基于硅氧烷分子结构和表面改性的胶体粘土矿物疏水团聚的基础研究

Effective aggregation of colloidal clay minerals is a big challenge faced by mineral industry in recycling water, purification of leach liquor and dewatering of clay products. This research proposal hypothesized that the natural hydrophobicity of clay mineral surfaces mainly depends on the occupation percentage of siloxane on the surfaces and the hydration strength of the coordination ions, and will testify this hypothesis through a series of experimental and theoretical studies.Accordingly, a new aggregation method for colloidal clay minerals in aqueous suspensions will be presented, which is based on the hydrophobic agglomeration through the surface modification for the hydrophobicity raised by the siloxane. The research work will include characterizing surface hydrophobicity and hydration on clay minerals, approaching into the interaction of siloxane area and non-siloxane area on clay mineral surfaces and its effect on the hydrophobicity, finding physical and chemical treatments to activate the hydrophobicity of siloxane area and to depress the hydrophilicity of non-siloxane area, developing a novel process of hydrophobic agglomeration for colloidal clay minerals based on the siloxane on the mineral surfaces.

胶体粘土矿物的高效聚团是选矿（煤）厂水循环、湿法冶金厂浸出液净化和粘土矿物产品过滤干燥面临的一大难题。本课题基于粘土矿物表面天然疏水性的强弱主要是由硅氧烷在该表面所占的面积的比例和配位离子的水化程度决定的假设，力图通过一系列的试验和理论研究来证实这一假设。在此基础上，通过人工调节来突出表面硅氧烷的疏水性，实现胶体粘土矿物天然疏水团聚，从而开发出一高效的胶体粘土矿物聚团的新方法。研究工作包括：粘土矿物表面疏水性和水化作用的表征；粘土矿物表面硅氧烷区域和非硅氧烷区域之间的相互作用以及对表面疏水性的影响；物理处理和化学药剂调节激化硅氧烷区域的疏水性贡献和抑制非硅氧烷区域的亲水性；提出一项有效的基于硅氧烷的胶体粘土矿物的天然疏水团聚新工艺。

胶体粘土矿物的高效絮团是选矿（煤）厂水循环、湿法冶金厂浸出液净化和粘土矿物产品过滤干燥面临的一大难题。研究证实胶体粘土矿物表面天然疏水性的强弱主要由硅氧烷结构在该表面所占面积的比例及配位离子的水化程度决定，通过调节突出表面硅氧烷的疏水本质，实现胶体粘土矿物天然疏水团聚，进而提出一个高效的胶体粘土矿物脱水的新方法。结果表明：粘土矿物表面硅氧烷结构位点呈电中性，而类质同象取代形成非硅氧烷区域荷负电，借助原子力显微镜探究有机阳离子与粘土矿物表面作用可定量计算硅氧烷区与非硅氧烷区。此外，非硅氧烷区通过静电作用吸附可交换阳离子，而阳离子具有强烈的水化作用，导致粘土矿物表面硅氧烷面具有强烈亲水性。通过简单的高温煅烧，硅氧烷结构中原子振动加剧而偏移原位的平衡位置导致硅氧烷键长和键角变化，变为无定形的二氧化硅结构，使该粘土矿物从疏水变为亲水。基于以上研究的硅氧烷特性，探究硅氧烷结构对胶体粘土矿物疏水团聚影响，研究发现具有两个硅氧烷面的滑石形成疏水性团聚体的程度和强度远大于具有一个硅氧烷面的高岭石，滑石絮凝体由于逐层絮凝结构的形成，其絮凝体积也远远大于高岭石的絮凝体积。围绕硅氧烷结构特性调控粘土矿物疏水团聚，利用有机阳离子屏蔽非硅氧烷区，暴露强疏水特性的硅氧烷区，可实现更强的疏水絮凝效果，同时调节硅氧烷结构特性制备新型粘土矿物基复合材料。研究从机理至实际的絮凝应用及粘土材料合成进行全面研究，对选矿（煤）厂浸出液净化和产品过滤干燥等领域有重要的实用价值。