原创 离子计及其在选矿中的应用

1 离子计工作原理
离子计又称离子活度计? ，它与各种离子选择 性电极配合使用，精密地测定两电极所构成的原电 池的电池电动势，根据能斯特方程在不同条件下的 应用，可以用直接电位法、加入法、电位滴定法和格 氏作图法来测量溶液中的离子浓度。 离子计测量离子浓度的原理是建立在电位分析 法的基础上，电位分析法的实质是通过在零电流条 件下测定两电极间电位差(即由待测试样溶液所掏 成原电池的电动势)进行分析测定的方法。 离子计必须与离子选择性电极配合使用，离子 选择性电极 J是一种电化学敏感元件。是以电位法 测量溶液中某些特定离子活度的指示电极，它能将 非电量的离子活度的变化转换为电位的变化。 以下就以测量离子浓度摄常用的晶体膜电极为 力博仪表倒阐述其原理。 晶体膜电极的薄膜一般都是由难溶盐经过加压 或拉制成单晶、多晶或混晶的活性膜 电极的机理 是，由于晶格缺陷(空穴)引起离子的传导，接近空穴 的可移动离子移动至空穴中，一定的电极膜+按其空 穴大小、形状、电荷分布，只能容纳一定的可移动离 子，而其它离子不能进入。晶体膜就是这样限制了 除待坝i离子外的其它离子的移动而显示其选择性。 图1是晶体(膜)电极的基本形式。 电极管一般用玻璃或其它聚合物材料制成。内 标准溶液一般为含有与待测离子相同的离子的强电SEO 解质溶液(0．1 mol／kg左右)，内参比电极一般为Ag — AgCI电撅。一般来说，设电极膜是对某种离子x 有选择性穿透的薄膜，当电极插入含有该离子的溶 昆啊理工大学博士九九级 昆明650093 液中时，由于它和膜上相同离子进行交换而改变两 相界面间的电荷分布，从而在膜表面上产生膜电势 ， 它与溶液中待测离子x的活度a 的关系可由 能斯特(Nernst)公式表示： 田1 晶体电极的差事形式 1一内参比电极；2一内标准溶液；3一电报膜 = 峨+ lgax=幅+ Px(1) 其中峨包含膜内表面的膜电势、内参比电慑的电 极电势以及除浓度外其它对电极电势的影响因素。 其它参数分别为： R一气体常数，8．314 J·m0l～ ·K-。； 1 一绝对温度．K： F一法拉第常数，96496 C／m0l； z一参比电撅反应的离子价数，对应阳离子为 正，阴离子为负： a 一待测离子x的活度 另外，式中的2．303 R7"／ZF称为能斯特斜率。 实际测量时，用离子选择性电极作为指示电撅。用另 一支不随溶液中被测离子活度变化而改变其本身电 位的电极作参考电极，通常用甘汞电极或Ag—AgC1 电极，在溶液中构成一个测量电池(如图2)。 图2 离子选择电掘与参比电掘构成的剁量电旭 意图 I 离子选择性电极12 内参比电极：3一内部溶液； 4 电掘膜；5一待测溶液；6一参比电极； 该电池可表示为： Ag+AgC[1内标准溶液l电极膜l待渊溶液}参 比电极 则该电池的电动势为： E： #一 ： +兰 PX (2) 由公式(2)可知，电极电位的大小除与温度和压 力有关外，主要决定于电极的性质和待．删离子的活 度。在电极选定后，通过测试电极电位，即可得知待 测离子的活度。该方法的关键是选择指示电极，指 示电极材料选择的原则是：必须使该电极的电位仅 由欲测离子的浓度所决定。

2 离子计
由离子选择电极、参比电极与待测溶液组成的 测量电池可以等效为一个化学原电池，它相当于一 个内阻很高的信号源，具有电动势E和内阻r，如图 3。当电池两端接入负载后，根据欧姆定律： VAB V I‘R ‘R (3) 显然，v <E href="http://www.gzjunkai.com/class23.html" 负对数PX)的定位渊节器、斜率<a 度测量标准化(即以·定电位代表·定的离子活度 般由阻抗转换放大器。显示器以及用于 仪器【3】． 是’台高输入『；}I抗直流电位测跫 离子计实际 以上。 池的电动势，负载电阻应比电池内阻高3个数量级 压。因此，如果要使测量电压能较为准确地表示电 E已得到电源的全部电 时可以认为外电路电阻R ：0．999E，此 由公式(3)可知，若R≥1000r时，V 电池殛外电路差量示意图 圉3 R B>校正器、温度补尝器 和电位调节器组成。离子计的功能是测出平衡电极 电位后，仪器能直接指示出溶液中待测离子活度的 负对数。在保持体系和标准溶液的总离子强度不变 的情况下，可直接指示出离子浓度的大小。 例如PXD一2型通用离子计，其基本原理是：电 极信号先经定位调节器后，在电位E上加一个定位 E =一 ，则送入测量系统的实际电位应为： E ：E+E =兰 Px (4) 以一价离子为例，T=273，15K时IPX的电极 信号的理论值应为54．20 my，设电极的实际能斯特 斜率为理论值的I／K，则IPX的电极信号在T= (273．15+t)K时的大小为： E： K × 27315 ，(mv) (5) ． 该电极信号经跟随器进行阻抗变换。然后进行比例 放大器放大，使IPX的电极信号变成200× (mV)，放大后的信号经温度补偿器。把IPX的信号 准确地变为200 mV，送入减法器，电极信号中满 200mV的整数部分被减去，尾数送入表头指示(为 提高测量精度)。 IPX电极信号的交换流程图如图4。 田4 IPX电覆僭号矗|慢田

