Загрузить архив: | |
Файл: ref-22811.zip (372kb [zip], Скачиваний: 110) скачать |
Министерство Образования Российской Федерации
Пояснительная записка к курсовой работе по теме:
«Исследование механизма закрепления гексена, гексина-1 и бензола на поверхности киновари».
Сдал:
Проверил:
Магнитогорск
Содержание.
Введение
1. Строение и свойства киновари………………………………………………………4
Условия залегания в природе, наиболее крупные месторождения…………………………………………………………………………………4
Строение, электронная структура, кристаллическая решетка киновари…………………………………………........................................... 5
Физические и химические свойства киновари……………………......... 6
Применение киновари в народном хозяйстве……………………………… 7
Адсорбционные свойства поверхности киновари………………………… 7
2. Флотационные реагенты в процессах обогащения полезных ископаемых……………………………………………………………………………………….8
Назначение реагентов во флотационном процессе. Формы закрепления флотационных реагентов на поверхности минеральных частиц……………………………………………………………………….. 8
Реагенты-собиратели и пенообразователи для флотации киновари…………………………………………………………………………………………. 11
3. Исследование закрепления органических соединений (гексен, гексин-1, бензол)……………………………………………………………………………. 14
Заключение………………………………………………………………………………………………..16
Библиографический список……………………………………………………………........ 17
Введение
Целью выполнения данной работы является закрепление и углубление знаний о роли реагентов при флотационном обогащении полезных ископаемых и механизме закрепления флотационных реагентов на поверхности минералов, исходя из строения реагентов и флотируемых минералов.
В результате выполнения курсовой работы необходимо знать строение молекул флотационных реагентов, свободно разбираться во флотационных реагентах, уметь обоснованно подбирать реагенты-собиратели для флотации конкретного минерала (по данной работе ─ графита).
После детального изучения строения и свойств графита и химической природы адсорбируемых молекул (декан, деканол-1, декановая кислота) необходимо дать описание предполагаемого механизма закрепления молекул органических соединений различных классов на поверхности исследуемого минерала.
В заключении необходимо сделать вывод о прочности закрепления органических соединений различных классов на поверхности графита, указать какой из предложенных адсорбатов более приемлем для флотации этого минерала.
Месторождений киновари относятся исключительно к числу гидротермальных, образовавшихся при низких температурах. Известны примеры отложения киновари из горячих щелочных растворов, выходящих на поверхность земли (таковы, например, источники Стимбот в Неваде и Салфор-Бэнк в Калифорнии, США). Из рудных минералов в ассоциации с киноварью встречаются: часто антимонит (Sb2S3), пирит, реже арсенопирит (FeAsS), реальгар (AsS), иногда сфалерит, халькопирит и др. Из нерудных минералов, сопровождающих выделения киновари, распространены обычно кварц, кальцит, нередко флюорит, барит, иногда гипс и др.
В зонах окисления ртутных месторождений как вторичные минералы встречаются: метациннабарит в виде черных пленок, самородная ртуть и изредка хлориды ртути. Вообще же киноварь в окислительной обстановке, в отличие от многих других сульфидов, довольно устойчива. Этим обстоятельством обусловливается тот факт, что она нередко присутствует в россыпях, при промывке которых благодаря высокому удельному весу легко улавливается в шлихах.
Наиболее крупным месторождением в
СССР является Никитовское (в
Ряд небольших месторождений известен на Кавказе. Из них минералогический интерес представляет Хидешлепское, в котором киноварь ассоциирует е ярко-красным реальгаром AsS.
Более значительные месторождения установлены в Средней Азии, главным образом вдоль северных предгорьев Алайского и Туркестанского хребтов: Хайдарканское, Чаувайское и др. Киноварь находится здесь в ассоциации с кварцем, антимонитом, флюоритом, кальцитом, баритом и другими минералами в виде мелких зерен в рудных брекчиях.
Из иностранных месторождений большой
известностью пользуются
крупные месторождения Альмаден (Испания), Идрия (Словения).
КИНОВАРЬ — HgS.
Химический состав. Hg 86.2%, S 13.8%,. Посторонние элементы обычно связаны с механическими примесями.
Сингония тригональная; тригонально-трапецоэдрический вид симметрии 32, L3 3L2. Пр. гр. или с (по правой или левой винтовой оси), что сказывается на сильно выраженной способности вращения плоскости поляризации. Более слабая связь между этими цепочками обусловливает отчетливую спайность по призме {1010}.
Облик кристаллов. Киноварь встречается в виде мелких толстотаблитчатых по (0001) или ромбоэдрических кристаллов с гранями {1011}, {2025} и др. (рис. 1), иногда с гранями трапецоэдра. Характерные двойники по (0001) (рис. 2).
