矿石元素赋存状态分析测试

矿石和选矿产品中元素的赋存状态是工艺矿物学研究的基本任务之一 。元素在矿石中的赋存形式与其自身的晶体化学性质及其形成时的物理、化学条件有关。元素的赋存状态包含两个含义: 即元素的赋存和元素的状态两个方面。元素的赋存就是矿石或选矿产品中有益、有害元素分布在哪种矿物里面。状态就是指元素在矿石中以何种形式存在。通过对元素赋存状态的研究, 查明元素在矿石中的存在形式和分布规律,对选矿工艺的选择和优化具有重要意义。元素在矿石中的赋存状态或存在形式是地质作用的产物,它反映了矿床形成的历史,它与地球化学、晶体化学、矿物学、结晶学、矿床学等基础地质学科有着密切关系。元素赋存状态研究不仅是地质人员研究元素地球化学规律、 成矿物理化学条件和矿床成因等的重要依据,也是选矿工艺研究人员制订工艺流程、 评价选矿产品质量的科学依据。矿石中有价元素的可利用性不仅取决于元素在矿石中的含量,还取决于元素的赋存状态 。

1 元素在矿石中的赋存状态

某种元素在矿石中的产出形式与其自身的晶体化学性质和形成的物理、化学条件有关,元素在矿石中的赋存状态可划分为3种主要的产出形式,即独立矿物形式、类质同象形式和吸附形式 。

A 独立矿物

当元素呈独立矿物形式存在时, 该元素构成了矿物的主要和稳定的成分之一,并占据矿物晶格的特定位置。如铜的独立矿物有黄铜矿、辉铜矿、赤铜矿、黑铜矿、赤铜铁矿、孔雀石、蓝铜矿、磷铜矿等。

B 类质同象

类质同象是元素在矿物中的一种较常见的赋存形式,它是指在矿物晶格中类似质点间相互替代而不改变矿物结构的现象。呈类质同象形式产出的元素与独立矿物形式不同,这类元素通常不是矿物晶格中的主要和稳定的成分, 而是由于其结晶化学性质与矿物中的某个主元素的结晶化学性质相似, 在一定的条件下,以次要元素或微量元素的形式进入矿物晶格, 这些元素进入矿物晶格后不改变矿物的晶体结构 。

如果矿物相互替换的质点成任意比例无限替换, 称为完全类质同象。例如, 钨铁矿晶体中 Fe2+被Mn2+替代的数量,可以从零一直变化到,亦即Zui后达到纯的 MnW04, 即钨锰矿。其两端的纯组分, 称为端员矿物,如上所述的钨铁矿和钨锰矿。

如果相互替换的质点只局限于一个有限的范围内, 称为不完全类质同象。例如, 在钾长石 K[ AISi308]中可有部分 K+被Na+替代, 在钠长石 Na[AISi308]中也可有部分的 Na+被 K+替代。再如,在闪锌矿ZnS中,可有Fe2+替代部分的Zn2+ ,但替代量不超过约45% (分子数) 。钾一钠长石系列和闪锌矿一铁闪锌矿系列都属于不完全类质同象系列。

一些在地売中丰度很低的稀有元素,往往以类质同象替代的方式进人适当的其他化合物的晶格中,形成不完全类质同象,它们的替代量都非常小。这种微量元素以不完全类质同象形式替代晶体中主要元素的现象,在地球化学中特称为内潜同晶; 而这些替代元素则常被称为类质同象杂质。

在类质同象替換中常把次要成分称为类质同象混入物 。当相互替换的质点电价相称为等价类质同象。例如,前述的黑钨矿(Mn2+与Fe2+相互替代)、钾一钠长石系列(K+与 Na+相互替代)。如果替换的质点电价不同,称为异价类质同象。例如霓辉石,其(Na,Ca)(Fe3+,Fe2+) [Si206]中的 Ca2+与 Na+以及 Fe2+与Fe3+之间均为异价的替代关系。任何异价类质同象混晶的类质同象替代必须有电价补偿, 以维持电价的平衡。如霓辉石中,每有一个Fe2+帶代一个 Fe3+ , 就有一个 Ca2+替代一个 Na+ 。

稀散元素本身不形成独立矿物,只能以类质同象混入物的状态分散在其他矿物中,如闪锌矿中的稼、 輝钼矿中的铼、 黄铁矿中的钴等,由于这些元素含量通常极少, 一般在化学式中不表现出来 。这些稀散元素一般先选载体矿物再用冶金方法回收 。

C 吸附形式

呈吸附形式产出的元素是指元素呈吸附状态存在于某种矿物中, 根据其吸附的性质分为物理吸附、化学吸附和交換吸附。呈吸附形式产出的元素可以是简.単阳离子、配阴离子或胶体粒子,其载体矿物主要与黏土矿物和氧化铁、氧化锰等胶体矿物有关。因为这些矿物表面常带有电荷, 易于吸附其他质点 。例如:我国华南地区的离子吸附型稀土矿床, 其特点是稀土元素以简单的阳离子形式被多水高岭石和高岭石等黏土矿物吸附;铁帽型金矿中,褐铁矿Fe203 · nH20呈正胶体,其表面往往吸附带负电荷的金胶体微粒[mAu°+nAu(0H)3+Au(0H)4 ]。