选矿工程

选矿工程的研究内容是将低品位的矿物进行加工、提纯，主要目的是提高矿物的品位，去除矿物的杂质，例如去除煤炭中的灰分、硫、磷等杂质。选矿工程的对象主要有金属矿石、煤炭等，选矿的手段主要是物理方法和化学方法。

物理方法

重力選礦

利用不同礦物比重差異的物理性質，將有價礦物富集的方法，稱為重力選礦法或比重選礦法。

水流選礦法

• 絕對法--僅利用不同礦物本身所具比重的差異，將輕於重液的礦物浮起，而重於重液的礦物下沉，分離成不同比重的礦物群，如此僅使用重液浮力的選礦法稱之。
• 相對法"(多種力量法)"

另外不僅以礦物的比重差異為主要分離依據，且就其礦粒大小、礦粒形狀之不同，在流體中之流動以及摩擦阻力所產生之影響為輔助 因素，使其分離富集的方法，因匯集幾種影響因素的力量達到選礦目的。 此類選礦方法都在水流中進行，所以又稱為水流選礦法。依水流方向可分為：

1. 垂直流選礦法--係利用昇流或降流水流選礦的方法，如波震機(Jig)所採用之原理。
2. 平流選礦法--利用與分離面(Separating Surface)平行的水流選礦的方法，如洗桌(ShakingTable)選礦法以及螺旋運動的水流如螺旋選礦法(Spiral Concentration)。

雖然在理論上分離之礦石粒度不受限制，但是當粒度過小之礦粒，在重液中之沉降速度變小，或受重液黏性之影響，實際上無法達到 分離之目的。因此此種選礦法除受到礦物之比重差與重液之比重外，處理之礦石粒度與重液之黏性也是重要的因素。 一般重力方式處理之粒度下限為2-3mm，常用之上限為30-50mm，大者可達100mm以上，而離心式重液選礦則可處理下限0.5mm，上限為 20mm左右之礦粒

礦石之比重大都大於水，因此選用之液體都大於水的重液，所以稱為重液選礦法(Heavy Medium Separation)。其產品為浮起或下 沉，故又稱為浮沉選礦法(Sink and Float Process)。 所使用之重液有兩種：

• 真重液：為真正之溶液，有可能是各種可溶性大的鹽類所溶成的溶液，例如氯化鋅溶液、氯化鈣溶液，有可能是高比重之有機溶液，例 如四氯化碳、四溴乙烷等。此類重液可保持長時間的物理穩定性，但由於價格貴，操作損失無法全部回收，使操作的成本提高，而且有腐蝕性與毒性，因此很少 在大量生產操作中使用，僅用在實驗室之研究工作中。
• 擬重液為一種懸浮液"(Water Suspension)"，係由水與懸浮於其中之微細固粒為介質所構成，由於介質懸浮於水中 之穩定性不易保持，須設計適當之裝置使其保持懸浮狀態，以利浮物與沉物之分雕，其作用殆與真重液無異。所用介質之價格較便宜，可以回收再使用，無毒性與腐蝕性，而且可調配廣泛之比重液(1.58-3.80)之優點，實際應用於工業操作 上。

擬重液與均質真重液不同，它的比重和粘性可以隨加重質的性質和含量不同而變化。此外，擬重液在靜置時容易發生沉澱，因此還有一個 保持穩定性的問題。擬重液的比重、粘度和穩定性三方面性質是互有關聯的。其中比重是決定分離的關鍵性因素，但是對實際的分離和穩 定性均有影響的卻是擬重液的粘性。

