粉体工程是指以粉体颗粒为研究对象,采用现代加工技术和传统方法进行粉碎、合成、加工、处理等一系列工程技术,涵盖的内容不仅包括粉碎、粉磨、超细、纳米化的机械加工技术,还包括采用化学方法、化学和物理方法结合的粉体制备技术,以及粉体制备设备、分散技术、材料表征、复合材料形成机理等,目的在于使材料尺寸变化并改善原料性质,以更好地应用在化工、建材、纺织、冶金、陶瓷、食品、矿业、医药、电子、航空航天、燃料、造纸等许多领域。

本书以粉体工程基本理论为基础,从粉体颗粒粒度和形状的表征、粉体颗粒群的聚集特性、粉体的力学特性等方面出发,以粉体工程的单元操作为主线,详细介绍了物理法和化学法粉体材料的制备过程,重点论述物理法中的粉碎、分级以及化学法制备粉体材料的基本原理和工艺过程;同时系统地介绍了粉体材料的输送、分散、混合、造粒、表面改性、过滤、干燥等过程的基本原理、方法、设备和应用特点。本书的核心内容是粉体制备的基本原理及方法,创新点为突出超细粉体材料,特别是纳米粉体材料的制备,实现了普通粉体材料与高新技术的结合。

本书由东北大学韩跃新教授主编,副主编有中南大学的杨华明教授、广西大学的马少健教授、北京科技大学的孙春宝教授。具体编写分工为:第1章、第7章、第11章由东北大学韩跃新、朱一民编写;第2章由河北联合大学白丽梅编写;第3章由昆明理工大学刘全军编写;第4章、第5章由广西大学马少健编写;第6章、第8章由中南大学杨华明、欧阳静编写;第9章、第10章由北京科技大学孙春宝、林海编写。韩跃新教授对全书进行了详细的审阅。在编写过程中,参考了大量的资料文献,在此向这些文献的作者们表示谢意。

编者

2011年9月

“人口、 发展与环境”是21世纪人类社会发展过程中的重要问题, 矿物资源是人类社会发展和国民经济建设的重要物质基础。从石器时代到青铜器、 铁器时代, 到煤、 石油、 天燃气, 到电能和原子能的利用, 人类社会生产的每一次巨大进步, 都与矿物资源利用水平的飞跃发展密切相关。

人类利用矿物资源已有数千年历史, 但直到 19世纪末至20世纪20年代, 世界工业生产快速发展, 使生产过程机械化和自动化成为现实, 对矿物原料的需求也同步增大, 造成了“矿物加工”技术从古代的手工作业向工业技术的真正转变, 在处理天然矿物原料方面获得大规模工业应用。

特别是20世纪90年代以来, 我国正进入快速工业化阶段,矿产资源的人均消费量及消费总量高速增长, 未来发展的资源压力随之加大。我国金属矿产资源总量不少, 但禀赋差、 品位低、 颗粒细、 多金属共生复杂难处理, 矿产资源和二次资源综合利用率都比较低。

矿物加工科学与技术的发展, 需要解决以下问题。

(1)复杂贫细矿物资源的综合回收: 随着富矿和易选矿物资源不断开采利用而日趋减少, 复杂、 贫细、 难处理矿产资源的开发利用成为当前的迫切需要。

(2)废石及尾矿的加工利用: 在选矿过程中, 全部矿石经过碎磨, 消耗了大量原材料和能源, 通常只回收占总矿石质量10%~30%的有用矿物, 大量的伴生非金属矿不仅未能有效利用, 并且当作“废石”和“尾矿”堆存成为环境和灾害的隐患。

(3)二次资源: 矿山、 冶炼厂、 化工厂等排出的废水、 废渣、 废气中的稀有、 稀散和贵金属, 废旧汽车、 电缆、 机器及废旧金属制品等都是仍然可以利用的宝贵的二次资源。由于一次资源逐步减少, 二次资源的再生利用技术的开发无疑成了矿物加工领域的重要课题。

(4)海洋资源: 海洋锰结核、 钴结壳是赋存于深海底的巨大矿产资源, 除富含锰外, 铜、 钴、 镍等金属的储量也十分丰富, 此外, 海水中含有的金属在未来陆地资源贫化、 枯竭时, 也将成为人类的宝贵资源。

(5)非矿物资源: 城市垃圾、 废纸、 废塑料、 城市污泥、 油污土壤、 石油开采油污水、 内陆湖泊中的金属盐、 重金属污泥等, 也都是数量可观的能源资源, 需要研发新的加工利用技术加以回收利用。

