α--醚胺基脂肪酸分子结构设计及其捕收机理研究

摘要

基于有机结构化学基本理论及浮选捕收剂构效原理，本文设计了8种含有羧基、仲胺基及醚氧基的新型铁矿石常温高效反浮选捕收剂α-醚胺基脂肪酸:α-己烷醚胺基-己酸(HHEA)、α-辛烷醚胺基-己酸(HOEA)、α-癸烷醚胺基-己酸(HDEA)、α-十二醚胺基-己酸(HLEA)、α-己烷醚胺基-十二酸(LHEA)、α-辛烷醚胺基-十二酸(LOEA)、α-癸烷醚胺基-十二酸(LDEA)及α-十二醚胺基-十二酸(LLEA)。采用Materials Studio8.0软件对各药剂分子几何结构进行模拟计算，得到键长、键角等结构参数，以证明药剂分子结构设计的合理性。 以3-烷氧基-正丙胺(3-己烷基-正丙胺、3-辛烷基-正丙胺、3-癸烷基-正丙胺、3-十二烷基-正丙胺)和α-溴代脂肪酸（α-溴代己酸、α-溴代十二酸）为原料，通过α-胺基化反应分别合成了上述8种不同醚胺基/羧基碳链长度的α-醚胺基脂肪酸捕收剂。采用元素分析、红外光谱测试、核磁共振氢谱和碳谱测试方法验证了药剂分子的组成及结构，并采用差示扫描量热DSC法测定了药剂的熔点。 在矿浆温度15.0℃下，首先从矿浆pH值、捕收剂用量两个影响因素，分别考察了不同醚胺基/羧基碳链长度α-醚胺基脂肪酸药剂体系下石英、赤铁矿及磁铁矿单矿物的浮选行为。试验结果表明，α-醚胺基脂肪酸对此3种矿物的捕收能力顺序依次为石英＞赤铁矿＞磁铁矿，总体而言药剂对石英和赤铁矿的捕收能力较强，对磁铁矿的捕收能力相对较弱。随分子结构中醚胺基和羧基碳链长度的增加，药剂有效浮选pH值区间变宽，对矿物的捕收能力增强，但分子结构中烃链长度过长，其对矿物的捕收能力反而减弱，其原因主要和低温条件下药剂的分子溶解及分散性能较差有关。在矿浆温度15.0℃、α-醚胺基脂肪酸用量20.0mg·L-1时，其对石英捕收能力顺序为LDEA＞LOEA≈HLEA＞HDEA≈LHEA＞HOEA＞LLEA≈HHEA，对赤铁矿捕收能力顺序为HLEA＞LLEA≈LDEA＞HDEA＞LHEA＞LOEA≈HOEA＞HHEA，对磁铁矿捕收能力顺序为HLEA＞LDEA＞LOEA＞LHEA＞HDEA≈LLEA＞HOEA＞HHEA。其次针对石英-赤铁矿-磁铁矿人工混合矿进行了反浮选试验，在矿浆温度15.0℃、pH值10.00、淀粉用量8.0mg·L-1、捕收剂LDEA用量20.0mg·L-1下，试验取得了浮选精矿铁品位65.51％、铁回收率94.01％的指标，说明该新型常温反浮选捕收剂LDEA对人工混合矿具有很好的捕收及分选性能。 采用动电位测试、红外光谱测试、X射线光电子能谱测试及分子模拟计算等手段和方法，探讨了α-醚胺基脂肪酸捕收剂在矿物表面的吸附作用机理。在矿浆pH值10.00时，α-醚胺基脂肪酸捕收剂在石英表面的吸附作用能够显著改变其表面的动电位，说明药剂可在石英表面发生静电吸附作用;而其与石英作用后的红外光谱图证实了药剂在石英表面除了发生静电吸附作用外，还存在氢键作用;XPS分析结果与动电位检测及红外光谱检测结果相一致。与石英相互作用不同的是，在矿浆pH值8.00时，α-醚胺基脂肪酸捕收剂在赤铁矿和磁铁矿表面的吸附作用，除了静电吸附和氢键作用外，还存在化学键合作用。分子动力学模拟计算结果显示，α-醚胺基脂肪酸分子在石英(101)面的吸附过程为亲固基中H原子不断向石英表面O氧原子靠近的过程。随着捕收剂分子结构中非极性基烃链碳原子数目的增加，药剂在石英表面的吸附作用能减小，但减小幅度较小，这说明对于α-醚胺基脂肪酸捕收剂，随着分子结构中非极性基随碳原子数目的增加，可以增强药剂在石英表面的吸附作用，但所起到的作用不大;非极性基主要还是影响药剂的疏水能力。而水相环境下的吸附模拟计算结果则说明中性至弱碱性(pH6.0～10.0)矿浆条件有利于药剂在石英表面的吸附。 本文最后采用α-癸烷醚胺基-十二酸为捕收剂对鞍千矿业有限公司选矿厂弱磁-强磁磁选混合精矿进行了浮选试验研究，取得了较好的试验结果。在矿浆温度25.0℃，最佳药剂制度条件下，经过一粗三扫闭路浮选试验可获得精矿铁品位68.08％、铁回收率88.20％、尾矿铁品位12.32％的指标，说明该捕收剂对鞍千矿业有限公司选矿厂混合磁选精矿分选结果良好。 通过本项目的实施，不仅能丰富和发展常温浮选捕收剂的构效原理，而且还能解决铁矿石阴离子反浮选过程中的高能耗问题。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1铁矿石浮选捕收剂的研究进展