3 离子计在选矿中的应用
由于选矿是很复杂的物理或化学过程。在选矿 流程中对各取样点矿浆有关成分的自动测定是自动 检测技术的一项重要内容，是实现选矿工艺参敬自 动控制的必要环节。目前，离子计用于选矿参数自 动检测主要有：
3．1 用于可浮性研究【4 由研究可知，矿浆氧化一还原电位的变化特征 可用来确定浮选前矿石准备的程度。在实验室中． 以处理黄铜矿一镍黄铁矿一磁黄铁矿为倒，在矿浆 充气过程中氧化一还原电位上升．当由磁黄铁矿组 成的硫化物主要物质氧化结束后．电位达到恒定值． 证明矿石浮选前的充气准备过程已结束。
3．2 用于调整矿浆离子成分l5 硫化钠在混合浮选中是硫化剂．在优先浮选中 是许多矿物的抑制剂，它的这种双重作用取决于硫 化物离子的浓度．人工控制无法保持作业过程优化， 可选用硫化银电极或硫化矿粉末压制成的电极作指 示电极，当用辉铜矿作电极，测量矿浆中硫化物离子 S 浓度时．电极电位与s 浓度有下列关系： E ：E。一0 ． 029Ig[S2一】 (6) 因此，自动监测硫化物离子 一浓度就可以及时根 据失常的反应来自动调整硫化钠的用量。
3．3 用于确定矿浆中黄药浓度的最佳水平【‘] 根据一定的推导，矿浆中所需黄药离子浓度可 由下式确定： F0一F lgIx—I (7) 其中：x—— 黄药离子浓度； E0—— 标准电极电位； Eh—— 可浮矿物表面氧化还原电位； 当用角银矿电极(Ag—A-gzS)作为矿浆中黄药离子 浓度的测量元件时，发生如下电极反应： Ag+ X一：AgX + e— E：一0．540—0．0511lgIX—I．(V) (8) 当Eo：一0．301V时，则可确定全过程中当黄药离 子浓度最佳时所要求的电位； E =一0．美国OnsetHOBO仪器仪表目录 |温度数据记录器 |土壤湿度传感器 |气象站专用记录器 |温湿度数据记录仪 |温度/光度数据记录器 |环境记录仪 |外部传感器 |状态记录仪 |HOBO应用软件 |雨量计/雨量记录器 |深度数据记录器 |温度/带警报(防水)记录器 240+Eh，(V) (9) 由式(9)即可确定捕收剂用量，控制系统的函数关 系。运用此原理也可对硫化钠、烷基硫酸盐和硫酸 铜用擐进行控制。这种方法能艇金属回收率提高 0．5—7％，药剂用量减少1O～l4％。因而，离子计 是解决浮选过程控制和调节的理论和工业化问题的 手段，在实验室条件下．采用离子计有可能加陕矿物 可选性研究．降低选矿成本。 此外，离子计还广泛地应用于其它工业领域．它 可用来监测水介质中的铁磁微粒【7J．如果水管中发 现金属微粒，往往是一些故障的苗头，如机械损伤或 磨损加剧，及时发现这些金属微粒，可防止事故发 生。用于制盐行业的在线氯离子测定仪 】，解决了 冷凝水回用所存在的问题，改变了盐矿以往的化学 容量法断续测定所造成的大量热源、水源的浪费。 另外离子计还可用于研究药品和其它制品的活性组 分的溶解过程，测定土壤硝态氮以及大气和肥料成 分分析、环境分析等。随着电化学理论的不断完善． 离子计在选矿方面的应用将逐渐深入．特别是对于 浮选过程的优化控制．将会引起更多的选矿工作者 的重视。