簡(jiǎn)述磷礦石中白云石晶體化學(xué)特性

劉燕

摘 要：通過(guò)對(duì)磷礦石中白云石晶體進(jìn)行化學(xué)特性分析，不僅可以幫助我們更好地認(rèn)識(shí)并了解白云石晶體主要化學(xué)特點(diǎn)，也能夠?yàn)榘自剖V物應(yīng)用做出重要指導(dǎo)。白云石在冶金行業(yè)、建筑材料、陶瓷材料、玻璃材料、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、化工業(yè)、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域均發(fā)揮非常重要的作用，是一種多項(xiàng)開(kāi)發(fā)與利用的非金屬礦產(chǎn)資源。隨著近些年來(lái)對(duì)白云石開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)不斷發(fā)展，白云石也必然成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。本文分別對(duì)白云石晶體結(jié)構(gòu)特征、表面特性等相關(guān)化學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)分析，明確白云石晶體的生成背景和機(jī)制，為進(jìn)一步研究白云石膠磷礦體系相互作用提出重要參考。

關(guān)鍵詞：磷礦石;白云石;晶體;化學(xué)特性

磷礦資源作為重要戰(zhàn)略資源，不僅能夠在農(nóng)業(yè)化肥領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，也可以成為磷化工的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。磷礦資源具有不可替代性和不可再生性，需要我們加大保護(hù)力度，提高磷礦資源的整體利用效率。筆者以貴州典型磷礦區(qū)選取的白云石作為主要研究對(duì)象，按照礦物晶體化的基本原理作為依據(jù)，對(duì)白云石的晶體結(jié)構(gòu)和表面特性進(jìn)行深度研究。結(jié)果表明：在白云石礦物解離之后，表面會(huì)產(chǎn)生大量的Ca2+、Mg2+，而C4+暴露非常少，在水溶液中零電點(diǎn)比較高，負(fù)電性比較弱，表面會(huì)有大量金屬陽(yáng)粒子，通過(guò)弱酸強(qiáng)堿性溶液時(shí)，白云石陽(yáng)粒子捕獲劑浮選效果最佳。

1 白云石純礦物XRD分析

白云石多為白色、灰色、肉色、無(wú)色、綠色、棕色、黑色、暗粉紅色等，透明到半透明，具有玻璃光澤。集合體通常呈粒狀;晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)似方解石，常呈菱面體[1]。摩氏硬度：3～4;密度2.86～3.20g/cm3，遇冷稀鹽酸起泡;白云石煅燒分為兩個(gè)階段：在730～740℃鈣鎂碳酸鹽中MgCO3開(kāi)始分解，產(chǎn)生MgO和CO2。在本次研究中，筆者分別選取貴州典型磷礦區(qū)具有代表性的海相沉積型磷礦石，分別提取白云石純礦物標(biāo)為1#和2#，并且對(duì)MgO的含量和純度進(jìn)行了分析，結(jié)果如下：

根據(jù)研究結(jié)果表明，貴州典型磷礦區(qū)的白云石純礦物MgO含量分別為20.12%和19.70%，純度均超過(guò)90%。利用XRD射線(xiàn)衍射系統(tǒng)針對(duì)提取礦物樣品進(jìn)行分析，得出結(jié)果證明，這兩種白云石純礦物主要成分以白云石和石英為主，非晶質(zhì)的含量非常低，說(shuō)明此次實(shí)驗(yàn)所提取的樣品純度非常高，衍射峰非常尖銳，證明本次實(shí)驗(yàn)所選擇的礦樣結(jié)晶度非常高，晶粒比較大。

2 白云石晶體的主要結(jié)構(gòu)特性

白云石化學(xué)式為CaMg（CO3）2，屬于三方晶系，三組菱面體解理完全，性脆。摩氏硬度3.5～4，比重2.8～2.9。礦物粉末在冷稀鹽酸中反應(yīng)緩慢。其表面呈菱面體晶胞以及六方晶胞，而六方晶胞作為二次體心的復(fù)單位，其常數(shù)為a0=0.48079nm，c0=1.6010nm單位，晶胞化學(xué)式數(shù)目z=3[2]。

按照三次周交替排列的順序，白云石晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出Ca八面體和Mg八面體相互交替排列的規(guī)律。從結(jié)構(gòu)特性來(lái)看，白云石礦物中大多數(shù)的Ca2+都能夠被Mg2+完全替代，并且呈現(xiàn)出有序化的特點(diǎn)，由于這兩種粒子之間的大小各不相同，所以原有的氧原子會(huì)出現(xiàn)少許位移狀況，但是因?yàn)榘自剖皇欠浇馐霐?shù)的Ca2+都會(huì)被Mg2+所代替，并且形成類(lèi)質(zhì)同向混晶。

在白云石中，Ca2+和Mg2+的元素具有相同的特點(diǎn)，在分解時(shí)的零面體晶胞中，其中兩個(gè)位置全部被Ca2+所占據(jù)，而白云石菱面體晶胞也有同樣的位置被Ca2+所占據(jù)，而另一個(gè)則被Mg2+所占據(jù)。在白云石的零面體晶胞中，同樣有兩個(gè)位置被Ca2+和Mg2+所占據(jù)，但是Ca2+與Mg2+之間的位置并不會(huì)發(fā)生調(diào)換，所以白云石晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性遠(yuǎn)不如方解石。

