(jīng)過一定時(shí)間的反應(yīng)后，進(jìn)行過濾和干燥。碳酸鈣在液相中的分散比在氣相中的分散較為容易。另外，通過加入分散劑，使其分散效果更好，因此，在液相中碳酸鈣顆粒與表面改性劑分子的作用更均勻。當(dāng)碳酸鈣顆粒吸附了硬脂酸鹽后，表面能降低，即使經(jīng)壓濾、干燥后形成二次粒子，其團(tuán)聚結(jié)合力減弱，不會(huì)形成硬團(tuán)聚，用較小的剪切力即可將其重新分散。利用超細(xì)粉碎過程的機(jī)械力化學(xué)作用也可對(duì)碳酸鈣粉體進(jìn)行表面改性，一般的工藝流程如圖3。碳酸鈣在超細(xì)粉碎過程中，由于機(jī)械力的作用，一方面粒度變細(xì)，與此同時(shí)，一部分機(jī)械能積聚在顆粒內(nèi)部，引起表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化，使碳酸鈣表面與表面改性劑的作用活性增加。因此在超細(xì)粉碎過程中添加表面改性劑和助劑可在超細(xì)粉碎過程中同時(shí)完成碳酸鈣的表面化學(xué)包覆改性。此過程中，硬脂酸鹽類改性劑與碳酸鈣表面的吸附機(jī)理為:碳酸鈣本身不含羥基,在粉碎過程中與附著在其表面的水分作用,并發(fā)生水解,產(chǎn)生一層具堿性的疏油的含羥基的表面,即表面上的羥基和改性劑分子的親無機(jī)端發(fā)生鍵合作用,生成改性的碳酸鈣粒子（答題要點(diǎn)是：表面化學(xué)包覆改性和機(jī)械化學(xué)改性的原理，見教材p97）5、說明高嶺土在高溫改性中的結(jié)構(gòu)及性能變化。答：①高嶺土煅燒溫度接近500℃時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的水分逸出。到650℃左右完成脫羥，這時(shí)水合硅鋁酸鹽變成主要有三氧化鋁和二氧化硅組成的煅燒陶土或偏高嶺土。②700℃~850℃的高嶺土，其高嶺土晶體形成了通向?qū)娱g的孔道，從而擴(kuò)大了吸附能力及其表面能力，可用于治?、?25℃時(shí)，偏高嶺石轉(zhuǎn)化為硅尖晶石，到1100℃④經(jīng)1300~1525℃煅燒的高嶺土，高嶺土晶體發(fā)生相變，形成莫來石，是生產(chǎn)耐火材料的主要方法，產(chǎn)品耐火度達(dá)到1770三、計(jì)算題（本題15分）某高嶺土含F(xiàn)e2O3，試根據(jù)下列試劑的標(biāo)準(zhǔn)電位，做出電位—pH圖，并說明哪些藥劑可作為脫鐵藥劑。A+2H++2e=2A，+2H2OE0298=0.134v；2B+2H++4e=B，+H2OE0298=0.892v；C+2H++4e=3C，E0298=0.593v；Fe3++e=Fe2+E029