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高考申論題 109年 [採礦工程] 選礦學

第 一 題

📖 題組:
請試述下列名詞之意涵:(每小題5分,共20分) (一)自體磨機 (二)阻礙沉降比值 (三)Rosin-Rammler分布函數 (四)電位決定離子
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

自體磨機

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看到「自體磨機」,應直擊其核心特徵:不依賴外加鋼球或鋼棒,而是利用礦石本身的衝擊與摩擦進行粉碎。作答時需包含其物理機制(大塊擊碎小塊)、設備特點及在實務應用上的優缺點(如節省介質成本、避免鐵污染,但受礦石性質限制大)。

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「自體磨機」(Autogenous Mill,簡稱 AG Mill)是一種在磨礦過程中不添加外來研磨介質(如鋼球、鋼棒)的粉碎設備。 特徵包含: (1) 物理機制:利用原礦中較大塊的礦石作為研磨介質,藉由磨機筒體旋轉帶動礦石拋落,使礦石間產生強烈的相互撞擊、摩擦與磨剝作用而達到粉碎目的。

小題 (二)

阻礙沉降比值

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作答時先點出「阻礙沉降」的高濃度礦漿環境,帶出流體表觀密度增加的物理條件。接著列出等降比值公式,並強調其數值大於自由沉降比值,最後連結到重力選礦實務中放大密度分選效果的應用意義。

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「阻礙沉降比值(Hindered Settling Ratio)」指在礦漿體積濃度較高(通常大於10%)的環境下,群體顆粒沉降時互相干擾,此時兩種密度不同但最終沉降速度相同的礦物顆粒(即等降顆粒),其輕礦物粒徑($d_l$)與重礦物粒徑($d_h$)之比值。 特徵包含:(1) 理論公式為 $R_h = d_l / d_h = [(\rho_h - \rho_m) / (\rho_l - \rho_m)]^n$,其中 $\rho_h$ 與 $\rho_l$ 分別為重、輕礦物密度,$\rho_m$ 為懸浮液表觀密度,$n$ 為介於 0.5(牛頓阻力區)至 1(斯托克斯阻力區)的常數。(2) 物理意義在於,因混合礦漿的表觀密度 $\rho_m$ 大於純流體(如水)密度,根據公式推導,阻礙沉降比值會大於自由沉降比值,這放大了密度差異對顆粒沉降行為的影響。 實務應用為重力選礦(如跳汰機、搖床、水力分級機),利用阻礙沉降的特性,能有效擴大入選礦物按密度分離時的粒度容許範圍(即不經嚴格篩分亦能分選),從而提升選別效率與回收率。

小題 (三)

Rosin-Rammler分布函數

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看到這個名詞,應立刻聯想到其為描述「碎磨產物粒度分布」的經典經驗數學模型。答題時必須點出其定義,並列出數學公式(務必解釋各參數代表的物理意義),最後補充其在選礦實務上的應用(如評估碎磨效率)。

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「Rosin-Rammler分布函數」為一種經驗數學模型,廣泛應用於描述碎磨產物(特別是煤炭及粉碎後礦物)的粒度分布特性。 其數學公式常表示為:$R = 100 \times \exp[-(d/d_0)^n]$。 特徵與參數意義包含:

小題 (四)

電位決定離子

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看到「電位決定離子」,應立即聯想到浮選過程中的礦物表面化學與雙電層理論。作答時需點出其定義(決定表面電荷的離子)、物理化學意義(影響表面電位),並舉出具體實例(如氫離子與氫氧根離子對氧化礦的影響)及在浮選實務上的應用(調控捕收劑吸附)。

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「電位決定離子」(Potential-determining ions, PDI)指在礦物與水溶液的界面上,能透過溶解、沉澱或特性吸附等機制,直接決定礦物表面電荷符號與表面電位(Surface potential)大小的特定離子。 特徵包含: (1) 雙電層基礎:它們參與構成雙電層(Electrical Double Layer)的最內層(表面電荷層),其在溶液中的活度或濃度變化會依據能斯特方程式(Nernst equation)直接改變礦物表面的熱力學電位($\psi_0$)。

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