新型季鏻（铵）盐的结构性能与作用机理研究及应用

【摘要】硅酸盐矿物是铁、铝等氧化矿中的主要脉石矿物但氧化矿中的硅酸盐脉石矿物在浮选过程中容易泥化且与有价矿物表面化学性质相似,这增加了矿物间浮选分离的难度并使精矿中SiO：含量过高,直接影响后续冶炼过程,严重制约了氧化矿资源利用水平的提高。本文采用多种现代测试技术并结合理论分析,对新型的星状季铵盐和季鳞盐型阳离子捕收剂结构与浮选性能的关系、矿物表面性质差异对药剂吸附的影响以及不同药剂吸附的微观差异等内容进行了系统的研究。主要研究内容与创新成果如下：(1)季铵盐捕收剂的定量构效关系研究采用QSAR方法研究了季铵类捕收剂结构与选择性之间的关系。通过选取和计算药剂的量化参数、拓扑参数及选择性指数,构建了可预测季铵类捕收剂性能的QSAR模型,量化了季铵盐-铝土矿浮选体系中药剂结构参数与浮选选择性间的相互关系。基于理论模型分析可知,季铵类捕收剂的选择性与其分子形态、分子总能量和亲疏水性密切相关；具有适合的logP值且总能量更负的浮选药剂最适合作为铝硅酸盐矿物反浮选分离的捕收剂,这为新型捕收剂的设计优化提供了理论基础。(2)基于矿物表面性质差异的药剂分子设计通过密度泛函理论计算、分子动力学模拟及分子中原子的理论分析对一水硬铝石与高岭石结构、晶体性质的研究,探讨了表面原子组成对捕收剂吸附的影响机制,建立了不同的矿物表面性质与药剂吸附行为的关系,为新药剂的基团构型选择提供了依据。在一水硬铝石和高岭石晶体表面结构的研究中发现,两种矿物的价带均主要由氧原子提供,且氧原子是矿物表面唯一能向外提供电子的负电中心,两种矿物的活性位点相同。但高岭石具有氧原子暴露的最外表面而一水硬铝石的最外表面却为氢原子,这是药剂在矿物表面吸附行为不同的主要原因。通过合理利用空间位阻效应以减少浮选药剂分子对一水硬铝石表面O原子的吸引,同时增强其与高岭石O原子的作用,可有效提高捕收剂对铝硅矿物浮选分离的选择性。在阳离子捕收剂中心原子的研究中,发现捕收剂中心原子的改变对其浮选行为的影响。由于阳离子捕收剂与含硅矿物之间存在静电作用；浮选捕收剂中心原子由N改变为P,可改变捕收剂分子极性基团的荷电性质,增强捕收剂的静电作用能力,提高捕收剂分子对含硅矿物的捕收能力。(3)捕收剂在含硅矿物表面的吸附特性研究利用动电位测试、吸附量测定、荧光光谱分析与原子力显微镜探测等方法,研究了不同药剂吸附后矿物表面电性、吸附密度、吸附层微极性以及吸附聚集数的差异,发现在静电吸引力和碳链疏水缔合力的共同作用下,阳离子药剂与矿物表面的吸附一般会经历自由吸附、半胶束吸附和胶束吸附几个过程。药剂结构的差异会对其自身电荷分布及空间位阻产生影响,从而影响药剂在矿物表面的吸附与聚集,进而影响浮选,深入揭示了捕收剂结构影响矿物浮选的内在机制。AFM观察结果表明,不同药剂在矿物表面的吸附形貌各不相同,同种药剂随着药剂浓度的不同,吸附形貌也发生变化。随着药剂用量的增加,吸附先后出现单分子层、双分子层以及多分子层的变化。这与荧光测试结果基本一致。(4)实际矿石的反浮选脱硅研究针对Al/Si5.36左右的河南某铝土矿矿石,在相同试验条件下,比较了1231与新型捕收剂的浮现性能,试验结果表明新型捕收剂可获得更优的浮选指标,得到了A1203品位67.84%,铝硅比9.18的反浮选精矿,这个选别指标完全满足了铝土矿拜耳法的生产要求。在针对淄博某铁矿的浮选试验中,发现新型捕收剂浮选指标同样优于1231。采用闭路试验可得到TFe品位62.19%,回收率80.19%的铁精矿。验证了前面基础理论研究的结果。
【作者】陈攀；
【导师】胡岳华；孙伟；
【作者基本信息】中南大学，矿业工程，2014，博士
【关键词】季鳞盐；星状季铵盐；氧化矿；脱硅；反浮选；

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