【技术前沿】听专家讲：非硫化矿浮选药剂作用原理

世界金属导报

2022.07.1922:19

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【技术前沿】听专家讲：非硫化矿浮选药剂作用原理

世界金属导报

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钢铁工业协同创新关键共性技术丛书

编者按：“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”由钢铁共性技术协同创新中心副主任王国栋院士担任主编，业内多位院士担任顾问，联合钢铁行业各领域的权威专家、学者共同撰写，凝炼出涵盖整个钢铁制造全流程（选矿-冶炼-热轧-冷轧-产品-服务）的关键共性技术，包含国际原创性工艺思想和生产装备技术，可供钢铁企业及广大科技工作者了解新技术、应用新技术，帮助企业开阔视野、正确决策，促进钢铁行业高质量绿色发展。

非硫化矿浮选药剂作用原理

1 技术背景和研究意义

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随着非硫化矿入选矿石品位越来越低、嵌布粒度越来越细并且复杂化，对选矿药剂的性能提出了更高的要求，对新型高效浮选药剂的需求也变得十分迫切，传统的研制开发新型浮选药剂的方式已远远不能满足现代矿物加工工业的要求，需要有一套能与之相适应的更有效的研制方法与理论体系。

现代测试技术在选矿中的应用，使得基础理论研究更加细微，可以获得矿物表面几个原子厚度的化学成分和结构信息，确定最佳的浮选条件，并且可以丰富矿物与浮选药剂作用理论，解决现在矿物与浮选药剂吸附机理研究的理论还不够完善的问题。浮选药剂对目的矿物及其脉石矿物表面吸附作用机理的深入研究，将为提高复杂难选矿石浮选过程和分离过程的选择性提供新的有效方法。

浮选药剂分子设计虽然已经建立并且形成了较为系统的理论和方法，但目前仍有许多方面的内容需要继续完善，配方设计刚刚起步，目前认为比较成熟的极性基选择、非极性基设计等方面许多计算需要进一步完善，许多影响因素尚未全面纵向考虑，这些因素对分子设计的准确性和定量化程度有一些影响，需要在今后的工作中逐渐完善和发展。因此有必要深入研究含非硫化矿与浮选药剂分子的吸附机理，系统研究新开发的浮选药剂与矿物之间静电吸附机理、键合吸附机理以及分子键力吸附机理的地位与作用；重点研究非硫化矿浮选药剂分子结构共性问题及其吸附过程中氢键的作用，建立氢键强度表征方法，揭示浮选药剂极性基团与矿物作用机制，阐明矿物与浮选药剂分子的界面效应及其物理化学本质。在研究矿物颗粒在浮选药剂分子溶液中弥散、浸润、静电吸附、分子间缔合、化学键结合等现象的物理化学本质基础之上，寻求合成及设计高效低温浮选捕收剂。同时进一步发展新型捕收剂的合成、性能表征及机理研究新方法，其对于探索开发新型浮选药剂、阐明浮选药剂与非硫化矿物相互作用机理的共性基础问题具有重要科学意义及应用价值。

2 主要内容及创新点

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《非硫化矿浮选药剂作用原理》这本书共分两部分：第一章至第五章为基础部分，重点阐述了非硫化矿浮选药剂在矿物表面作用原理中的共性与基础问题；第六章为应用部分，从实际应用案例出发，分别介绍了十种具有代表性的非硫化矿浮选药剂种类、浮选效果及其作用原理。

本书的特点是力求通俗易懂地、系统地介绍非硫化矿浮选过程中涉及的矿物晶体化学、浮选表（界）面化学及物理化学等在非硫化矿与浮选药剂机理研究中的应用，在此基础上介绍了非硫化矿浮选药剂的基本组成、制备方法、应用情况及其最新研究进展。

本书重点研究非硫化矿浮选药剂的分子结构设计原理及浮选药剂与矿物作用的化学原理，旨在探讨非硫化矿浮选药剂极性基与矿物表面作用的化学本质，为非硫化矿浮选药剂分子结构设计与研发奠定理论基础。

非硫化矿不仅涵盖铁矿石中常见矿物如赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿、石英，而且还包括磷灰石、重晶石、铝土矿、萤石、菱镁矿等大宗、具有重要工业价值的目的矿物；特别是具有战略资源的锂辉石、白钨矿、黑钨矿、氟碳铈矿等稀有元素矿物也属于非硫化矿。与这些目的矿物共生的脉石矿物也属于非硫化矿，如白云石、方解石、长石、云母等，因此非硫化矿浮选体系中各类矿物的浮游差不大，浮选难度增大，所以详细地了解矿物颗粒与浮选药剂分子（离子）之间相互作用的化学原理显得尤为重要。