Рис. 1. Кристалл киновари. Рис. 2. Двойник киновари
r {1011} n{2021} x
{4263}
Рис. 3. Кристаллическая
решетка киновари
Агрегаты. Гораздо чаще наблюдается в виде вкрапленных неправильных по форме зерен, иногда в сплошных массах, а также в виде порошковатых примазок и налетов. Так называемая «печенковая руда» представляет собой скрытокристаллические массы, богатые посторонними землистыми и органическими примесями.
Электронная структура киновари:
S – сера
3s23p4
Hg – ртуть
5d106s2
Физические свойства.
Цвет киновари красный, иногда с свинцово-серой побежалостью. Черта красная. Блеск сильный полуметаллический. Полупрозрачна.
Твердость 2—2.5. Хрупка. Спайность по {1010} довольно совершенная. Удельный вес 8.09.
Прочие свойства. В отличие от метациннабарита, киноварь не проводит электричества.
Диагностические признаки. Киноварь довольно легко узнается по красному цвету, низкой твердости, высокому удельному весу и поведению перед паяльной трубкой.
Перед паяльной трубкой на угле возгоняется без остатка. Испарение начинается с температуры 200°. При нагревании в закрытой трубке образуется черный возгон, состоящий частью из HgS, частью из металлической ртути, а также налета серы. При нагревании в открытой трубке, то есть в присутствии кислорода, образуется металлическая ртуть, осаждающаяся на холодных стенках трубки в виде мельчайших шариков, по реакции: HgS + О2 = Hg + SO2. На этом основаны заводские методы получения ртути.
Химические свойства.
Растворяется в царской водке. Хлор вообще разлагает киноварь. Разлагается в растворах сульфидов едких щелочей; HNO3 и H2SO4 не действуют.
Является почти единственным источником получения ртути. Самородная ртуть в природе встречается сравнительно редко. Ртуть употребляется преимущественно для амальгамации золота, при добыче его из коренных руд, для изготовления химикалий, гремучей ртути Hg(CNO) — взрывчатого вещества для детонаторов и в физических приборах.
Связь в кристаллической решетке киновари – ионная, цепочки атомов Hg и S связанны между собой молекулярными связями. А внутри цепочек наблюдается ковалентная полярная связь. Ионная связь характеризуется электростатическим взаимодействием между узлами кристаллической решетки, занятыми ионами противоположного знака, образованными в результате практически полного перехода электронов от атома одного элемента к атому другого. Электропроводность ковалентных кристаллов изменяется в весьма широких пределах. Во многих случаях электроны, находящиеся в совместном владении взаимодействующих атомов, смещается к одному из атомов. Такую связь принято называть ковалентной полярной.
Поверхность минералов способна воздействовать не только с водой, но и с газами, особенно с кислородом, наиболее активным из них. При разрушении кристаллов киновари обнажаются сильные полярные связи, что хорошо объясняет относительную гидрофильность поверхности киновари в момент ее обнажения в течение короткого времени после этого. Однако спустя некоторое время на поверхности киновари начинает сорбировать кислород, всегда присутствующий в воде в растворенном виде. Первичное воздействие кислорода на поверхность сульфида вызывает его некоторую гидрофобизацию. Дальнейшее воздействие кислорода приводит к их окислению и сопровождается гидрофилизацией.
Если при разрушении кристалла рвутся сильные ионные и полярные связи, то образуется сильное электрическое поле. Энергия взаимодействия поверхности с полярными молекулами воды велика, а с неполярными молекулами воздуха мала. В результате поверхность минерала активно взаимодействует с молекулами воды, присоединяя их.
Киноварь весьма чувствительна к окислению.
Хорошо флотируется собирателями сульфгидрильного типа (ксантогенатами).
Так как поверхность киновари полярна, то закрепление реагентов на поверхности минерала будет происходить за счет физической адсорбции, но возможна и химическая адсорбция. Киноварь относится к II типу адсорбента по классификации А.В. Киселева (несущие локально сконцентрированные положительные заряды).
Таким образом, закрепление адсорбатов будет происходить за счет неспецифического и специфического взаимодействий.
Как и всякий процесс обогащения полезных ископаемых, флотация основана на различиях в свойствах разделяемых минералов. Возможность флотационных явлений обусловлена разницей в удельных свободных поверхностных энергиях на границе раздела фаз. В обычной наиболее важной в практическом отношениипенной флотации участвуют три фазы: вода, минерал, воздух. Назначением флотационных реагентов является направленное изменение поверхностной энергии на границе раздела этих фаз в целях изменения показателя флотируемости разделяемых минералов, числа и размера пузырьков воздуха, прочности пены. Прогресс в области флотационного обогащения в значительной мере определяется совершенствованием реагентного режима, улучшением способов использования флотационных реагентов, разработкой и внедрением новых эффективных реагентов и их сочетаний.