1．1．1阳离子型浮选捕收剂的研究进展

1．1．2阴离子型浮选捕收剂的研究进展

1．1．3两性浮选捕收剂的研究进展

1．1．4生物浮选捕收剂的研究进展

1．1．5组合浮选药剂的研究进展

1．2浮选药剂分子设计方法、应用及进展

1．2．1浮选药剂分子设计进展

1．2．2量子化学在药剂分子设计中的应用

1．3铁矿石反浮选作用机理研究

1．3．1量子化学在浮选机理研究方面的应用

1．3．2分子力学及分子动力学模拟在浮选机理研究方面的应用

1．4研究背景、内容及意义

1．4．1研究背景及意义

1．4．2研究内容

第2章试验矿样、试剂、仪器设备及方法

2．1试验矿样分析

2．1．1单矿物制备

2．1．2鞍千铁矿混合磁选精矿性质分析

2．2试验试剂与设备

2．2．1试验试剂

2．2．2试验仪器设备

2．3试验方法

2．3．1试验药剂配制方法

2．3．2单矿物浮选试验方法

2．3．3人工混合矿浮选试验方法

2．3．4混合磁选精矿浮选试验方法

2．3．5浮选开路试验方法

2．3．6浮选闭路试验方法

2．4检测方法

2．4．1全铁检测

2．4．2矿物红外光谱制样及检测方法

2．4．3矿物表面zeta电位制样及检测方法

2．4．4矿物X射线衍射检测方法

2．4．5扫描电子显微镜

2．4．6 X射线光电子能谱制样及检测方法

2．4．7捕收剂熔点检测方法

2．4．8核磁共振氢谱和碳谱分析检测方法

2．4．9有机质谱检测方法

2．5分子模拟计算方法

2．5．1药剂分子模型建立及其几何结构优化

2．5．2矿物晶体结构优化及量子化学计算

2．5．3药剂在石英表面吸附的分子动力学模拟

2．5．4不同吸附质在石英表面吸附的量子化学模拟

第3章α-醚胺基脂肪酸捕收剂分子结构设计、合成与表征

3．1α-醚胺基脂肪酸捕收剂分子结构探索与设计

3．1．1浮选捕收剂极性基的设计

3．1．2浮选药剂非极性基的设计

3．1．3α-醚胺基脂肪酸捕收剂分子结构优化

3．2α-醚胺基脂肪酸的合成与表征

3．2．1α-溴代脂肪酸的合成与表征

3．2．2 3-烷氧基-正丙胺(醚胺)的合成与表征

3．2．3 α-醚胺基脂肪酸捕收剂的合成与表征

3．3本章小结

第4章α-醚胺基脂肪酸捕收剂浮选试验研究

4．1．1α-醚胺基-己酸捕收剂的浮选行为

4．1．2 α-醚胺基-十二酸捕收剂的浮选行为

4．1．3淀粉对三种矿物的抑制作用

4．2人工混合矿浮选试验

4．2．1矿浆pH值对浮选指标的影响

4．2．2 α-醚胺基脂肪酸用量对浮选指标的影响

4．2．3淀粉用量对浮选指标的影响

4．2．4矿浆温度对浮选指标的影响

4．3本章小结

第5章α-醚胺基脂肪酸捕收剂在矿物表面吸附机理研究

5．1矿物晶体结构和表面性质与可浮性的关系

5．1．1三种矿物的物理性质与晶体结构

5．1．2三种矿物的晶体结构与电子结构

5．2矿物表面动电位与可浮性的关系

5．2．1石英、赤铁矿及磁铁矿表面动电位与可浮性的关系

5．2．2抑制剂淀粉对三种矿物表面动电位的影响

5．3药剂与矿物作用前后表面红外光谱分析

5．3．1药剂作用前后赤铁矿表面红外光谱测定

5．3．2药剂作用前后磁铁矿表面红外光谱测定

5．3．3药剂作用前后石英表面红外光谱测定

5．4石英表面药剂作用前后XPS分析

5．4．1石英表面药剂吸附前后XPS宽程扫描分析

5．4．2石英表面药剂吸附前后Si、O、C元素的拟合分析

5．5α-醚胺基脂肪酸药剂在石英表面吸附分子模拟

5．5．1α-醚胺基脂肪酸药剂在石英表面吸附的分子动力学模拟

5．5．2α-醚胺基脂肪酸药剂在石英表面吸附的量子化学模拟

5．6本章小结

第6章α-醚胺基脂肪酸捕收剂在实际矿样浮选中的应用

6．1浮选条件试验

6．1．1矿浆pH值对浮选指标的影响

6．1．2粗选捕收剂用量对浮选指标的影响

6．1．3抑制剂淀粉用量对浮选指标的影响

6．1．4浮选温度对浮选指标的影响

6．1．5活化剂用量对浮选指标的影响

6．2浮选开路试验

6．3浮选闭路试验

6．4浮选产品特性分析

6．4．1浮选精矿XRD、SEM及EDS能谱分析

6．4．2浮选尾矿XRD、SEM及EDS能谱分析

6．5本章小结

第7章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的学术成果

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