双季铵盐型Gemini捕收剂对铝硅酸盐矿物的浮选特性与机理研究

摘要

本文针对我国铝土矿资源的特点，在研究铝土矿反浮选捕收剂分子结构与浮选能力之间构效关系的基础上，制备了一类新型的双季铵盐型Gemini阳离子捕收剂，并将其应用于铝土矿反浮选脱硅，研究结果具有一定的理论意义与实际应用价值。
　　 运用量子化学计算及溶液化学方法，研究了一水硬铝石与层状硅酸盐矿物的结构、晶体性质及溶解性质差异。一水硬铝石费米能级附近的能带主要由O原子的2p轨道和Al原子的3s和3p轨道组成，而高岭石的导带主要由O原子的电子能级组成，Al原子的贡献几乎为零。这揭示了一水硬铝石与高岭石的活性位点不同，在浮选药剂分子上增加能够与一水硬铝石Al原子发生键合作用的官能团，可提高选冶药剂对铝硅矿物浮选分离的选择性。
　　 通过量子化学计算、分子动力学模拟及分子中原子的理论分析，研究了胺类阳离子捕收剂在铝硅矿物表面的作用机理，揭示了捕收剂分子结构与浮选捕收能力之间的构效关系。十二胺与高岭石之间存在静电作用和氢键作用；铝硅酸盐矿物浮选捕收剂分子中N原子数量的增加，可改变捕收剂分子极性基团的荷电性质，增强捕收剂的静电作用能力，提高捕收剂分子对硅酸盐矿物的捕收能力。
　　 制备了一类双季铵盐型Gemini阳离子反浮选捕收剂，对其进行了理论计算研究，Gemini捕收剂在静电作用和氢键作用两方面均优于传统季铵盐阳离子捕收剂；验证了新型捕收剂对单矿物的浮选能力，在相同实验条件下，Gemini捕收剂对铝硅矿物的浮选回收能力大于传统季铵盐捕收剂；改进了双季铵盐型Gemini阳离子捕收剂对实际铝土矿反浮选脱硅的分离工艺，得到了Al2O3品位69.07％，铝硅比9.66的反浮选精矿，这个选别指标完全满足了铝土矿拜耳法的生产要求。最后，本文研究了双季铵盐型Gemini阳离子捕收剂在矿物表面的吸附特性与机理。双季铵盐在高岭石表面的吸附机理也系静电吸引与氢键作用，但Gemini捕收剂与硅酸盐矿物之间的静电作用能力更强；且Gemini捕收剂具有二聚的结构，使其具有更小的临界胶束浓度，更强的表面活性，更容易吸附在矿粒周围，能有效地增加矿粒的疏水团聚性能。

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第一章 绪论

1.1铝土矿浮选脱硅现状

1.1.1铝资源分布

1.1.2氧化铝生产方法概述

1.1.3铝土矿脱硅方法

1.1.4反浮选脱硅研究现状

1.2浮选药剂的分子设计方法及应用近况

1.2.1浮选药剂分子设计进展

1.2.2分子轨道理论简介

1.2.3密度泛函理论简介

1.2.4量子化学在浮选药剂设计中的应用

1.3双季铵盐型Gemini阳离子表面活性剂研究进展

1.3.1 Gemini表面活性剂研究进展

1.3.2 Gemini阳离子表面活性剂的合成

1.3.3 Gemini阳离子表面活性剂的溶液性质

1.3.4 Gemini表面活性剂的应用

1.4论文的意义与主要研究内容

第二章 矿样、试剂和研究方法

2.1矿样

2.1.1单矿物

2.1.2人工混合矿

2.1.3实际矿石

2.2试剂与仪器

2.3研究方法

2.3.1量子化学计算与分子动力学模拟方法

2.3.2 Gemini捕收剂的制备与表征

2.3.3矿物浮选实验方法

2.3.4捕收剂在矿物表面吸附量的测定

2.3.5捕收剂在固液界面吸附与性能的研究

第三章 铝硅矿物晶体性质的量子化学研究

3.1一水硬铝石的晶体性质

3.1.1一水硬铝石晶体化学

3.1.2晶体优化模型的建立与模拟

3.1.3表面优化模型的建立与模拟

3.2高岭石的晶体性质

3.2.1高岭石的晶体化学

3.2.2晶体优化模型的建立与模拟

3.2.3表面优化模型的建立与模拟

3.3一水硬铝石与高岭石的溶液化学

3.4本章小结

第四章 铝硅矿物捕收剂的构效关系研究

4.1胺类捕收剂与铝硅酸盐矿物的作用机理

4.1.1十二胺对铝硅酸盐矿物的浮选

4.1.2十二胺及其阳离子的最优构型及其量子化学计算

4.1.3十二胺在高岭石表面吸附的分子动力学模拟

4.1.4捕收剂与矿物之间氢键的拓扑分析

4.2铝硅酸盐矿物高效捕收剂的构效关系研究

4.2.1取代基对捕收剂结构性能的影响

4.2.2键合原子对捕收剂结构性能的影响

4.2.3捕收剂分子亲固基与亲油基的设计

4.3双季铵盐型Gemini铝硅酸盐矿物捕收剂

4.3.1 Gemini捕收剂的结构设计与主要性质

4.3.2 Gemini阳离子的量子化学模拟计算

4.4本章小结

第五章 双季铵盐型Gemini的制备、表征及其对铝硅酸盐的浮选性能

5.1 Gemini阳离子捕收剂的制备

5.1.1合成路线的选择

5.1.2 Gemini的合成步骤

5.2 Gemini型阳离子捕收剂的表征

5.2.1合成产物的元素分析与红外光谱分析

5.2.2合成产物的质谱检测

5.2.3合成产物的核磁共振分析

5.3 Gemini捕收剂对铝硅酸盐的浮选性能研究

5.3.1 Gemini对高岭石的浮选

5.3.2 Gemini对叶腊石的浮选

5.3.3 Gemini对伊利石的浮选

5.4双季铵盐Gemini与传统季铵盐对铝硅矿物浮选的比较

5.5本章小结

第六章 Gemini捕收剂对铝硅矿物的浮选分离研究

6.1新型捕收剂对一水硬铝石的浮选

6.1.1 Gemini捕收剂对一水硬铝石的浮选

6.1.2淀粉对一水硬铝石及铝硅酸盐矿物浮选的影响

6.1.3新型捕收剂对人工混合矿的浮选分离

6.2淀粉抑制剂与一水硬铝石的作用机理

6.3新型捕收剂对实际铝土矿反浮选脱硅研究

6.3.1药剂用量的探索实验

6.3.2分散脱泥浮选试验

6.3.3铝土矿反浮选脱硅闭路实验

6.4本章小结

第七章 Gemini捕收剂与铝硅酸盐矿物的吸附特性研究

7.1捕收剂在高岭石表面的吸附特性

7.1.1 Gemini捕收剂在高岭石表面的等温吸附

7.1.2 Gemini捕收剂与高岭石的作用机理分析

7.2捕收剂在高岭石表面的界面性能研究

7.2.1 Gemini捕收剂的表面张力

7.2.2 Gemini捕收剂与高岭石表面的接触角

7.2.3 Gemini捕收剂在高岭石表面的微极性

7.3捕收剂对高岭石矿粒团聚的影响

7.3.1沉降行为表征矿物的团聚

7.3.2 Gemini捕收剂对高岭石粒度分布的影响

7.3.3高岭石疏水团聚的电镜观察

7.4本章小结

第八章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

附录

致谢