磁力分選

在眾多的礦物中，有些礦物具有被磁鐵吸引的性質(即是具有磁性)，其被吸引之強度是受到礦物本身的性質、磁鐵的強度以及兩者相距之 距離所支配。用礦物磁性之有無而分選礦物之方法稱為磁力選礦法 (Magnetic Separation)。 磁選主要用來分選或精選磁鐵礦、磁硫鐵礦以及鈦鐵礦等強磁性礦物也可用強磁磁選機分選含鎳礦物、氧化錳礦等。工業礦物中所含少量 鐵礦物或含鐵礦物之去除也是磁選的主要應用之一。目前其用途更擴大到污水淨化、煙塵以及廢氣淨化等防污染方面。另外由於強磁磁選 機之不斷開發，將來有可能利用反磁性物之性質進行磁選分離。

• 反磁性物：金屬鉍
• 順磁性物：為磁鐵所吸，即會被吸引至磁場強度較大處。
• 強磁性(Ferromagnetic)礦物：磁鐵礦、鈦鐵礦等磁性較強的礦物。
• 弱磁性(Weakly Magnetic)礦物：赤鐵礦，菱鐵礦及許多含鐵、錳、鎢、鉻等的礦物。
• 非磁性(Nonmagnetic)礦物：而脈石如石英、石灰石等的磁性非常微弱，乃稱之

礦物之磁性強度可由殘留磁$J$與帶磁率$K$來決定。礦物磁性愈強愈容易被磁極所吸引。同一磁性之礦物其粒度越大感應所生成之磁距$M$ 也越大($M=JV$)， 且越容易被吸引，但其粒度卻與重量有關。因此粒度也不能大過作用於它的磁力。在實際的操作上，以 1-5mm 左右之礦粒大小為最適宜。

原理

• 磁極強度是以磁束密度$B$來表示，磁極愈強愈容易將礦粒吸引。磁選機所使用的磁極有永久磁鐵與電磁極兩種。
• 礦粒被磁極吸引的作用力是依庫侖定律。若所使用的為兩平極，兩極間各處磁力強度均勻， 在兩磁極間之礦粒不易移動，因此要使礦粒吸引至磁極，必須考慮磁極之強度要產生差異，將其中一極之形狀改成尖狀極(V- Shaped Pole)， 則靠尖狀處之磁 力較強，成為一極集中磁場。另外也可在一極上夾入無磁性之材料，相間疊作成層狀極也能集中磁力，此型多用於轉輪磁極。

物質的感磁係數與導磁係數均可用實驗測定，或測定其一，並求出另一數值。此性質，對磁力選礦至關重要。

靜電選礦機主要有：

1. 板式：帶電荷之礦物在分別帶正電荷及負電荷兩極板之間落下，由於同性電荷者相拒，異性電荷相吸，使帶不同電荷之礦物分開。
2. 筒式：給礦接觸帶電轉筒(Electrified Roll)後，電導性礦物即由轉筒傳得相同的電荷，整個礦粒所帶的電荷與轉筒者相同，因此被排斥，乃落至導體礦物槽中。非電導性礦物則只與筒接觸的部份才帶與筒相同的電荷，其他部份由於誘導作(Induction)，皆帶與筒相異的電荷，因 此非電導性礦物礦粒整體而言。不但無相拒作用，且有相吸之力，乃落入非導體礦物槽中。有在轉筒的前方另置一固定筒，並使帶與轉筒 相異的電荷，以吸引電導性礦物，增大其行程者，此為雙筒(Double Roll〕靜電選礦機。亦有在轉筒前置電極使轉筒生誘導電者。

• 高壓電力選礦機：在帶電筒前方置放電電極，其電壓一般用16000~30000伏特。礦物接受放電而帶電荷，被帶異電荷之轉筒所吸引。電導性礦物接觸轉筒後電荷中和，隨又帶與轉筒之同性電，因此被排斥落下。

非電導性礦物則只有當接觸到轉筒，其電荷才被中和，並帶與轉筒相同電荷。大部份未接觸到轉筒的部份仍帶異性電荷，故被吸引，跟著轉筒旋轉，直至轉筒後方被刷子刷下。

浮選

浮選，最重要的分選方法，其在西元 1906 年被申請專利。浮選主要根據礦物表面性質不同，以達到分選的目的。 最早被用來處理硫化 礦物，而近年來已廣為應用於氧化礦物、非金屬礦物、或廢水處理等方面。

