链状结构硅酸盐矿物
单链
辉石类矿物表面ζ电位与pH值的关系 辉石类矿物表面ζ电位与pH值的关系 pH
锂辉石； 霓石（ 霓石（II） 1 锂辉石；2 蔷薇辉石 ；3 霓石（I）； 4霓石（II）
单链
硅灰石表面ζ电位与pH值的关系 硅灰石表面ζ电位与pH值的关系 pH
普通角闪石表面ζ 普通角闪石表面ζ电位 pH值的关系 与pH值的关系 双链
夕线石表面ζ 夕线石表面ζ电位 pH值的关系 与pH值的关系
链状结构硅酸盐矿物在纯水中表面电性小结
单链状结构硅酸盐矿物解离表面阳离子对于阴离 单链状结构硅酸盐 矿物解离表面阳离子对于阴离 子的相对密度较小， 子的相对密度较小， Si、 另一方面， 矿物表面上Si 另一方面 ， 矿物表面上 Si 、 O 及部分外露的阳离子 会以不同的方式键合羟基。故此类矿物的零电点较低， 会以不同的方式键合羟基。故此类矿物的零电点较低， 在很宽的pH值范围内带负电。 pH值范围内带负电 在很宽的pH值范围内带负电。 双链结构的硅酸盐矿物比单链结构矿物零电点高。 双链结构的硅酸盐矿物比单链结构矿物零电点高。 双链间可以形成更大的空隙， 这是由于双链间可以形成更大的空隙 这是由于双链间可以形成更大的空隙，可以容纳更多 的阳离子，矿物表面正电性强，零电点相应较高。 的阳离子，矿物表面正电性强，零电点相应较高。
另外底面的晶格缺陷(如脱位 、 局部键断裂)也有可能 另外底面的晶格缺陷 如脱位、局部键断裂 也有可能 如脱位 使底面荷电。 使底面荷电。 高岭石端面可与水介质间界面上形成双电层， 高岭石端面可与水介质间界面上形成双电层， 其荷电 被端面上破裂的Si-O和A1-O键所控制，即高岭石中 键所控制， 被端面上破裂的 和 键所控制 即高岭石中SiO2、 A12O3 组成的表面行为受控与H+ 和 OH-， 当 pH值低时端面 组成的表面行为受控与 值低时端面 荷正电；中性、弱酸性介质中端面不荷电； 荷正电； 中性、弱酸性介质中端面不荷电；碱性介质中端 面荷负电。 面荷负电。 实际测得的高岭石零电点是水介质中表面电荷的总反 可近似地出底面电荷和端面电荷的代数和确定。 映，可近似地出底面电荷和端面电荷的代数和确定。
环状结构硅酸盐矿物
绿柱石表面ζ电位与pH值的关系 绿柱石表面ζ电位与pH值的关系 pH
新疆绿柱子石； 1 新疆绿柱子石；2 巴西绿柱石
环状结构硅酸盐矿物在纯水中表面电性小结 绿柱石为六环结构硅酸盐矿物， 绿柱石为六环结构硅酸盐矿物，矿物解离 由于结构中Si 键较强， Si时 ， 由于结构中 Si-O 键较强 ， 矿物解离时 键为主要断裂键， M-O键为主要断裂键，矿物表面必然暴露有 阳离子。 阳离子 。 这些阳离子的溶解导致表面正电 荷短缺。 荷短缺。 (1)绿柱石在较宽的pH值范围内均荷负电 绿柱石在较宽的pH值范围内均荷负电 pH 零电点与岛状结构矿物相比较低。 (2)零电点与岛状结构矿物相比较低。
非金属矿物加工与利用
硅酸盐矿物选矿与提纯技术
• 硅酸盐矿物浮选的意义与研究进展 • 硅酸盐矿物的晶体结构特性及表面特征 • 典型硅酸盐矿物的选矿与提纯技术
本次课在前面已介绍过的硅酸盐矿物五 大晶体结构及基本表面特征的基础上讲解
表面电性与矿物晶体化学特性的关系
