E-pH图形数据库开发与应用的现状及趋势.pdf

第5 2 卷第1 期 2000 年2 月 有色金属 N O N F E R R o U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 ．N o ．1 F e b r u a r y2000 E - p H 图形数据库开发与应用的现状及趋势 冯其明，马运柱，王毓华，卢毅屏 中南工业大学矿物工程系，长沙4 1 0 0 8 3 摘要本文总结E p H 图形数据库开发方法及应用的现状．探讨今后研究的方向。针对硫化矿浮选实践，提出E p H 图形数据库的应用前景。 关键词E - p H 图；数据库；电化学；浮选 中图分类号0 6 4 2 ．1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 - 0 2 1 1 2 0 0 0 0 1 0 0 9 1 - 0 3 自从4 0 年代P o u r b a i xM 开始绘制化学元 素M H ，O 体系的妒一p H 图以来，有关热力学数 据的表达内容和方式也日益多样化，绘图手段也由 手工方法发展到用电子计算机来完成’。其中， E p H 图在选矿、冶金、化学、冶化、化工及材 料科学中得到了广泛的应用。如何利用计算机技术 处理E p H 图也是近来的热门课题。 1 E p H 图形数据库的开发 7 0 年代以来，文献中不乏关于绘制妒一p H 图 的电算程序报道∽，根据已有研究成果，其研究 内容大体上可归纳为数学模型建立、图形算法和 操作平台的选用三个方面。 1 ．1 数学模型的建立 数学模型是指体系中各组分化学反应自动生成 模型，这是实现E p H 图形计算机化的基础。在 建立化学反应自动生成模型的基础上，根据电极电 势与p H 值的关系式便可得到相应的两优势区之间 的单变线模型。 化学反应自动生成模型的建立主要有两个途 径一是从复杂体系到简单体系，这是常见的一种 建模思路，对体系组分较简单的化学及冶化专业 E p H 图形较为有效。化学反应模型为 N 1 M 1 N 2 M 2 ⋯N n 一1 M 。一1 枷2 0 c H F i e M 。 其中，N ，，N 2 ⋯M 巾a ，c 为化学计量系数；n 为 电子转移数。二是从简单体系到复杂体系，是较复 杂体系的冶金及材料相图有效处理途径；其化学反 应模型为 收稿日期1 9 9 9 0 3 1 9 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 9 7 7 4 0 1 5 作者简介冯其明，男，教授，博导，中南工业大学矿物工 程系系主任；联系人马运柱．选矿楼3 1 0 号 M ． 日H 2 0 c H h e M j 其中，M ，，M ，是体系中可能发生相互转化的两组分。 对于复杂体系的E p H 图形，可通过多个简单的 E p H 图形进行叠加而得到最终复杂的E p H 图形。 1 ．2 图形算法 图形算法是E p H 图形数据库系统开发中图 形处理的关键问题，自6 0 年代以来，在生成热力 学稳定区图一优势区图 P r e d o m i n a n c ea r e ap h a s e d i a g r a m 的算法上进行了大量的研究，并开发出 众多的计算程序。L i n k s o no ’等将前人的计算优势 区图的算法分为三类由D u b y 等首创的逐点扫描 法 p o i n tb yp o i n tm e t h o d ；由B r o o k 等首创 的消线法 1 i n ee l i m i n a t i o nm e t h o d ；由F r o n i n g 等首创的凸多边形法 c o n v e xp o l y g o nm e t h o d 。 1 ．2 ．1 逐点扫描法。逐点扫描法是在整个框图中 任意找点，再根据其热力学特征一一判断其稳定 性，选出稳定的点再连线。D u b y ，P ．及张索林。曲 等在这方面作过较深入地探讨。这种方法对于处理 非线性问题，易于实现，且成功率高；但计算量 大，计算速度很慢，效率最低。 1 ．2 ．2 消线法。消线法是根据其单变线方程直接 在图框中划线．再据其热力学特征把多余的部分消 除。B r o o kP ．A ．0 3 等在这方面作过较深入地探讨。 这种方法速度快，效率高，但难实现。 1 ．2 ．3 凸多边形法。凸多边形法是据其热力学特 征及相应的单变线方程直接求解稳定点，再连线。 这种方法速度快，效率高，与数据库联用易实现， 所以以后开发的大多基于凸多边形法。R o s o f 等利 用凸多边形的特点，发展了一种线性规划技术，在 冶化相图中得到了较好的应用，并成功地解决了简 单的三维E p H 图∞。，1 0 ～2 H 。L i n k s o n 等人则提出 并发展了最大压缩法．效率较高∞‘9 ’。