氧化矿表面水化层结构及其对矿物浮选分离的影响以及调控机制

Iron is the most widely used metal, and refractory oxide mineral resources are its main sources. Taking typical oxidized ores of iron, including hematite, ilmenite and the associated quartz, chlorite as the research objects, based on advanced experimental characterizations, this project will develop more effective and more reasonable computational models for molecular dynamics simulation and quantum chemistry calculation, propose more accurate molecular field ， combine the advanced experimental characterization tools and efficient computational simulations to systematically and thoroughly investigate on the common exposed surface structures of these oxide minerals, surface acid-base properties, surface hydration layer microstructure and hydration mechanism, states of the adsorbed water molecule and the adsorption mechanism, states of the flotation agent adsorbed on the hydration surface and its mechanism; research on relationships between the mineral crystal structure and the common exposed surface structure, the wettability and the hydration layer structure; reveal the hydration-layer structure and its effects on the flotation separation of the oxidized minerals and the involved regulatory mechanism ；perform optimal design for the required flotation agents, establish quantitative relationship between the structure and its performance for the optimal flotation agent. The systematic research achievements will constitute the fundamental theory of surface and interface physical chemistry for the refractory oxidized ore flotation separation industry. The research results in this project will be meaningful to select and/or design more effective flotation reagents for oxidized ore flotation, to more generally guide the flotation separation practice of refractory oxidized ores, and to improve the comprehensive utilization of this type of mineral resources.

铁是使用最广泛的金属，难选氧化矿物资源是其重要来源。本项目以铁的典型难选氧化矿物赤铁矿、褐铁矿及其伴生的石英、绿泥石等氧化矿为研究对象，基于先进的实验表征，发展更加有效合理的量子化学和分子动力学计算模型；开发更加准确的分子力场； 并将先进的实验观测和高效的计算模拟相结合，系统研究氧化矿物常见暴露面的表面结构，表面酸碱特性，表面水化层微观结构和水化作用机制；水分子吸附形态和吸附机理；浮选剂在水化表面的的吸附形态和作用机理；研究矿物晶体结构与常见暴露面结构、润湿性及水化层结构的关系，揭示水化层结构对矿物浮选分离的影响以及调控机制；并对浮选剂进行优化设计，建立氧化矿浮选剂结构-性能的定量判据。系统研究成果形成难选氧化矿浮选分离的表界面物理化学理论。本研究对于促进氧化矿浮选剂的高效筛选及优化设计，更普遍地指导难选氧化矿的浮选回收实践，提高该类型矿物资源的综合利用率，具有重要的工业意义和学术价值。

难选氧化矿物资源是铁等战略金属的重要来源。本项目以典型难选氧化矿物赤铁矿、褐铁矿（针铁矿）、锡石及其伴生的石英、绿泥石、云母等氧化矿物为研究对象，基于先进的实验表征（AFM、XPS、Raman等），发展更加有效合理的量子化学和分子动力学计算模型； 将实验观测（AFM、XPS、RAMAN、FTIR）和计算模拟（CASTEP、VASP、Forcite）相结合，系统研究了氧化矿物晶体的表面结构，表面水化微结构和水化作用机制；水分子吸附构型和吸附机理；浮选药剂在水化表面的吸附构型和作用机理；研究矿物晶体结构与常见暴露晶面结构、润湿性及水化层结构的关系，揭示了水化层结构对矿物浮选分离的影响以及调控机制；建立了基于表面水化微结构的氧化矿物浮选捕收剂的结构-性能的构效关系模型。本项目的系统研究成果丰富了难选氧化矿浮选分离的表界面物理化学理论。主要的研究结论为：（1）水分子在赤铁矿等氧化矿物表面不仅可以发生吸附，而且由于强烈的水化作用可以发生自动羟基化解离吸附，形成水化层微结构，水化层主要由羟基化层、初级水化层和次级水化层构成；（2）捕收剂分子在氧化矿物表面活性位点的有效吸附需要克服表面水化层的阻力，金属离子活化作用通过降低水分子的吸附作用和增强捕收剂剂的配位作用来强化捕收剂在氧化矿物表面的吸附；（3）氧化矿物表面水化羟基结构和水分子可以参与捕收剂在表面的吸附过程，通过自身的氢质子转移促进吸附作用。氧化矿物表面水化结构对捕收剂的界面作用具有关键影响，通过对氧化矿物水化表面结构和界面作用的选择性调控可以有效强化难选氧化矿物的浮选分离。本研究对于促进氧化矿浮选药剂的高效筛选及“靶向”设计，更普遍地指导难选氧化矿的浮选回收实践，提高难选氧化矿资源的综合利用率，具有重要的工业意义和学术价值。