115 高普考高考三級 採礦工程 選礦學 考古題詳解

核心觀念

本題考顆粒在流體中的沉降型態，以及顆粒濃度對沉降速度與分選效果的影響。主要比較的是自由沉降與阻礙沉降；沉降速度由顆粒與流體的密度差、粒徑、形狀、流體性質及周圍顆粒的干擾共同決定。

• 自由沉降（Free Settling）：顆粒較稀疏，顆粒間距大，沉降時彼此干擾很小；每顆粒可視為在近似靜止、無限延伸的流體中獨立沉降。
• 阻礙沉降（Hindered Settling）：顆粒濃度較高，顆粒彼此接近；顆粒下沉排開的流體向上流動，產生顯著的上升液流與顆粒間干擾，使顆粒的有效沉降速度降低。

顆粒在流體中的終端沉降速度，概念上由重力、浮力與流體阻力平衡決定。以球形顆粒在黏滯流區為例，斯托克斯定律為：

其中 $v_t$ 為終端沉降速度、$\rho_p$ 為顆粒密度、$\rho_f$ 為流體密度、$d$ 為粒徑、$\mu$ 為流體動力黏度。此式適用於低雷諾數的層流沉降，並非所有粒徑與流況都通用。阻礙沉降時，顆粒所處環境不再是彼此獨立的稀懸浮系統，實際沉降速度低於同一顆粒在自由沉降條件下的速度。

解題方法

作答時依序比較顆粒濃度與相互作用、沉降速度、分選特性、適用場合：

1. 先以懸浮液中的固體濃度界定沉降型態：稀懸浮、顆粒互不干擾，屬自由沉降；濃懸浮、顆粒及其引起的流體運動互相影響，屬阻礙沉降。
2. 再說明速度差異：阻礙沉降中，顆粒沉降會受到上升液流及鄰近顆粒干擾，因此沉降速度降低。
3. 最後連結到分選：自由沉降較能反映顆粒本身的粒徑與密度差異；阻礙沉降則常呈現較強的密度分選效果，但須注意粒徑差異可能造成錯配。

分選特性與適用場合

核心觀念

本題考查浮選藥劑的功能分工與表面作用機制。浮選利用礦物表面潤濕性的差異，使目標礦物選擇性附著於氣泡並進入泡沫層。四類藥劑可依作用分成兩組：

• 捕集劑、活化劑：促進目標礦物與氣泡附著。
• 抑制劑、起泡劑：前者使特定礦物不易浮起；後者調整氣泡與泡沫狀態，利於顆粒上浮及回收。

解題方法

作答時可依「改變礦物表面—促進或阻止顆粒附著—維持適合的氣泡與泡沫」說明各藥劑，並區分直接改變表面性質的藥劑與調整氣泡行為的藥劑。

捕集劑（Collector）

捕集劑選擇性吸附於目標礦物表面，使其表面疏水，增加礦粒附著氣泡的機會。吸附後，礦物表面與水的親和力降低，礦粒較容易被氣泡帶入泡沫層。

作用方式包括：

• 化學吸附：捕集劑與礦物表面離子或活性位點形成化學鍵或表面化合物。
• 物理吸附：藉由靜電作用、凡得瓦力等吸附於礦物表面。

例如，黃藥類捕集劑常用於硫化礦浮選；脂肪酸類捕集劑常用於某些氧化礦浮選。

起泡劑（Frother）

起泡劑主要作用於氣液界面，降低氣泡合併的傾向，形成適當大小且較穩定的氣泡，並維持可承載礦粒的泡沫層。合適的泡沫須能將礦粒帶至槽面，同時具有適當的排水與破泡能力，利於精礦回收。

起泡劑的主要功能是調整氣泡與泡沫的性質，通常不以使礦物表面疏水為主要作用；這點與捕集劑不同。

抑制劑（Depressant）

核心觀念

球磨機與棒磨機都屬於筒式磨礦機：筒體旋轉，帶動研磨介質與礦石提升、瀉落或滾動，藉由衝擊與磨剝作用使礦石粉碎。兩者的主要差別在於研磨介質的形狀，進而影響研磨作用、產品粒度分布與適用磨礦階段。

