甲基取代基对阳离子捕收剂浮选性能的影响_王本英.pdf

甲基取代基对阳离子捕收剂浮选性能的影响王本英1)，刘文刚2)，徐新阳2)，刘文宝2)1)沈阳化工大学环境与安全工程学院，沈阳1101422)东北大学资源与土木工程学院，沈阳110819通信作者，E-mail:摘要浮选药剂的结构对其性能具有重要影响，向现有药剂中引入适宜的取代基，基于取代基效应实现药剂浮选性能的改变，已成为高性能浮选药剂开发的重要手段.为明确甲基对阳离子捕收剂浮选性能的影响，以十二胺（DDA）、N十二烷基甲胺（MDA）、N,N十二烷基二甲基叔胺（DMDA）、十二烷基三甲基氯化铵（DTAC）为样本，通过浮选试验考察了甲基取代基引入对药剂捕收能力和浮选选择性的影响规律，并基于药剂静电势图和极性基范德华体积的计算，明确了甲基对阳离子捕收剂浮选性能的影响机制.浮选试验结果表明，随着阳离子捕收剂中心原子中甲基的引入，石英和赤铁矿单矿物的浮选回收率逐渐降低，但人工混合矿的分离指数升高.给电子基团甲基的引入，改变了阳离子捕收剂的电荷分布密度，促使中心原子上的电荷数增加，削弱了药剂与矿物表面的静电吸附强度，从而导致浮选回收率下降.同时，甲基引入后，阳离子捕收剂中极性基尺寸变大，从而增加了药剂与矿物表面作用的空间位阻，增强了阳离子捕收剂的浮选选择性.关键词阳离子捕收剂；甲基取代基；捕收能力；浮选选择性；静电势；空间位阻分类号TD923EffectofmethylsubstituentsonflotationperformanceofcationiccollectorsWANG Ben-ying1)，LIU Wen-gang2)，XU Xin-yang2)，LIU Wen-bao2)1)CollegeofEnvironmentalandSafetyEngineering,ShenyangUniversityofChemicalTechnology,Shenyang110142,China2)SchoolofResourcesandCivilEngineering,NortheasternUniversity,Shenyang110819,ChinaCorrespondingauthor,E-mail:ABSTRACTWiththeimplementationofcarbonpeakandcarbonneutralityvision,anaminecollectorhasbeenextensivelyappliedinreverseflotationofbauxite,iron,andphosphateoresfordesiliconization.Previousresearchindicatesthatthemolecularstructureofflotationreagentshasasignificantinfluenceontheircollectingperformanceandflotationselectivity.Regardingthesubstituenteffectoforganics,amethodwhereinasuitablesubstituentisinsertedintoexistingreagentshasbeenusedtodevelopnewhigh-performanceflotationreagents.Toclarifytheeffectofmethyloncollectionabilityandflotationselectivityofcationiccollectors,flotationseparationofquartzandhematitehasbeenconducted.C12alkylcationicsurfactantssuchasdodecylamine,dodecylmethylamine,N,Ndimethyldodecylamine,anddodecyltrimethylammoniumchloridewereselectedascollectors.TheactivemechanismofmethylontheflotationperformanceofcationiccollectorswasalsodeterminedbycalculatingtheelectrostaticpotentialofthecollectorsandthevanderWaalsvolumeofitspolargroup.Thecollectionabilitiesofcationiccollectorswereinvestigatedbysinglemineralflotation.Theresultsindicatethatflotationrecoveriesofquartzandhematitearedecreasedwiththeinsertionofamethylgroupintocentralatomofacationiccollector.Further,theeffectofmethylonselectivityofcationiccollectorswasinvestigatedbyflotationseparationofartificiallymixedquartzandhematite.Theresultsrevealedthattheseparationefficiencyofartificiallymixedquartz/hematiteisincreasedgraduallyduetothedrasticreductioninhematiteflotationrecoveryrate.Amethylgroupisanelectrondonatinggroup.Thecalculationanddiagrammingofelectrostaticpotentialforselectedcollectorsrevealthatthechargedistributiondensityofthecationiccollectorisvariedbythe收稿日期:20220710基金项目:国家自然科学基金资助项目（52274254）工程科学学报，第45卷，第8期：12471253，2023年8月ChineseJournalofEngineering,Vol.45,No.8:12471253,August2023https:/doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2022.07.10.001;http:/introductionofanelectrondonatinggroup.Consequently,thechargenumberofcentralatomisincreased,therebyweakeningthepositiveelectrostaticpotentialoftheatomandmakingtheelectrostaticadsorptionstrengthbetweencollectorandmineralsurfacelower.Therefore,theflotationrecoveryratedecreased.Meanwhile,thesizeofapolargroupforcationiccollectorsisenlargedbyintroducingthemethylgroup,thusincreasingthesterichindranceofreagentsandmineralsurfaceinteractionandresultinginanincreaseinflotationselectivity.Withanincreaseinthemethylgroupnumber,theflotationseparationefficiencyofartificiallymixedquartzandhematitebecomesincreasinglyhigh.Inthefuture,obtainingandquantifyingcorrelationparametersofsubstituentsandthenexplicatingtherelationshipbetweensubstituentparametersandflotationperformanceofcationiccollectorswouldbebeneficialtoestablishanewdesignmethodforcationiccollectors.KEY WORDScationic collectors；methyl substituent；collecting capability；flotation selectivity；electrostatic potential；sterichindrance有机化合物都是由某些特殊基团（取代基）逐步取代烃分子中的氢原子或碳原子而得到的.基团取代化合物中的氢原子或碳原子后，会通过电子效应、空间效应和疏水效应影响物质的物理化学性质，导致化合物性能的改变1，这种变化通常用取代基效应来描述.浮选药剂的结构对其性能具有重要影响，凭借经验向现有浮选药剂分子中引入适宜的取代基2，并基于取代基效应实现药剂浮选性能的改变，已成为高性能浮选药剂开发的重要手段3.阳离子捕收剂绝大部分为含氮的有机化合物.其作为硅酸盐矿物的有效捕收剂，在铁矿浮选脱硅，菱镁矿浮选脱硅，可溶性钾盐、磷矿以及有色金属氧化矿浮选等方面发挥着重要作用47.近年来，随着“碳达峰”和“碳中和”战略的实施8，阳离子浮选技术得到了快速发展，阳离子捕收剂的开发与应用也越来越受到重视.为解决阳离子捕收剂应用过程中捕收能力弱、选择性差等问题，研究者通过向伯胺分子中引入不同的取代基，开展了系列基于取代基效应的阳离子捕收剂开发工作910.夏柳荫11的研究表明，取代基数目与构型影响阳离子捕收剂中心原子（N）的电荷，进而影响捕收剂与矿物表面的静电与氢键作用.Liu 等3结合量子化学计算与分子动力学模拟，初步探索了甲基、乙基、丙基和苄基对伯胺类捕收剂浮选行为的影响.伍喜庆等12分析了捕收剂十二胺、DHPA-3、十二烷基二甲基叔胺以及十二烷基三甲基氯化铵浮选行为的差异，探索了甲基对阳离子捕收剂浮选行为的影响.刘文刚等考察了乙胺基、丙胺基、羟乙基、羟丙基等对阳离子捕收剂浮选性能的影响1316，结果表明，亲固基团中取代基的类型和取代度均会对捕收剂的捕收能力和浮选选择性产生影响，随着取代度的增加，捕收剂的浮选选择性逐渐升高.众多研究表明，取代基的引入或改变会对捕收剂中心原子的电荷分布产生影响1718，从而导致捕收剂浮选性能的改变.目前，研究者已经意识到取代基对阳离子捕收剂浮选性能的影响19，并探索了部分取代基的影响规律.但针对取代基的影响机理尚未进行系统分析.鉴于此，本文在前期研究成果的基础上，选取含甲基的阳离子捕收剂为样本，全面研究了甲基的取代基效应及其对阳离子捕收剂浮选性能的影响规律.1试验1.1试验原料1.1.1试验矿样块状、高品位的石英矿石取自辽宁本溪某矿山.首先，将石英富矿块破碎至 5.0mm 左右，手选出高品位石英矿块，继续破碎至 2.0mm 以下；然后，用陶瓷球磨机将石英砂磨细至 0.074mm 以下，将获得的细粒级产品进行 3 次浓盐酸酸浸处理，每次浸出 24h，然后用去离子水连续清洗多次，直至溶液 pH 呈中性.块状、高品位赤铁矿矿石取自辽宁鞍山齐大山选矿厂.首先，将赤铁矿富矿块破碎至 5.0mm左右，手选出品位较高的赤铁矿矿块，并将其继续破碎至 2.0mm 以下；用湿式球磨机将赤铁矿样品磨至0.074mm，将获得的细粒级产品进行弱磁选，以除去混杂的磁铁矿，对弱磁选得到的产品进行三次摇床分选，以提高赤铁矿品位.将制取的石英和赤铁矿样品用标准筛分级，选取0.074mm+0.015mm 粒级样品在真空干燥箱中低