幾種羥肟酸捕收劑與氟磷灰石作用機(jī)理研究

易 雕，王 雪

(貴州省分析測試研究院，貴州 貴陽 550002)

0 引言

磷礦資源是一種不可再生資源，而且正隨著資源的開發(fā)利用趨于貧化。依據(jù)磷灰石的開墾形式、選礦難易程度、共伴生礦產(chǎn)的綜合利用等原因，通常邊界品位為P2O5≥5%，工業(yè)品位為P2O5≥9%～11%[1-2]。高鎂磷尾礦中鎂含量較高，并且磷含量也在上述指標(biāo)范圍中。因此，將高鎂磷尾礦中的鎂進(jìn)行回收再利用，不僅可以達(dá)成資源綜合利用而且減少對環(huán)境的污染。

磷礦石浮選捕收劑是長鏈脂肪酸及其鹽類，但此類捕收劑對中、低品位的磷礦選擇性效果不好，因?yàn)槌叵铝鲃有院头稚⑿暂^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[3-4]。

文章結(jié)合分子模擬軟件，研究幾種羥肟酸捕收劑與氟磷灰石的作用機(jī)理，揭示羥肟酸浮選藥劑與氟磷灰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 氟磷灰石晶體結(jié)構(gòu)、解理面以及超晶胞模型

氟磷灰石晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)

空間群：P 63/m

晶格參數(shù)(長度單位：?，角度單位：度)

a=9.3973α= 90.0

b=9.3973β= 90.0

c=6.8782γ= 120.0

原子空間占位

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)氟磷灰石晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)、原子空間占位，在Material Studio中建立氟磷灰石晶體結(jié)構(gòu)模型，再切出氟磷灰石晶體結(jié)構(gòu)模型解理面，建立氟磷灰石超晶胞模型。

氟磷灰石晶體結(jié)構(gòu)、解理面以及超晶胞模型如圖1-圖3所示。

圖2 氟磷灰石解理面{101}Fig.2 Fluorapatite cleavage surface{101}

圖3 氟磷灰石的超晶胞Fig.3 Supercell of fluorapatite

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Tab.1 Structure and molecular formula of common hydroxamic acid collectors

1.3 捕收劑與氟磷灰石相互作用模擬

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

圖4 八烷基羥肟酸與氟磷灰石相互作用Fig.4 Octadecyl hydroxamic acid interacts with fluorapatite

圖5 十烷基羥肟酸與氟磷灰石相互作用Fig.5 Decyl hydroxamic acid interacts with fluorapatite

圖6 十二烷基羥肟酸與氟磷灰石相互作用Fig.6 Dodecyl hydroxamic acid interacts with fluorapatite

圖7 水楊基羥肟酸與氟磷灰石相互作用Fig.7 Salicylic acid interacts with fluorapatite

圖8 苯甲羥肟酸與氟磷灰石相互作用Fig.8 Benzohydroxamic acid interacts with fluorapatite

圖9 乙酰羥肟酸乙酯與氟磷灰石相互作用Fig.9 Ethyl acetyl hydroxamic acid interacts with fluorapatite

圖10 1-萘羥肟酸與氟磷灰石相互作用Fig.10 1-naphthalamic acid interacts with fluorapatite

2 結(jié)果與討論

通過計(jì)算得到了幾種羥肟酸捕收劑與氟磷灰石的相互作用能，如表2所示。

由表2捕收劑與氟磷灰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、十二烷基羥肟酸、水楊羥肟酸、苯甲羥肟酸、乙酰羥肟酸乙酯、1-萘羥肟酸與氟磷灰石表面相互作用能均為正值，模擬是在真空進(jìn)行的，而這些能量都為正值，說明若浮選體系中只存在羥肟酸與氟磷灰石作用時，羥肟酸不會捕收氟磷灰石。但是通過以往模擬研究，羥肟酸捕收劑與白云石作用能為負(fù)值，說明羥肟酸捕收劑在浮選體系中可以有效作用于白云石表面，所以在磷尾礦浮選體系中，使用羥肟酸作為捕收劑，會有效將磷尾礦中白云石與氟磷灰石有效分離。

表2 捕收劑與氟磷灰石表面作用的能量變化/(kcal·mol-1)Tab.2 Energy change of collectors and fluorapatite surface

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)開發(fā)新型、成本低的羥肟酸類捕收劑。