面对上述问题, 矿物加工科技领域及相关学科的科技工作者不断进行新的探索和研究, 矿物加工工程学与相邻学科的相互交叉、 渗透、 融合, 如物理学、 化学与化学工程学、 生物工程学、 数学、 计算机科学、 采矿工程学、 矿物学、 材料科学与工程已大大促进了矿物加工学科的拓展, 形成各种高效益、 低能耗、 无污染矿物资源加工新知识、 新技术及新的研究领域。

矿物加工的主要学科方向有:

(1)浮选化学: 浮选电化学; 浮选溶液化学; 浮选表面及胶体化学。

(2)复合物理场矿物分离加工: 根据流变学、 紊流力学、 电磁学等研究重力场、 电磁力场或复合物理场(重力+磁力+表面力)中, 颗粒运动行为, 确定细粒矿物的分级、 分选条件等。

(3)高效低毒药剂分子设计: 根据量子化学、 有机化学、 表面化学研究药剂的结构与性能关系, 针对特定的用途, 设计新型高效矿物加工用药剂。

(4)矿物资源的生化提取: 用生物浸出、 化学浸出、 溶剂萃取、 离子交换等处理复杂贫细矿物资源, 如低品位铜矿、 铀矿、 金矿的提取, 煤脱硫等。

(5)直接还原与矿物原料造块: 主要从事矿物原料造块与精加工方面的科学研究。

(6)复杂贫细矿物资源综合利用: 研究选-冶联合、 选矿、 多种选矿工艺(重、 磁、 浮)联合等处理一些大型复杂贫细多金属矿的工艺技术和基础理论, 研究资源综合利用效益。

(7)矿物精加工与矿物材料: 通过提纯、 超细粉碎、 纳米材料制备、 表面改性和材料复合制备等方法和技术, 将矿物加工成可用的高科技材料。

现今的矿物加工工程科学技术与20世纪90年代以前相比, 已有更新更广的大发展。为了适应矿业快速发展的形势, 国家需要大批掌握现代相关前沿学科知识和广泛技术领域的矿物加工专业人才, 因此, 搞好教材建设, 适度更新和拓宽教材内容对优秀专业人才的培养就显得至关重要。

矿物加工工程专业目前使用的教材, 许多是在20世纪90年代前出版的教材基础上编写的, 教材内容的进一步更新和提高已迫在眉睫。随着教育部专业教育规范及专业论证等有关文件的出台, 编写系统的、 符合矿物加工专业教育规范的全国统编教材, 已成为各高校矿物加工专业教学改革的重要任务。2006年10月在中南大学召开的2006—2010年地矿学科教学指导委员会(以下简称地矿学科教指委)成立大会指出教材建设是教学指导委员会的重要任务之一。会上, 矿物加工工程专业与会代表酝酿了矿物加工工程专业系列教材的编写拟题, 之后, 中南大学出版社主动承担该系列教材的出版工作, 并积极协助地矿学科教指委于2007年6月在中南大学召开了“全国矿物加工工程专业学科发展与教材建设研讨会”, 来自全国17所院校的矿物加工工程专业的领导及骨干教师代表参加了会议, 拟定了矿物加工专业系列教材的选题和主编单位。此后分别在昆明和长沙又召开了两次矿物加工专业系列教材编写大纲的审定工作会议。系列教材参编高校开始了认真的编写工作, 在大部分教材初稿完成的基础上, 2009年10月在贵州大学召开了教材审稿会议, 并最终定稿, 交由中南大学出版社陆续出版。

本次矿物加工专业系列教材是在总结以往教学和教材编撰经验的基础上, 以推动新世纪矿物加工工程专业教学改革和教材建设为宗旨, 提出了矿物加工工程专业系列教材的编写原则和要求: ①教材的体系、 知识层次和结构要合理; ②教材内容要体现科学性、 系统性、 新颖性和实用性; ③重视矿物加工工程专业的基础知识, 强调实践性和针对性; ④体现时代特性和创新精神, 反映矿物加工工程学科的新原理、 新技术、 新方法等。矿物加工科学技术在不断发展, 矿物加工工程专业的教材需要不断完善和更新。本系列教材的出版对我国矿物加工工程专业高级人才的培养和矿物加工工程专业教育事业的发展将起到十分积极的推进作用。

形成一整套符合上述要求的教材, 是一项有重要价值的艰巨的学术工程, 决非一人一单位之力可以成就的, 也并非一日之功即可造就的。许多科技教育发达的国家, 将撰写出版了水平很高的、 广泛应用的并产生了重要影响的教材, 视为与高水平科学论文、 高水平技术研发成果同等重要, 具有同等学术价值的工作成果, 并对获得此成果的人员给予的高度的评价, 一些国家还把这类成果, 作为评定科技人员水平和业绩和判据之一。我们认为这一做法在我国也应当接纳及给予足够的重视。

感谢所有参加矿物加工专业系列教材编写的老师, 感谢中南大学出版社热情周到的出版服务。

王淀佐

2010年10月