• 球磨機（ball mill）：以鋼球或其他球形介質為研磨介質。
• 棒磨機（rod mill）：以長鋼棒為研磨介質。

解題方法

本題適合從「介質與接觸方式、產品特性、適用作業、操作特性」四方面比較。作答時要指出兩種磨機的結構及用途差異，並說明其與研磨效果的關聯；不宜只寫成「一個用球、一個用棒」。

核心觀念

細粒浮選的關鍵，在於礦粒能否與氣泡有效碰撞、附著，並在浮選槽內穩定上浮。浮選效率常以精礦回收率與品位衡量；細粒礦物因粒徑小、表面積大，較容易造成碰撞與附著效率降低，也容易受脈石細泥干擾。

解題方法

可從「碰撞與附著、藥劑作用、礦漿流體與泡沫穩定性」三方面說明細粒降低效率的原因，再逐一提出相對應的改善方法。

細粒降低浮選效率的原因

1. 與氣泡碰撞機率低 細粒慣性小，容易隨礦漿流線繞過氣泡，較難與氣泡碰撞。粒徑愈小，氣泡捕捉礦粒的效率通常愈低。

2. 附著與浮升能力弱 細粒與氣泡接觸後，若表面疏水性不足，或氣泡與礦粒間的水膜未能及時排出、破裂，便不易形成穩定附著。細粒與氣泡組成的聚集體浮升力也較小，容易受紊流或脫附影響。

3. 比表面積大，藥劑消耗與作用較難控制 細粒總表面積大，捕收劑、抑制劑及調整劑的需求量相對增加；若加藥不均或分散不佳，會使礦粒表面覆蓋不一致，導致選擇性下降。

4. 泥化與罩蓋效應 脈石細泥可能附著在有用礦物表面，阻礙捕收劑作用與氣泡附著；有用礦物細泥也可能罩蓋其他礦粒，造成錯浮或抑制，降低精礦品位與回收率。

5. 礦漿黏度及泡沫夾帶增加 大量細泥會提高礦漿黏度、改變流動狀態，使氣泡分散與礦粒碰撞條件變差；細粒脈石也容易隨水進入泡沫，增加機械夾帶，降低精礦品位。

改善細粒浮選的方法

1. 脫泥或分級處理 以水力分級、旋流器或適當篩分移除有害超細泥，再分別處理不同粒級。脫泥可降低罩蓋、藥劑消耗及脈石夾帶；

核心觀念

本題考查捕集劑吸附後，如何由礦物表面的電性與潤濕性變化，判斷捕集劑是否與表面作用，以及這種作用是否有利於浮選。

界達電位（Zeta Potential）是液體中固體顆粒滑動面相對於溶液本體的電位，常用來觀察礦物表面電荷特性的變化。接觸角（Contact Angle）則反映液體對固體表面的潤濕程度：以水相測量時，接觸角愈大，通常表示表面愈疏水、愈不易被水潤濕。

浮選需要氣泡與礦粒碰撞後，礦粒能附著於氣泡並隨之上浮。因此，捕集劑吸附後使礦物表面疏水化，是提升其浮選能力的重要條件。

解題方法

比較添加捕集劑前後、在相同 pH 與溶液條件下量測的界達電位與接觸角，從「表面電性是否改變」及「表面是否更疏水」兩方面判讀。

1. **觀察界達電位變化：**捕集劑吸附會改變礦物表面的電荷分布或滑動面電位，因此界達電位可能改變數值，甚至改變正負號。若捕集劑帶有電荷，其吸附常使界達電位朝捕集劑所帶電荷的方向移動；若捕集劑為非離子型，或吸附後滑動面電位沒有明顯改變，界達電位變化也可能有限。

因此，界達電位變化可作為捕集劑與礦物表面發生作用的證據，但不能單靠變化的正負或大小，就判定浮選能力必然提升。