原理

礦物的可浮性與其"對水的親和力大小"$F$有關。如$F$大，則礦物容易為水所潤濕，因此難附著在氣泡上。相反的，$F$小，亦即表面為疏水性，易與氣泡黏結而上浮。 此等因礦物表面性質而造成顆粒上浮的難易稱之為"可浮性" 。 大部分的礦物均為親水性，僅少部分的礦物如：石墨、硫磺、輝鉬礦、金剛石、滑石、煤等為天然浮起性礦物。 浮選即為利用礦物表面性質與氣泡黏附之差異性而達到分 選的目的。

浮選方法建立在固體"(礦粒)"、液體"(溶液)"、氣體"(氣泡)"三相界面關係上。 首先在浮選槽中加入礦粒及水形成礦漿。礦粒的表面有效的陽離子格點在 水中遇水，水化產生水合物。這些水合物的多寡與主控的 pH 值有密切的關係。當捕集劑(見下文）加入後，捕集劑的極性基會吸附在礦粒表面水合物 上，而另一端疏水性的非極性基則朝向外側。吸附的種類有二：

1. 物理性吸附-為正負離子以凡得瓦爾力吸引，
2. 化學性吸附-以共價鍵形成化合物

礦粒表面如有足夠的格點並吸附有足夠的捕集劑，會使得礦粒表面形成疏水性。 礦粒因攪拌作用而游走浮選槽內，須與氣泡碰撞而產生黏結。若未產生碰撞，則不可能有成功的浮選。當礦粒與氣泡互相接近時，會將二者之間的液體排出而 形成一個液體薄膜。此薄膜若是穩定不破，則礦粒無法沾附在氣泡表面。形成疏水性之礦粒有助於造成薄膜的不穩定而破損，礦粒因而沾 附在氣泡上，並形成穩定的三相平衡。此時氣泡負載著礦粒上浮而達到浮選分離的目的。 在上浮的過程中，如遇過大攪拌渦流所產生的離心力、減切力或因較大礦粒撞擊氣泡使氣泡產生劇烈的變形震動等，仍會造成礦粒脫附掉離。

浮選的藥劑

浮選的藥劑依其功能可分為：

1. 起泡劑：起泡劑通常為有機物，其功用在提高氣泡的穩定性與壽命，使氣泡升至礦漿表面時不會立即破滅。常用的起泡劑有松節油、戊醇、甲酚等。
2. 捕集劑：通常亦為異極性之有機物，其分子有極性基與非極性基，極性基與礦物發生作用，非極性基則為疏水性，從而提高礦物表面疏水性。使欲上浮的礦粒易附著於氣泡上。一般常用者為化學捕集劑，如陰離子捕集劑包括脂肪酸、皂類、黃酸鹽等。陽離子捕集劑包括有胺類等。
3. 調整劑：有促進或消除某捕集劑對某礦物的作用，其包括有活性劑、抑制劑、清潔劑、硫化劑、pH 調整劑等。

浮選的流程

浮選的過程可以分為以下四個步驟：

A. 餵礦:
①礦漿的餵入
②氣泡的餵入

↓

B. 礦粒與氣泡的沾附(attachment)
①礦粒與氣泡的碰撞(collision) 
②礦粒黏結(adhesion)至氣泡上 
③礦粒由氣泡上脫附(detachment)

↓

C. 礦漿與泡沫間的運搬作用
①將負載有礦粒的氣泡運搬至氣泡層 
② 直接夾帶礦粒進入氣泡層
③ 部分礦粒因氣泡破裂返回礦漿中

↓

D. 移出浮選的產品
① 移出精礦
② 移出尾礦

參見

• [1]資源處理

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