1 9 8 8 年许志 万方数据 有色金属 第5 2 卷 宏n 2 D 等人出版专著，总结国内的成就，并引述张 索林、骆如铁及王沛明等的原程序的特点，同时评 述对平衡线的取舍和派生原则。 而对于多元体系．采用由简单到复杂，即先按 子系统处理再逐步综合处理的“分级一综合”处 理方法㈤。 不同的“线段取舍和派生原则”都可以达到绘 制E p H 图。但各种裁决原则常缺乏化学家容易 接受的、符合物质稳定性概念的说理性∞’。 1 ．3 操作平台的选用 以前大多数软件系统都是基于M S D O S 平台 开发的。其中。数据库的建立则基于F o x p r o F o x b a s e Z o ；M S D O S 平台。但随着计算机硬 件及软件的发展，已逐步向W i n d o w s 或U n i x 平台 发展；主要原因在于W i n d o w s 界面友好，相对于 用户独立性强．易于实现人机对话‘2 8 , 卸；而U n i x 主要向网络化发展，易于资源共享㈣。在W i n d O w s 操作平台下中南工业大学冶化所的尹爱君∽1 、已绘 制出简单的E p H 图。 1 ．4 E p H 图形数据库在矿物工程中的研究现状 E p H 图在矿物加工中，特别是电化学浮选 中得到较好的应用。主要表现在 1 它可直观地描述硫化矿物捕收剂和具有 氧化还原性能的调整剂的各组分与电位和p H 的关 系。较典型的、具有氧化还原性的硫化矿物调整剂 是硫化钠。 2 描述硫化矿物的热力学稳定性，电位一p H 图可以描述硫化矿物稳定存在的电位和p H 范围， 以及在不同电位和p H 下硫化矿物所发生之变化或 存在形式。这方面的研究很多。对黄铁矿与磁黄铁 矿、方铅矿、毒砂、黄铜矿、辉铜矿等硫化矿物都 作出相应的E p H 图。 3 硫化矿物与捕收剂反应的电位一p H 图， 它可以明确地说明硫化矿物与捕收剂能够发生反应 产生疏水物质的电位与p H 条件，这方面的研究很 多，如方铅矿一乙基黄药、辉铜矿～黑药、铜 一乙基黄药等体系都作出了相应的电位一p H 图‘2 4 , 2 5 。 纵观硫化矿电化学的研究成果。E p H 图在 选矿过程中将起到越来越重要的指导作用。但由于 硫化矿浆体系具有组分多、影响因素多等特点，手 工绘制E p H 图将更加困难，同时以图形数据库 形式出现的还没见到。因此．开发E p H 图形数 据库对选矿来讲有着重要的现实意义。 2 E p H 图形数据库的应用 2 ．1 E - p H 图形数据库在其它领域中的应用现状 E p H 图是优势区相图的一种，它在电化学 领域中得到了很好的应用。特别是在电化学防腐中 具有较高的指导地位‘鼍但这些E p H 图都是在 手工基础上绘制的，缺乏系统性。同时以计算机图 形数据库的形式出现还很少见。 2 ．2 E p H 图形数据库在矿物土程中的应用前景 已有研究表明。硫化矿浮选行为与电化学过程 有着密切关系㈨嘣’。通过E p H 图可以很好地指 导矿物的浮选分离实践。 2 ．2 ．1 无捕收剂浮选分离。现有研究表明，无捕 收剂浮选分离与矿物表面S o 的生成有密切的关 系∽一鳓，在E p H 图中主要是同生成S o 单变线的 比较，即若某一优势区中，S o 与目标组分共存， 则表明目标组分在该优势区浮选性较好。 2 ．2 ．2 捕收剂浮选分离。捕收剂浮选分离。以黄 药为例。现有研究表明，黄药与硫化矿的作用是一 个电化学反应过程，主要是生成X ’及黄原酸 盐∽。御；因此，在E p H 图中主要是同生成X ， 及黄原酸盐单变线的比较，若某一优势区中，X ， 或黄原酸盐与目标组分共存，则目标组分可浮性较 好；相反通过调整体系的E 或p H 及X 一的浓 度，则可促使矿物表面的X ，的解吸或抑制X ，的 生成．使其可浮性降低，易于抑制。 3发展趋势 虽然E p H 图在冶金、化学、冶化、化工、 材料及选矿中都有广泛的应用，但目前的E p H 图形数据库系统的开发主要是停留在二维图形的处 理和应用上。随着计算机硬件及软件工程的飞速发 展，E p H 图形数据库应将发挥更大的作用，其 发展主要是智能化E p H 图形数据库系统的开 发；实现E p H 图形仿真及模拟；图形处理由二 维向三维E p H 图形发展。 参考文献 I 张索林等．中国有色金属学报，1 9 9 7 ，7 圆5 0 2 李大年，王乐珊，许志宏．计算机与应用化学，1 9 8 6 ，3 6 万方数据 第1 期 冯其明等E p H 图形数据库开发与应用的现状及趋势9 3 3L i n k s o nPB ，P h i l l i p sBD ，R o w i e sCD ．M i n e rS c iE n g , 1 9 7 9 ，11 2 6 5 4P o u r b a i xM ．A t l a so fE l e c t r o c t m - 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