Реагенты, применяемые при флотации, обеспечивают высокую избирательность, стабильность и эффективность флотационного процесса, а также создают наибольшие возможности совершенствования и интенсификации этого метода обогащения. Без применения флотационных реагентов флотация практически невозможна.
Воздействие флотационных реагентов позволяет в широком диапазоне изменять поверхностные свойства минералов, что делает флотацию наиболее универсальным методом обогащения полезных ископаемых.
Состав флотационных реагентов весьма разнообразен. В их число входят органические и неорганические соединения, кислоты и щелочи, соли различного состава, вещества, хорошо растворимые и практически нерастворимые в воде. В зависимости от назначения реагенты классифицируют следующим образом.
Собиратели (коллекторы). К собирателям относятся органические соединения, избирательно воздействующие на поверхность частиц определенных минералов и гидрофобизирующие ее. Концентрируясь на поверхности раздела минерал – вода, собиратели гидрофобизируют частицы минерала и тем обеспечивают необходимое прилипание их к воздушным пузырькам.
Схема строения гетерополярной молекулы реагента-собирателя (а) и характера ее закрепления на поверхности минерала (б).
Пенообразователи. Пенообразователи – поверхностно-активные вещества, которые, концентрируясь на поверхности раздела вода – воздух, способствуют сохранению воздушных пузырьков в дисперсном состоянии. Пенообразователи увеличивают устойчивость флотационной пены повышением стабильности минерализованного пузырька, всплывающего на поверхность пульпы.
Регуляторы. Основным назначением реагентов этого класса является регулирование действия собирателей на частицы минералов, в результате которого повышается избирательность (селективность) флотационного процесса. В присутствии регулятора и благодаря его воздействию собиратель гидрофобизирует преимущественно лишь те минералы, которые должны переходить в пену. В зависимости от целевого назначения в процессе флотации в каждом конкретном случае различают:
· активаторы, к которым относятся реагенты, способствующие закреплению собирателя на поверхности, гидрофобизации поверхности и флотации извлекаемого минерала;
· депрессоры (подавители), к которым относятся реагенты, понижающие флотируемость тех минералов, извлечение которых в пенный продукт нежелательно в данной операции;
· реагенты-регуляторы среды, к которым относятся реагенты, влияющие на процессы взаимодействия собирателей, депрессоров и активаторов с минералами. Основное их назначение – создание оптимального pH пульпы, т.к. флотация каждого минерала наиболее эффективно происходит при строго определенном pH-среды. А также применяется для регулирования ионного состава пульпы и для нейтрализации вредного влияния шламов.
В большинстве случаев закрепление реагентов как на поверхности воздушных пузырьков, так и минеральных зерен происходит путем адсорбции реагентов на соответствующих поверхностях раздела фаз.
Адсорбцией называется повышение или понижение концентрации того или иного вещества – адсорбата – на поверхности раздела фаз. Вещество, на поверхности которого происходит адсорбция, называется адсорбентом, а поглощаемое из объемной фазы – адсорбатом (адсорбтивом).
Применение реагентов во флотации связано в большинстве случаев с закреплением их на поверхности минеральных частиц и воздушных пузырьков и происходит путем физической или химической адсорбции.
Имеют место общие особенности физической адсорбции и хемосорбции и в то же время различия между ними.
Общей особенностью физической и химической адсорбции является то, что как та, так и другая представляют собой самопроизвольные процессы, сопровождающиеся уменьшением свободной энергии системы и, как правило, выделением определенного количества тепла.
Принципиальное отличие физической адсорбции от химической состоит в том, что при физической адсорбции адсорбированное вещество и кристаллическую решетку адсорбента следует представлять как две независимые системы; при химической – адсорбированное вещество и кристаллическая решетка в энергетическом отношении должны рассматриваться как единое целое. Закрепление реагента на кристаллической решетке и связь между ними при химической адсорбции обусловлены переходом электронов от адсорбированного атома к решетке (или обратно) или же обобществлением электронов атомами решетки и адсорбированными атомами.
