季铵捕收剂在白钨矿浮选中的应用及其作用机理研究

【摘要】白钨矿同含钙脉石矿物的分离一直是矿物加工领域公认的难题。传统的阴离子捕收剂由于主要通过与表面钙原子的作用实现白钨矿的捕收而缺乏对含钙脉石的选择性,而通过物理吸附的阳离子捕收剂,则可以利用白钨矿同含钙脉石矿物间表面动电位的差异实现这几种矿物的分离。因此,理论上阳离子捕收剂对白钨矿的选择性更强。本论文研究了阳离子捕收剂季铵盐在白钨矿常温浮选中的应用,系统探讨了季铵捕收剂在白钨矿和主要脉石矿物方解石表面的吸附机理、吸附行为及微观吸附结构,并以此为切入点,揭示了白钨矿和方解石的表面结构差异。主要研究内容和创新如下：(1)季铵捕收剂对白钨矿和方解石的浮选性能通过单矿物和人工混合矿的浮选实验系统研究了三种季铵捕收剂对白钨矿和方解石的浮选性能。与传统的阴离子型捕收剂油酸钠相比,阳离子型季铵捕收剂双十烷基二甲基氯化铵(DDAC)和三辛基甲基氯化铵(TOAC)对白钨矿的捕收能力更强,同时对白钨矿和方解石的浮选分离的选择性更好。十二烷基三甲基氯化铵(DTAC)对白钨矿的捕收能力则显著弱于DDAC和TOAC,不能实现白钨矿和方解石的浮选分离。(2)季铵捕收剂在白钨矿和方解石表面的吸附机理及吸附模型通过表面动电位、红外光谱分析以及分子轨道理论分析,探讨了季铵捕收剂在白钨矿和方解石表面的作用机理；通过吸附量测试结合表面动电位分析,研究了季铵捕收剂在两种矿物表面的吸附过程,并建立了吸附模型。浮选条件下季铵捕收剂与白钨矿和方解石表面的吸附为物理吸附。动电位测试结合浮选结果表明,静电作用是季铵捕收剂浮选分离白钨矿和方解石的主要作用。“两步”吸附模型能较好地拟合三种季铵捕收剂的吸附行为。DDAC在吸附第一阶段与矿物间的作用最强,在吸附第二阶段形成胶束的缔合作用也是最强的。其次是TOAC,DTAC最弱。三种季铵捕收剂的作用差异表明,它们与两种矿物间除了静电作用,范德华力也是一种主要的作用。而静电作用是基础,范德华力的贡献超过了静电作用。季铵捕收剂在白钨矿和方解石表面较大的吸附量差异,即季铵捕收剂的选择性,是由白钨矿和方解石的电性差异以及季铵捕收剂分子间较大的缔合作用(范德华力)共同造成的。由于三种季铵捕收剂与矿物间的作用差异以及捕收剂分子间的缔合作用差异,DDAC在第一阶段尚未达到饱和吸附的情况下就开始有胶束的形成；DTAC在第一阶段达到饱和吸附后才开始有胶束的形成；TOAC居于两者之间。三种季铵捕收剂的浮选性能与其在两种矿物表面吸附行为的关系表明,季铵捕收剂与矿物间的作用以及捕收剂分子间的缔合作用不宜过大(如DDAC),也不宜过小(如DTAC)。TOAC处于最佳的范围,因此其浮选性能最佳。(3)季铵捕收剂在白钨矿和方解石表面的微观吸附结构利用分子动力学模拟,从三个层面研究了水溶液中季铵捕收剂在白钨矿和方解石表面的微观吸附结构：白钨矿和方解石表面的水化层结构；季铵捕收剂在白钨矿和方解石表面的单分子吸附构型；季铵捕收剂的胶束结构。方解石(104)面的水化层呈现出较为紧密且有序的状态,而白钨矿(101)面的水化层则较为松散、无序。这一点有利于季铵捕收剂取代表面吸附的水分子达到在矿物表面的吸附。TOAC在白钨矿和方解石表面吸附的分子动力学模拟证明了这一点。水溶液中,白钨矿(101)wo4和(101)Ca的表面Ca原子在水分子的作用下,较真空中,出现了进一步的弛豫(向外的位移),而表面W原子则基本不变。这表明水溶液中表面Ca2+较WO42-更容易被溶解。而方解石(104)面的表面C原子和表面Ca原子在水分子作用下的弛豫程度则基本相同。这与自然pH条件下,白钨矿表面动电位为负而方解石表面动电位为零左右是一致的。季铵捕收剂的胶束结构与其疏水基团的碳链结构有关。由季铵捕收剂在溶液中的团聚行为推测它们在白钨矿和方解石表面可能形成的胶束结构为：DDAC的表面胶束化程度最高,胶束呈现出圆柱状；其次是DTAC,它的表面胶束则呈现出球状；TOAC则没有形成具有特定形状的胶束,而是由平均三到四个分子的缔合体联结而成的网状吸附结构。它的这种结构更有利于它的选择性(4)季铵捕收剂在白钨矿常温浮选中的应用对柿竹园某白钨矿,采用石灰法以733和苯甲羟肟酸为捕收剂进行粗选,然后在酸化水玻璃条件下对白钨粗精矿进行强搅拌,然后进行一次空白精选,再加入季铵捕收剂进行一次精选。以DDAC为捕收剂取得了精矿WO3品位51.02%,回收率54.65%的指标；以TOAC为捕收剂取得了精矿WO3品位52.01%,回收率51.54%。TOAC的选别效率略优于DDAC。同时,与两次空白精选的比较表明,季铵捕收剂显著提高了精选中白钨矿和方解石的分选效率。
【作者】杨帆；
【导师】胡岳华；孙伟；
【作者基本信息】中南大学，矿业工程，2013，博士
【关键词】白钨矿；方解石；季铵捕收剂；分子动力学模拟；

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