铝土矿浮选过程中阳离子捕收剂与铝矿物和含铝硅酸盐矿物作用的溶液化学研究

【摘要】：本论文属于“国家重点基础研究发展规划(973)”项目资助(G199064901)。 论文以矿物晶体结构和阳离子捕收剂的差异为基础，通过溶液化学计算、浮选实验、红外光谱、荧光探针技术、zeta电位和吸附量的测定，系统地研究了不同碳链长度的烷基伯胺和季铵盐两类阳离子捕收剂对我国铝土矿主要组成铝矿物一水硬铝石和含铝硅酸盐矿物高岭石、叶蜡石以及伊利石的浮选行为及其在四种矿物表面的吸附机理和吸附层结构。 1．四种矿物晶体结构和表面性质 一水硬铝石晶体是由铝氧八面体形成的双链结构，破碎解离时，一水硬铝石断裂的表面是Al-O离子键，其亲水强。高岭石、叶蜡石和伊利石均为层状铝硅酸盐矿物，层间结合的键力弱，通常沿层间断裂，(001)面解理完全，为片状晶形，破碎时，暴露的表面主要是(001)层面。叶蜡石层面为分子键，高岭石为分子键和氢键，伊利石为离子键和分子键，因此三种铝硅酸盐矿物都具有一定的天然可浮性。四种矿物可浮性顺序为：叶蜡石＞高岭石＞伊利石＞—水硬铝石。 一水硬铝石为氧化矿物，其荷电机理为表面H~+的吸附和解离。高岭石、叶蜡石和伊利石其底面和端面荷电性质不同，底面由于离子替代而荷永久负电荷，端面和一水硬铝石表面荷电机理相同。用电泳法测得一水硬铝石、高岭石和伊利石的零电点分别为pH6.2、4.2和3.6，而叶蜡石的零电点最低(pH＜2.0)。通过溶液化学计算一水硬铝石和高岭石的理论零电点分别为6.85、4.44，其结果与测定结果接近。 2．阳离子捕收剂在四种矿物表面的吸附机理 阳离子捕收剂主要通过静电作用和捕收剂分子间疏水 缔合作用吸附于一水硬铝石表面，随着其烃链碳原子数的 增加，阳离子捕收剂烷基伯胺盐和季钱盐在一水硬铝石表 面的吸附量增加。阳离子捕收剂在高岭石、叶蜡石和伊利 石三种铝硅酸盐矿物表面的吸附主要是静电作用和分子间 疏水缔合作用，同时存在阳离子交换吸附。运用荧光探针 技术研究了阳离子捕收剂烷基伯胺和季馁盐在四种矿物表 面的吸附层结构。结果表明:烷基伯胺在一水硬铝石、高 岭石、叶蜡石和伊利石表面的吸附量比季钱盐低，但在矿 物表面烷基伯胺盐比季按盐更易形成半胶束吸附。这主要 原因有二:一是与伯胺和季钱盐的溶液化学有关，伯胺为 弱电解质，而季钱盐为强电解质，伯胺盐在水溶液中存在 离子分子缔合物，离子分子缔合物吸附在矿物表面时，静 电斥力小，更容易缔合在一起。二是与其极性基团几何大 小有关，季按盐的极性基团比伯胺的极性基团大，吸附在 矿物表面的季钱离子由于空间位阻大而不易缔合。 3.四种矿物的基本浮选规律 由于烷基烃链“一CHZ”的作用，一水硬铝石的浮选回收 率随烷基伯胺盐和季钱盐烃链碳原子数的增加而明显增 加。烷基伯胺盐和季钱盐作捕收剂时，在pHPZC时和烷基 伯胺产生沉淀pH时，一水硬铝石浮选效最佳。 用不同链长烷基伯胺盐和季按盐浮选叶蜡石时，由于 叶蜡石本身的可浮性较好，叶蜡石的浮选回收率变化不明 显。不同链长的烷基伯胺浮选高岭石和伊利石时，当烃链 碳原子数由CS增加到C12时，其浮选回收率随胺的碳原子 数增加而增加，而当伯胺碳原子数增加到十四以后，烃链 再增长，其浮选回收率反而下降。随pH的升高，高岭石、 叶蜡石和伊利石表面负电荷增加，在水溶液中充分分散， 亲水性增强。作烷基伯胺和季按盐浮选高岭石、叶蜡石和 伊利石时，其浮选回收率随pH的升高而降低。 由于高岭石、叶蜡石和伊利石的零电点比一水硬铝石 低，阳离子捕收剂在三种铝硅酸盐矿物表面的吸附作用强 于一水硬铝石，因此在弱酸性条件下，有利于高岭石等三 种铝硅酸盐矿物与一水硬铝石的浮选分离。但阳离子捕收 剂烃链增长，易在一水硬铝石表面形成半胶束吸附而使浮 选分离效果变差。 4.实际矿石的浮选 用烷基伯胺盐酸盐和季钱盐作捕收剂对河南铝土矿实 际矿石进行了反浮选脱硅研究，结果表明:烷基伯胺捕收 剂中十二胺盐酸盐浮选效果较之十八胺盐酸盐好;季钱盐 的浮选选择性明显强于烷基伯胺盐酸盐;而三种季胺盐中， 浮选效果最好的是1231，其次为1227，再次为1631。实际 矿石的浮选宜采用弱酸性条件下，用1231作捕收剂，并需 加入合适的分散剂和一水硬铝石抑制剂。