硅酸盐矿物与季鏻盐类浮选剂界面相互作用机理及结构性能研究

The efficient separation of silicate mineral is the basis and prerequisite for the effective utilization of oxidized ore resources. Due to complex crystal structure and dissolution behavior, silicate minerals have certain nonselective reactivity with lots of conventional flotation agents, which leads to difficult flotation separation. Nowadays, there are still various shortcomings and insufficiencies for the flotation agent of desilication. How to improve the pharmaceutical performance is not only the main direction of oxidized ore flotation agent research and development but also the technical problem for the effective utilization of the oxidized ore resources. This project took silicate minerals and quaternary phosphonium salts as research objects. The relationship among the crystal structure and the surface properties and the flotation behavior were studied. A structure model of quaternary phosphonium salts for silicate minerals flotation were built by flotation tests. The solution chemical behaviors and the complex interfacial interactions between quaternary phosphonium salts and silicate minerals were also studied. In order to optimize and design a new series of quaternary phosphonium salts, the structure-property relationship of quaternary phosphonium salts were researched. If efficient quaternary phosphonium salts were designed successfully and the best reagent system was found, it was important doubtlessly both in theory and in practice to efficiently promote the comprehensive utilization of the oxidized ore resources.

硅酸盐脉石矿物的高效脱除是氧化矿资源有效利用的前提和基础，然而硅酸盐矿物具有复杂的晶体结构和溶解行为，与常规浮选剂都有一定的非选择性反应活性导致矿物间浮选分离困难。现今的浮选脱硅药剂仍存在各种缺点和不足，如何改进药剂性能，是氧化矿浮选剂研发的主要方向，也是有效利用氧化矿资源亟待解决的技术难题。本项目以主要硅酸盐矿物和季鏻盐浮选剂为研究对象，研究晶体结构与表面性质及浮选行为的关系；结合浮选实践，研究建立硅酸盐矿物的高效季鏻盐浮选剂结构模型，研究季鏻浮选剂/硅酸盐矿物各种相互作用溶液化学行为及复杂界面相互作用；确定季鏻盐类浮选剂的结构-性能关系，并优化、组装新型的季鏻盐浮选剂；最终开发具有代表性的季鏻盐药剂，找到适合硅酸盐浮选的最佳药剂条件，开发高效硅酸盐浮选分离技术，对于解决我国硅酸盐矿物的高效分选和提高该类型矿产资源综合利用率等问题，具有重要的理论意义和实际价值。

铝、铁、钛金属作为主要工业原料，在国民经济发展的过程中扮演着重要的作用。然而硅酸盐矿物是铁、铝、钛等氧化矿中的主要脉石矿物，同时硅酸盐脉石矿物在浮选分离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SiO2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鏻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。并研究了组合脂肪酸捕收剂和活化剂对矿物浮选脱硅的影响机制，主要研究内容与创新成果如下：.（1）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有价矿物与含硅脉石矿物结构、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，研究发现，可利用有价矿物与脉石矿物两者晶体结构的本质差异，通过设计大横截面极性基的阳离子捕收剂来扩大浮选药剂在矿物表面的吸附差异，从而提高药剂浮选选择性。.（2）阳离子脱硅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，构建了可预测阳离子捕收剂性能的QSAR模型，阐述了浮选药剂选择性与其分子形态、分子总能量和亲疏水性的线性关系；设计了“星状”和“季鏻”结构的阳离子浮选药剂，强化了捕收剂的基团核电性能。.（3）正浮选脱硅浮选剂的协同组装研究.研究了不同碳链饱和脂肪酸对含硅矿物的浮选脱离效率。发现针对钛铁矿酸性条件下的浮选脱硅，饱和脂肪酸捕收剂有最适宜的碳链长度；碳链过长或者过短均不能有效浮选钛铁矿。同时，铅离子可与脂肪酸进行配位组装，以改善钛铁矿与含硅矿物的分选性能。