双电层： 双电层：
在两种不同物质的界面上， 在两种不同物质的界面上，正负电荷分别排列成的面 在溶液中， 层。在溶液中，固体表面常因表面基团的解离或自溶液中 选择性地吸附某种离子而带电。由于电中性的要求， 选择性地吸附某种离子而带电。由于电中性的要求，带电 表面附近的液体中必有与固体表面电荷数量相等但符号相 反的多余的反离子。带电表面和反离子构成双电层。 反的多余的反离子。带电表面和反离子构成双电层。
层状结构硅酸盐矿物
云母族矿物表面ζ电位与pH值的关系 云母族矿物表面ζ电位与pH值的关系 pH
1湖北白云母 2 新疆锂云母 3河南黑云母
高岭石表面ζ电位与pH值的关系 高岭石表面ζ电位与pH值的关系 pH
层状结构硅酸盐矿物在纯水中表面电性小结 以云母为典型代表的层状结构硅酸盐矿 由于解离面与端面的面积比很大，因此表 物由于解离面与端面的面积比很大，因此表 面上主要是硅氧四面体阴离子， 面上主要是硅氧四面体阴离子，表面多价阳 离子对阴离子的相对密度较低。另外， 离子对阴离子的相对密度较低。另外，由于 暴露于表面上K 极易溶解，与水溶液中H 暴露于表面上 +极易溶解，与水溶液中 +交 换，云母矿物表面具有极强的键合羟基的能 力，因此矿物表面带有相对较为恒定的负电 零电点极低。 荷，零电点极低。 云母主要成份： 云母主要成份： KAl2 [AlSi3O10 ](OH) 2
架状结构硅酸盐矿物
长石表面ζ电位与pH值的关系 长石表面ζ电位与pH值的关系 pH
微斜长石I 微斜长石II II； 叶钠长石； 1 微斜长石I ；2微斜长石II；3 叶钠长石；4正长石
架状结构硅酸盐矿物在纯水中表面电性小结
架状结构硅酸盐矿物荷电状态是铝氧四面体和硅氧 架状结构硅酸盐矿物荷电状态是铝氧四面体和硅氧 四面体的综合反映。对长石来说， 四面体的综合反映。对长石来说，其解离面上的配衡阳 离子K 等易溶， 离子K+、Na-、Ca2 +等易溶，给表面留下负电荷和活泼的 SiOH、 区域， SiOH、SiO-区域，另外长石解离表面多价金属阳离于对 于阴离子的相对密度较低， 于阴离子的相对密度较低，其综合因素的总和导致零电 点较低。 点较低。
硅酸盐矿物在水溶液中会发生表面吸附或 解离，固液界面就分布有与表面异名的电荷， 解离 ， 固液界面就分布有与表面异名的电荷 ， 使矿物与水溶液界面形成电位差，即形成双电 使矿物与水溶液界面形成电位差 ， 即形成 双电 层 。 硅酸盐矿物的表面电性与矿物的晶体化学 特征及解离后表面暴露元素的性质密切相关。 特征及解离后表面暴露元素的性质密切相关。 因此， 因此 ， 研究矿物在纯水中及药剂作用下的 表面电性及其与矿物晶体化学特征和表面暴露 元素性质之间的关系具有重要的理论意义。 元素性质之间的关系具有重要的理论意义。
岛状结构硅酸盐矿物
石榴子石的ζ电位与pH值的关系 石榴子石的ζ电位与pH值的关系 pH
1新疆铁铝石榴子石 2 湖北钙铁石榴子石 3石ζ电位与pH值的关系 pH
1 新疆可可托海蓝晶石 2 河南南阳隐山蓝晶石
岛状结构硅酸盐矿物在纯水中表面电性小结