При физической адсорбции связь с кристаллической решеткой осуществляется силами межмолекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Это притяжение, существующее между молекулами в любых условиях, складывается из трех компонент (эффектов): ориентационного взаимодействия, вызываемого притяжением между жесткими (постоянными) диполями, если они имеются в данных молекулах; индукционного взаимодействия, представляющего собой притяжение между постоянными диполями и молекулами с индуцированными диполями (возникшими под влиянием постоянных диполей); дисперсионного взаимодействия, вызванного притяжением между диполями, возникающими в атомах и молекулах вследствие того, что при перемещении их электронов в некоторые моменты времени создается асимметрия в расположении последних по отношению к ядру. Таким образом, физическая адсорбция не сопровождается электронными процессами, характерными для хемосорбции. Из этого принципиального различия между физической и химической адсорбцией вытекают и другие различия между ними, имеющие значение для правильной оценки и понимания взаимодействия реагентов с минералами:
Принципиальные собиратели киновари: ксантогенаты, аэрофлоты.
Ксантогенаты.
Общая формула ксантогената ROCSSK, где R — углеводородный радикал С2Н5, С3Н7, С4Н9, C5H11, C6H13 и т. д. Ксантогенаты — порошкообразные вещества с содержанием основного вещества не менее 86%.
Ксантогенаты получают при взаимодействии сероуглерода, спиртаи щелочи по реакции:
ксантогенаты щелочных металлов представляют собой твердые кристаллические вещества от белого до желтоватого цвета, хорошо растворимы в воде. Характерный запах ксантогената объясняется присутствием в них малого количества меркаптанов.
Ксантогенаты являются основными собирателями при флотации сульфидных руд.
Как основной собиратель амиловый ксантогенат широко применяется при флотации медно-никелевых руд в Канаде и Финляндии. Гексиловый ксантогенат применяют на нескольких фабриках в ФРГ (медно-свинцово-цинковые руды). Этиловый ксантогенат как основной собиратель применяют в США (для 50% свинцово-цинковых и медно-молибденовых руд), Австралии и Италии (свинцово-цинковые руды). В отсутствии реагентов-регуляторов ксантогенаты неселективны. Дозируют в операцию перемешивания перед флотацией или непосредственно во флотацию.
Аэрофлоты.
Это эфиры тиофосфорных кислот с различными радикалами предельного, непредельного или ароматического ряда.
Если R – ароматический, то есть является остатком спиртов этилового, пропилового, бутилового или амилового, то получают спиртовые аэрофлоты (сухие).
Если R – ароматический, то получают фенольные аэрофлоты (жидкие). Исходными продуктами являются фенол, крезол, ксиленол.
Сухие аэрофлоты – это порошкообразные вещества хорошо растворимые в воде, не обладают пенообразующими средствами. Фенольные аэрофлоты – маслянистые темные жидкости, токсичные, при разложении выделяют сероводород, на коже оставляют ожоги, являются хорошими собирателями одновременно обладают пенообразующими свойствами. Получили широкое применение при флотации руд цветных металлов, иногда совместно с ксантогенатами, особенно в США.
Пенообразователи.
Принципиальные пенообразователи: сосновое масло, ОПСБ.
Сосновое масло.
Содержит терпинеол С10Н17ОН около 40%, борнеол, камфору, углеводороды и др. Содержание спиртов при пересчете на терпинеол 50─65% соответственно марки МСЭФ-2 и СМЭФ-1.
Это жидкость, цвет от светло- до темно-желтого, плотность при 20 0С 0.91─0.94. Средний расход 20─90 г/т. Способ дозирования ─ в натуральном виде.
Область флотационного применения: флотация медных, медно-молибденовых, медно-цинковых, свинцово-цинковых и медно-свинцово-цинковых руд, минерального сырья (апатит, графит, гипс, сера, тальк и др.) и окисленных руд цветных и редких металлов.
Примечания: в России производится из пневого осмола. Обладает недостаточной селективностью. При флотации медно-цинковых, медно-свинцово-цинковых и свинцово-цинковых руд вытесняется более селективными пенообразователями.
ОПСБ.
Оксид пропилена + спирт бутиловый. Получают из оксида пропилена и спирта бутилового в автоклаве непрерывного действия в присутствии едкого натра как катализатора.
В отдельной емкости готовят «алкоголят», растворяя щелочь в бутаноле. Затем через гомогенный раствор щелочи и спирта пропускают оксид пропилена под давлением 100 Па. При этом получается смесь монобутиловых эфиров полипропиленгликолей:
Не прореагировавший бутанол и низкомолекулярные продукты (n=1-2) отгоняют и возвращают в процесс, остаток от разгонки (n=3-5) представляет собой пенообразователь ОПСБ.
Флотация медных, молибденовых, медно-молибденовых и др. руд. Наиболее эффективен при флотации руд грубого помола, особенно при введении в пульпу аполярных масел. Перспективно применение в смеси с другими пенообразователями, например с терпинеолом, диметил-фталатом.
