铜铅锌铁主要硫化氧化矿物浮选的基础理论研究

【摘要】： 本文针对铜铅锌铁典型的硫化矿(黄铜矿、方铅矿、闪锌矿、黄铁矿)、铜铅锌典型的碳酸盐矿物(孔雀石、白铅矿和菱锌矿)和铁氧化矿物(磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿)利用4种黄药类捕收剂(乙基黄药、丁基黄药、辛基黄药和十二烷基黄药)、乙硫氮、丁基铵黑药、2种胺类捕收剂(十二烷基胺和十八烷基胺)、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠、油酸和非离子型(异丙)乙硫氨酯展开了浮选纯矿物研究,并对12种捕收剂分别与10种试验矿物(未活化)作用后进行了FTIR研究。在总结前人研究的基础上提出了应用分子力学的方法对12种捕收剂分别与9种试验矿物作用进行了模拟和计算。 根据浮选试验、红外测试结果,应用分子力学模拟和计算的捕收剂与矿物表面作用的模型和能量进行了分析,指出捕收剂与矿物表面作用的分子力学能量分析方法是可以解释捕收剂-矿物体系的相互作用。 经过系列的浮选试验研究,认为试验的药剂不存在传统意义的硫化矿捕收剂和氧化矿捕收剂。其中油酸是所有试验矿物的捕收剂,不管矿物是铜铅锌铁硫化矿物、铜铅锌碳酸盐矿物还是铁氧化矿物；高级黄药是试验的硫化矿物和铜铅锌碳酸盐矿物的高效捕收剂；胺类捕收剂是硫化矿和铜锌碳酸盐矿物、磁铁矿的捕收剂；传统意义上氧化矿捕收剂烷基硫酸、烷基磺酸是典型铜铅锌铁硫化矿和铜铅锌碳酸盐矿物的捕收剂。 不同碳链长度黄药的试验证实：在同一黄药官能团上,随着烃链长度的增加,药剂的logP值增加(药剂的疏水性增加),药剂与矿物作用能的绝对值也略有增加,对铜铅锌铁典型硫化矿和铜铅锌碳酸盐矿物的捕收能力也增加。其中辛基黄药和十二烷基黄药呈现出好的捕收能力。 红外光谱检测结果与不限定捕收剂用量的浮选试验结果在总体上有较好的相关关系,但仍然存在部分不一致的情况。1)对于铜铅锌铁硫化矿物,凡是红外光谱检测到铜铅锌铁硫化矿物表面存在捕收剂特征吸收峰的捕收剂是可以浮游硫化矿的,但未检测到特征吸收峰的试验药剂,仍然可以浮游硫化矿。2)对未活化的3种铜铅锌碳酸盐矿物,红外光谱检测到捕收剂特征吸收峰的捕收剂中较长烃链药剂是可以浮游这些碳酸盐矿物的；但未出现红外光谱捕收剂特征吸收峰的药剂,其中疏水性强的捕收剂仍然可以浮游未活化碳酸盐矿物；对于那些出现红外光谱特征吸收峰的药剂,但可能因为这些药剂的疏水性不够强而不能浮游未活化的碳酸盐矿物；在碳酸盐矿物表面不出现红外光谱特征吸收峰的药剂,其中烃链较短的捕收剂也不能浮游碳酸盐矿物。3)对于3种铁氧化矿物,捕收剂与铁氧化矿物作用后出现红外特征吸收峰的可以浮游铁氧化矿物,没有红外特征吸收峰的捕收剂将不能浮游铁氧化矿物。 捕收剂-矿物表面相互作用的分子力学模拟和计算结果结合矿物的浮选试验和红外测试结果,同时应用捕收剂的logP值(捕收剂的酯水分离系数)可以较好地解释捕收剂-矿物表面作用的现象。 本文通过分子力学模拟和计算认为捕收剂总体上是以直立式(官能团作用)与矿物表面的金属原子(或者胺捕收剂分子和离子的氢原子与矿物表面的非金属原子作用)相互作用,其可能性比以平卧式(官能团和碳链与矿物表面共同作用)作用于硫化矿表面的可能性大。 根据水分子和氢氧根离子与9种试验矿物表面相互作用能而判断出水分子和氢氧根离子是可以在矿物表面形成水化层的；其作用能是捕收剂与矿物表面作用时必须克服的能垒。 二硫代类捕收剂(黄药、黑药和硫氮类)的两个二硫代原子是与黄铜矿表面邻近的铜和铁原子相互作用的。二硫代类捕收剂官能团中只能由一个硫原子与孔雀石和白铅矿表面的一个金属原子相互作用,而不是两个二硫代原子共同与矿物表面两个邻近的金属原子作用。 分子力学数据结合药剂的logP值可以较好地解释铜铅锌碳酸盐矿物浮选的规律性,即分子力学数据可以判断捕收剂能否克服矿物表面的水化层而与矿物表面作用,而logP值较大的捕收剂才使矿物表面足够疏水,也就是可以浮游铜铅锌碳酸盐矿物。 总体上铜铅锌铁氧化矿与硫化矿相比,捕收剂与氧化矿(碳酸盐和氧化物)作用能的绝对值降低了,也就是捕收剂与氧化矿(碳酸盐和氧化物)的作用能力比硫化矿的作用能力减弱了。对铜铅锌碳酸盐矿物的浮选需要加大捕收剂的用量或者增加logP值(增加药剂的疏水性)才能更好地浮游氧化矿(碳酸盐和氧化物) 分子力学模拟和计算结果指出捕收剂以平卧式(官能团和碳链与矿物表面共同作用)作用于矿物表面的可能性随着烃链的加长而减小,所有的试验捕收剂中乙基黄药和硫氨酯克服水分子作用层后形成平卧式作用的可能性比较大,其它捕收剂的可能性不大。在黄铜矿表面所有试验捕收剂的这种作用形式是不可能的。 论文通过分子力学模拟和计算捕收剂-矿物表面的作用有利于揭示原子层面的浮选基本原理。