在方解石中存在二次對(duì)稱(chēng)軸，白云石中則沒(méi)有這一特點(diǎn)。白云石中的CO3的C僅在三次軸上，并且通過(guò)三次軸將三個(gè)O相連接，由于Mg2+的半徑小于C4+半徑，所以白云石的單位晶胞常數(shù)要小于方解石。

3 白云石的主要形成背景和形成機(jī)制

白云石用途廣泛，具有極高的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值。也是地球上儲(chǔ)量豐富的鈣鎂資源。我國(guó)白云石分布廣泛，在山西、寧夏、吉林、青海、貴州、河南等地均有分布，探明儲(chǔ)量超40億t以上[3]。

從目前來(lái)看，在湖泊、鹽水、淺海等底部位置回流區(qū)或埋藏環(huán)境中均可發(fā)現(xiàn)白云石，說(shuō)明白云石形成背景是大陸性水域、海水或盆地鹽水因?yàn)槭艿礁啕}度鹽水的混合，在盆地鹽水部位出現(xiàn)冷卻的情況。

在古代碳酸鹽建造的過(guò)程中，如果沒(méi)有微生物或細(xì)菌等生物調(diào)節(jié)功能，在自然地表溫度下是無(wú)法沉淀白云石的。通過(guò)對(duì)微生物研究，能夠明確白云石主要形成機(jī)制。根據(jù)白云石特殊結(jié)構(gòu)、微形貌以及穩(wěn)定同位素特點(diǎn)，可以為微生物白云石識(shí)別提供重要參考。有一部分人認(rèn)為，白云石形成主要是受到高鹽度鹽水沉積而來(lái)，但是要形成大量的白云石則必須要經(jīng)過(guò)地下湖、海水與地臺(tái)沉積物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)才能夠形成。

白云石作為一種碳酸鹽礦物，必須要確保滲透率、流動(dòng)機(jī)構(gòu)和Mg2+的充足供應(yīng)，才能夠正式形成。白云石主要的形成方式包括沉淀、成巖替換以及水熱變質(zhì)。

早期白云石晶體形成具有多次重復(fù)的特性，其埋藏與變質(zhì)的過(guò)程中都會(huì)非常穩(wěn)定，每一個(gè)新的相位都要早于白云石的部分或者完全溶解形成。

在古代地球表面，由于不穩(wěn)定因素，導(dǎo)致礦物轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的礦物，必須通過(guò)中間項(xiàng)，這一過(guò)程就是受到各個(gè)晶體表面所驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生的。當(dāng)一個(gè)晶體在結(jié)晶的過(guò)程中，必須犧牲比較小的晶體，才能夠不斷長(zhǎng)大。

在飽和溶液中，由于微晶粒子的形成需要結(jié)晶，隨著微晶粒子不斷擴(kuò)大，其大小會(huì)達(dá)到臨界半徑，而大于臨界半徑的粒子會(huì)繼續(xù)生長(zhǎng)并且成為白云石形成核，小于臨界半徑的粒子會(huì)繼續(xù)回到溶液之中，隨著飽和程度下降以及結(jié)晶核的數(shù)量增多，小于臨界半徑的溶質(zhì)就會(huì)析出并且附著在粒子表面之上，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的吸附逐漸形成白云石晶體。

通過(guò)早期逐步互動(dòng)的成巖作用，可以被更難融的相廣泛替換，在空氣流體平衡純化學(xué)劑量，白云石礦物最終狀態(tài)更無(wú)序，白云石化作用是反復(fù)溶解再沉淀的過(guò)程。只有保證白云石具有一定的滲透性，還有源源不斷的Mg2+持續(xù)供給，才能夠生成新的白云石。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，通過(guò)本次對(duì)白云石的主要化學(xué)特性進(jìn)行研究，能夠發(fā)現(xiàn)白云石作為一種赴Mg2+碳酸鹽礦物，由于Mg2+和Ca2+的比值非常相似，是兩者之間相互交替形成的晶體結(jié)構(gòu)，所以白云石屬于三方晶系碳酸鹽礦物。大多數(shù)白云石會(huì)在湖泊、海水、大陸水區(qū)域、鹽水回流區(qū)域形成，這一現(xiàn)象證明白云石的形成必須要處在高鹽度的鹽水之中，需要在地底經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的與地臺(tái)沉積物循環(huán)生成。在這一過(guò)程中，微生物代謝活動(dòng)對(duì)白云石生成起到了無(wú)法替代的作用。

白云石作為亞穩(wěn)定礦物，在早期形成的過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)多次的埋藏與變質(zhì)，將自身部分進(jìn)行完全溶解，保證后期更加穩(wěn)定。在白云石晶體不斷生成的過(guò)程中，如果飽和溶液中的晶體粒子超過(guò)臨界半徑，則會(huì)作為核繼續(xù)增長(zhǎng)，如果沒(méi)有達(dá)到臨界半徑，則會(huì)重新融入到與溶液之中，直至生成新的核表面，最終形成完整的白云石晶體。

參考文獻(xiàn)：

[1]高星，張道鋒，史云鶴等.鄂爾多斯盆地奧陶系馬五5亞段白云石結(jié)構(gòu)特征及成因[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，45（05）：575-584.

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[3]馮詩(shī)海，李紅，蔣佳俊等.華北秦皇島地區(qū)柳江盆地馬家溝組碳酸鹽巖多期白云化作用[J].沉積學(xué)報(bào)，2017， 35（04）：664-680.