岛状结构硅酸盐矿物，独立的 岛状结构硅酸盐矿物，独立的[SiO4]四面体结构靠 四面体结构靠 阳离子联结，矿物解离时M-O键大多断裂，使其解离 键大多断裂， 阳离子联结，矿物解离时 键大多断裂 面暴露较多的多价金属阳离子， 面暴露较多的多价金属阳离子，故矿物表面阳离子对 于阴离子的密度大，这导致在中强酸性条件下矿物表 于阴离子的密度大， 面荷正电。 面荷正电。 的增加， 随pH的增加，矿物表面暴露离子（包括 4+）由 的增加 矿物表面暴露离子（包括Si 于键合大量羟基而荷负电。另外在试验的介质条件下， 于键合大量羟基而荷负电。另外在试验的介质条件下， 岛状结构硅酸盐矿物如石榴子石表面的部分阳离子的 岛状结构硅酸盐矿物如石榴子石表面的部分阳离子的 溶解性增加， 溶解性增加，这也是造成矿物表面负电性增加的一个 原因。 原因。
高岭石属于TO型结构，即由[SiO4]四面体层和“ 氢氧 四面体层和“ 高岭石属于 型结构，即由 型结构 四面体层和 铝石”层连结而成。 铝石”层连结而成。 每个结构单元层的氧与相邻单元层的八面体层的氢氧 形成氢键，结构单元层间靠氢键联结成重叠的层状堆叠。 形成氢键 ，结构单元层间靠氢键联结成重叠的层状堆叠。 层间力为氢键或范德华力，解离时沿与层平行的方向劈开。 层间力为氢键或范德华力，解离时沿与层平行的方向劈开。 断裂后高岭石产生两个性质不同的表面，即底面(或称层面 或称层面) 断裂后高岭石产生两个性质不同的表面，即底面 或称层面 和端面(或称棱面 底面Si 或称棱面)。 类质同象取代， 和端面 或称棱面 。底面 4+ 被A13+、Fe3+类质同象取代， A13+ 被Mg2+、Fe2+置换，导致品格中正电荷不足，故使底 置换，导致品格中正电荷不足， 面恒定带负电。 面恒定带负电。
总结以上结果， 总结以上结果，硅酸盐矿物表面电性及零 Si- 键的断裂程度、 电点与矿物解离时（1）Si-O键的断裂程度、
表面暴露阳离子的种类、 （2）表面暴露阳离子的种类、数量及溶 解性有关 进而与（ 有关， 解性有关，进而与（3）表面阳离子对总 的相对密度等晶体化学特征密切相关 等晶体化学特征密切相关。 O2-的相对密度等晶体化学特征密切相关。
矿物的表面电位： 矿物的表面电位
aH + RT Ψ0 = ln 0 = 2.303 RT ( pH pzc − pH ) F aH+
Ψ 为矿物的表面电位， 式中： 0 为矿物的表面电位，
R为气体常数；T为绝对温度；F为法拉第常数， 为气体常数； 为绝对温度 为绝对温度； 为法拉第常数 为法拉第常数， 为气体常数
aH + 表示溶液中 +的活度，0 为Ψ 为零时 +的活度， a 表示溶液中H 的活度， + 0为零时H 的活度，
H
pH pzc 表示硅酸盐矿物的零电点 ， pH 表示溶液的酸碱 表示硅酸盐矿物的零电点，
度。
25ºC时，上式可变为 时
Ψ0 = 0.059( pH pzc − pH )
由上式可见
在水溶液中当pH>pH 在水溶液中当pH>pHPZC，硅酸盐矿物表面荷 负电， 矿物表面荷正电。 负电，当pH<pHPZC时，矿物表面荷正电。 相对应，对于硅酸盐矿物， 相对应，对于硅酸盐矿物，当pH>pHPZC，矿 物的表面ζ电位< 电位> 物的表面ζ电位<0，当pH<pHPZC时，ζ电位>0。
1 纯水中硅酸盐矿物表面电性及其 与矿物晶体化学特征的关系