研究非硫化矿浮选药剂作用化学原理，可为非硫化矿的基因矿物加工奠定坚实的理论基础，更有利于非硫化矿石的精细化分选。基因矿物加工工程由矿冶科技集团有限公司孙传尧院士首次提出，并得到行业内广泛认可。通过基因矿物加工工程的实施，可将由经验积累、试验探索为主的传统模式转变为矿石性质数字化、技术方案决策智能化的现代模式，有望创新矿物加工工程的研究方法，大幅缩短研究周期、减少试验工作量，使矿物加工工艺开发过程更加客观。因此，非硫化矿浮选药剂作用化学原理的研究内容将会充实非硫化矿“基因”数据库和矿物加工工程数据库，为非硫化矿石的浮选奠定理论基础。

3 研究成果与应

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依托本书基础研究的成果，东北大学朱一民教授首次提出了“捕收剂极性基团中活性原子的价层电子密度（态密度）与矿物表面活性原子的价层电子密度（态密度）匹配关系（类似于“钥匙与锁”的齿间咬合互补关系）才是捕收剂对某种矿物具有高效选择性的本质关键所在”的新学术观点，结合氢键形成条件及氢键强度检测分析，发现了氢键吸附在捕收剂极性基与矿物表面活性原子之间不可忽视的重要作用，创造性地提出了“氢键耦合多基团协同”的捕收剂分子结构组装新理论。

基于捕收剂极性基团中活性原子的价层电子密度（态密度）与矿物表面活性原子的价层电子密度（态密度）匹配关系原理，以α卤代脂肪酸及含有伯氨、仲胺、醚胺、酰胺以及多胺等为原料，进行α位的多极性基取代反应，合成了用于含铁碳酸盐矿正浮选高效螯合捕收剂及用于反浮选石英的多极性基两性捕收剂，不仅降低了捕收剂的凝固点，而且还提高了其活性和分散性，以适应较低的浮选温度。同时还研制了不同取代度的羧甲基淀粉、聚丙烯羧酸、羧甲基酰胺类抑制剂及其与小分子组合抑制剂，强化了极性基团与微细粒铁矿物的作用，从而降低浮选尾矿中微细粒铁矿物的含量。

首次提出低温捕收剂结构设计原则：

1）增加捕收剂分子中极性基的数目即活性吸附点。增加捕收剂分子中极性基的数目可以增加捕收剂分子整体的极性。通过对多胺、叔胺、醚胺与伯胺进行浮选对比试验，结果表明捕收剂中键合原子N数目的增加，可以增加捕收剂的活性吸附点，并使其更易离子化，这既增强了捕收剂在矿物表面的吸附作用，又提高了捕收剂的亲水性能。

2）增加亲固原子（基团）的电负性。在羧基的α位引入卤素原子，由于诱导效应可以增强羧基亲固原子O的电负性，也使得羧酸酸性增强，且因空间效应阻碍了捕收剂分子间以氢键缔合相应地增加了其在矿浆中的浓度。而若引入胺基基团，由于胺基本身又可以与水分子中的O原子发生氢键作用，使得该类捕收剂在水溶液中具有更好的溶解性能。同时，该方法也增强了浮选捕收剂对Ca2+、Mg2+等离子的适应性，使之可在硬水环境中进行使用。

3）增加亲固原子的电子效应，进而增强N原子的静电作用。在N原子上引入极性基或烃链结构，利用其给电子效应来增强N原子上的电荷密度，增强捕收剂分子极性基的极性，提高捕收剂分子在低温水环境下的溶解能力。

基于以上几点的考虑，在浮选捕收剂分子极性基设计中键合原子同时选择氧原子和氮原子，以增加捕收剂分子中的极性基数目。将带有仲胺基基团（-NH-R）烃链引入到脂肪酸羧基α碳位置上，设计出极性基都是含有伯胺基团、仲胺基团、单键氧、双键氧的多极性基两性捕收剂。此时，不仅胺基烃链可以增强脂肪酸羧基基团中亲固原子氧的协同作用，而且羧基烃链又可以增强氮原子的静电作用，使得捕收剂分子极性基能够具有更强的极性，实现其在低温水环境下更好的溶解及分散性能。

依托本书基础研究的成果，东北大学针对鞍钢矿业有限公司齐大山铁矿石进行了新型低温浮选药剂研发，简化了浮选作业区的药剂制度，将铁矿石反浮选四种药剂简化为两种药剂，降低了浮选作业温度，并能得到高质量铁精矿，为鞍山式铁矿石低温浮选药剂的工业化应用奠定了坚实基础，为鞍钢矿业有限公司齐大山分公司浮选作业区的后续浮选药剂制度优化提供了依据。此外，本书的新型低温浮选药剂部分研究成果依托东北大学矿物加工工程专业的“贫杂铁矿石资源化利用关键技术集成与工业示范项目”获得国家科技进步奖二等奖。