幾種羥肟酸捕收劑與白云石作用機(jī)理研究

易 雕，王 雪

(貴州省分析測(cè)試研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 前言

在我國(guó)，中、低品位磷礦資源儲(chǔ)量很豐富，磷礦中的脈石礦物主要以碳酸鹽類為主，其中的碳酸鹽類主要是白云石，由碳酸鈣和碳酸鎂的復(fù)合式鹽構(gòu)成[1]。生產(chǎn)中磷礦多采用浮選法，由此產(chǎn)生的大量磷尾礦，尤其高鎂磷尾礦作為工業(yè)廢棄物丟棄于尾礦庫(kù)，不但使資源浪費(fèi)，還對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，破壞生態(tài)平衡[2,3]。

磷礦石浮選捕收劑是長(zhǎng)鏈脂肪酸及其鹽類，但此類捕收劑對(duì)中、低品位的磷礦選擇性效果不好，因?yàn)槌叵铝鲃?dòng)性和分散性較差。將浮選藥劑多功能團(tuán)化是改善其綜合性能的有效方法，如果在捕收劑分子結(jié)構(gòu)中引入活性基團(tuán)，使其能與礦物表面上的陽(yáng)離子形成穩(wěn)定螯合物，則能改善捕收劑選擇性，進(jìn)而改善藥劑的流動(dòng)性。羥肟基是一類具有較高配位活性的基團(tuán)，其與礦物表面金屬離子結(jié)合可生成穩(wěn)定性較好的螯合物，從而吸附在礦物表面[4]。

文章結(jié)合分子模擬軟件，研究幾種羥肟酸捕收劑與白云石的作用機(jī)理，揭示羥肟酸浮選藥劑與白云石礦物表面的作用行為，為今后高鎂磷尾礦低溫浮選提供依據(jù)，為將來(lái)新型磷礦捕收劑的研發(fā)提供理論參考。

1 幾種羥肟酸捕收劑與白云石作用的分子力學(xué)模擬

Material Studio是由美國(guó)ACCELRYS公司專門設(shè)計(jì)的一款可運(yùn)行在PC上的模擬軟件，運(yùn)用分子模擬軟件能夠很方便的建立三維分子模型，分析礦物晶體，模擬浮選藥劑分子與礦物晶體相互作用的三維立體圖，采用Material Studio分子模擬軟件對(duì)藥劑分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化、分子構(gòu)建、吸附模擬及分子結(jié)合能計(jì)算，通過(guò)計(jì)算藥劑與礦物作用前后的能量值，研究藥劑與礦物的作用形式。

1.1 白云石晶體結(jié)構(gòu)、解理面以及超晶胞模型

白云石晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)

空間群：R3

晶格參數(shù)(長(zhǎng)度單位：?，角度單位：度)

a=4.8033α=90.0

b=4.8033β=90.0

c=15.984γ=120.0

原子空間占位

NoPx/ay/bz/cB(j)atom/occupation10.00.00.00.37Ca=1.0020.00.00.50.2Mg=1.0030.00.00.75770.62C=1.0040.28290.0350.7560.59O=1.00

礦物超晶胞模型由礦物晶體模型沿解離面切面得到。根據(jù)白云石晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)、原子空間占位，在Material Studio中建立白云石晶體結(jié)構(gòu)模型，再切出白云石晶體結(jié)構(gòu)模型解理面，建立超晶胞模型。

白云石晶體結(jié)構(gòu)、解理面以及超晶胞模型如圖1-圖3所示。

圖1 白云石晶體結(jié)構(gòu)模型

圖2 白云石解理面{110}

圖3 白云石的超晶胞

1.2 幾種羥肟酸藥劑結(jié)構(gòu)及分子式

常用的羥肟酸類捕收劑結(jié)構(gòu)及分子式如表1所示。

表1 常用羥肟酸類捕收劑藥劑結(jié)構(gòu)及分子式

1.3 捕收劑與白云石相互作用模擬

在Materials Studio軟件環(huán)境中，分別模擬了捕收劑與白云石的作用，捕收劑與白云石表面相互作用如圖4-圖10所示。

圖4 八烷基羥肟酸與白云石相互作用

圖5 十烷基羥肟酸與白云石相互作用

圖6 十二烷基羥肟酸與白云石相互作用

圖7 水楊基羥肟酸與白云石相互作用

圖8 苯甲羥肟酸與白云石相互作用

圖9 乙酰羥肟酸乙酯與白云石相互作用

圖10 1-萘羥肟酸與白云石相互作用

2 結(jié)果與討論

通過(guò)計(jì)算得到了幾種羥肟酸捕收劑與白云石的相互作用能，如表2所示。

表2 捕收劑與白云石表面作用的能量變化/(kcal·mol-1)

由表2捕收劑與白云石表面作用的能量變化數(shù)據(jù)可以看出，八烷基羥肟酸、十烷基羥肟酸與白云石表面相互作用能分別為-7.25103 kcal·mol-1、-5.40087 kcal·mol-1，藥劑與礦物表面的作用能越負(fù)，則說(shuō)明藥劑與礦物表面作用能力越強(qiáng)。說(shuō)明這兩種藥劑在白云石表面的吸附能力大小為：八烷基羥肟酸>十烷基羥肟酸，而十二烷基羥肟酸與白云石表面相互作用能為9.991369 kcal·mol-1，表明十二烷基羥肟酸與白云石幾乎沒(méi)有作用，同時(shí)也說(shuō)明，隨著碳鏈長(zhǎng)度增加羥肟酸對(duì)白云石的吸附作用越小。

水楊羥肟酸、苯甲羥肟酸、乙酰羥肟酸乙酯、1-萘羥肟酸與白云石表面相互作用能分別為78.21495 kcal·mol-1、9.949603 kcal·mol-1、110.3658 kcal·mol-1、110.6237 kcal·mol-1，這些能量都為正值，說(shuō)明若浮選體系中只存在上述藥劑與白云石作用時(shí)，藥劑難以捕收白云石。通過(guò)對(duì)比，直鏈的羥肟酸捕收性能較好，帶苯環(huán)的羥肟酸對(duì)白云石的捕收性能較弱，且苯環(huán)越多，捕收性能越差。

羥肟酸類捕收劑的捕收性能及選擇性與其疏水基團(tuán)R的長(zhǎng)短有著較密切的關(guān)系。如前所述，非極性基是芳香烴結(jié)構(gòu)的羥肟酸捕收劑比非極性基是烷烴結(jié)構(gòu)的羥肟酸捕收劑選擇性好，但非極性基是芳香烴結(jié)構(gòu)的羥肟酸捕收劑捕收能力比非極性基為烷烴結(jié)構(gòu)的羥肟酸捕收劑捕收能力要弱。因此，在使用羥肟酸類捕收劑作為浮選藥劑時(shí)，使用和合成具有良好的選擇性，并且選擇合適疏水烴鏈長(zhǎng)度、捕收能力較好的羥肟酸類捕收劑是羥肟酸捕收劑未來(lái)發(fā)展的主要方向。

3 前景與展望

捕收劑若要廣泛應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際生產(chǎn)，既要具有很強(qiáng)的捕收能力和很好的選擇性，又要價(jià)格低廉、使用量少。當(dāng)前，羥肟酸類捕收劑在生產(chǎn)實(shí)際中普遍存在價(jià)格昂貴的特點(diǎn)，這就使得羥肟酸類捕收劑在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際推廣中嚴(yán)重受到阻礙。所以，在日后的合成生產(chǎn)中，應(yīng)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)新型、成本低的羥肟酸類捕收劑。