Гексен C6H12 - непредельный углеводород (класс алкены). К этому классу относятся углеводороды, в молекулах которых имеется одна двойная связь. Атомы углерода при двойной связи находятся в sp² - гибридизации, все остальные атомы углерода в sp³ - гибридизации.
В sp² - гибридизации участвуют 1s-орбиталь и 2p-орбитали атома углерода. Образуются 3 гибридные орбитали, которые расположены в одной плоскости под углом 120˚ друг к другу и направлены к вершинам правильного треугольника. Одна p-орбиталь остается негибридизованной. При перекрывании двух p-орбиталей соседних атомов углерода над и под плоскостью, в которой расположены σ-связи, образуется двойная химическая связь – π-связь. Орбитали, образующие π-связь, располагаются перпендикулярно плоскости молекулы.
π-связи менее прочные, чем σ-связи, они легко разрываются. Двойная связь короче одинарной, а ее энергия больше, поэтому она более прочная.
CH2=CH-(CH2)3-CH3 – гексен (гексен-1)
Гексен – жидкость, температура плавления – -139.8 0С, температура кипения – 63.5 0С, относительная плотность при 20 0С – 0.673. Гексен легче воды и плохо растворим в ней. Молекула гексена слабополярна.
Взаимодействие гексена с поверхностью киновари осуществляется при помощи дисперсионного и индукционного взаимодействия. Индукционное взаимодействие возникает между полярной молекулой, у которой дипольный момент не равен нулю, и неполярной молекулой с дипольным моментом равным нулю.
Гексин-1 C6H10 - непредельный углеводород (класс алкины). К этому классу относятся углеводороды, в молекулах которых имеется одна тройная связь. Атомы углерода при тройной связи находятся в sp - гибридизации, все остальные атомы углерода в sp³ - гибридизации.
В sp - гибридизации участвуют 1s-орбиталь и 1p-орбитали атома углерода. Образуются 2 гибридные орбитали, которые расположены в одной плоскости под углом 1800 друг к другу.
Две p-орбитали не участвуют в гибридизации и располагаются во взаимно перпендикулярных плоскостях. При боковом перекрытии с подобными орбиталями другого атома углерода образуется две п-связи.
Простая связь в молекуле ацетилена включает 1 σ-связь и 2 п-связи.
π-связи менее прочные, чем σ-связи, они легко разрываются. Тройная связь короче одинарной, а ее энергия больше, поэтому она более прочная.
CH-(CH2)-CH3 – гексин (гексин-1)
Гексин-1 – жидкость, температура плавления – -132.0 0С, температура кипения – 71.4 0С, относительная плотность при 20 0С – 0.716. Гексен легче воды и плохо растворим в ней.
Взаимодействие гексина-1 с поверхностью киновари осуществляется при помощи дисперсионного взаимодействия.
БензолС6Н6— бесцветная жидкость с характерным запахом, легче воды (удельный вес 0.88), с температурой кипения 80 0С. Приохлаждении ниже температуры +6 0С затвердевает в кристаллическую массу. Плохо растворяется в воде, хорошо смешивается с другимиорганическимижидкостями. Бензол является хорошим растворителем для смол, жиров и масел. Пары его ядовиты и при вдыхании вызывают отравление.
При полном сгорании бензола выделяется большое количество тепла, причем горение сопровождается выделением копоти (это свойство используют при промышленном добывании сажи). По отношению к сильным окислителям (КМnО4 и т. д.) бензол очень стоек. Пары бензола с воздухом образуют взрывчатую смесь, дающую при зажигании взрыв.
Взаимодействие бензола с поверхностью киновари осуществляется при помощи дисперсионного и ориентационного взаимодействия.
Закрепление флотационных реагентовна поверхности киновари происходит за счет физической и химической адсорбции, так как киноварьпо классификации А.В. Киселёва относится к II группе адсорбента, то возможность как специфического, таки неспецифическое взаимодействий.
Гексин-1 будет закрепляться на поверхности киновари менее прочно, так как он закрепляется только за счет дисперсионного взаимодействия.
Гексен закрепляется на поверхности киновари лучше гексин-1, но хуже бензола, так как адсорбция происходит за счет индукционного и дисперсионного взаимодействия.
Бензол прочнее всех закрепляется на поверхности киновари, адсорбция происходит за счет ориентационного и неспецифического взаимодействий.
Библиографический список
М.: Недра, 1984.
М.: Недра,1991.
М.: Высшая Школа,1978.
М.: Недра, 1981.
М.: Недра, 1990.