鐵礦石浮選過程中氫鍵的形成及其作用機理研究

《鐵礦石浮選過程中氫鍵的形成及其作用機理研究》是依託東北大學，由朱一民擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鐵礦石浮選過程中氫鍵的形成及其作用機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：朱一民
• 依託單位：東北大學

中文摘要

從各類鐵礦浮選藥劑分子結構的研究中發現，浮選藥劑分子極性基團中的N、O、F原子為主要活性位點，而這三個原子均為能形成氫鍵的原子；因此首次從氫鍵形成條件及其氫鍵強弱檢測角度重新審視浮選藥劑與礦物表面的相互作用機理。採用紅外光譜、X射線衍射、電子和中子衍射和原子力顯微鏡等手段檢測藥劑極性基團與礦物表面活性位點原子之間氫鍵作用的強弱，考察相互作用過程中氫鍵的強弱與浮選效果的對應關係，從而確定氫鍵在浮選機理中的地位與作用；再結合靜電吸附、鍵合吸附、溶度積理論及晶體場理論研究鐵礦石浮選藥劑與礦物相互作用的物理化學本質，建立浮選藥劑與鐵礦物及其脈石礦物相互作用新的理論體系。該理論體系的建立不僅可以揭示影響浮選藥劑性能的關鍵因素、建立新型浮選藥劑研發機制，而且對闡明礦物顆粒在新型浮選藥劑分子溶液中彌散、浸潤、靜電吸附、氫鍵形成、分子間締合、化學鍵結合等現象的物理化學本質具有重要意義。

結題摘要

從各類鐵礦浮選藥劑分子結構分析中發現，浮選藥劑分子極性基團中的N、O原子為主要活性位點，而這兩種原子均為能形成氫鍵的原子；因此首次從氫鍵形成條件及其氫鍵強弱檢測角度重新審視捕收劑與礦物相互作用機理。採用紅外光譜、量子力學及分子動力學MS軟體計算能量等手段檢測藥劑極性基團與礦物表面活性位點原子之間氫鍵作用的強弱，考察了氫鍵的強弱與浮選效果的對應關係，從而確定了氫鍵在浮選機理中的地位與作用；再結合價鍵理論、晶體場理論、離子晶體晶格能計算、離子半徑比定則、離子球體最緊密堆積原理等，採用量子力學和分子動力學MS軟體模擬，重點研究了捕收劑的極性基與磁鐵礦、菱鐵礦、赤鐵礦、石英、白雲石等礦物表面的鍵合作用機理，提出了“捕收劑極性基團中活性原子的價層電子密度（態密度）與礦物表面活性原子的價層電子密度（態密度）匹配關係（類似於“鑰匙與鎖”的齒間咬合互補關係）才是捕收劑對某種礦物具有高效選擇性的本質關鍵所在”，結合氫鍵形成條件及氫鍵強度檢測分析，發現了氫鍵吸附在藥劑極性基與礦物表面活性原子之間不可忽視的重要作用，創造性地提出了“氫鍵耦合多基團協同”的捕收劑分子結構組裝新理論。該理論體系的建立揭示了影響浮選藥劑性能的關鍵因素、建立了新型浮選藥劑研發機制，對闡明礦物顆粒在新型浮選藥劑分子溶液中彌散、浸潤、靜電吸附、氫鍵形成、分子間締合、化學鍵結合等現象的物理化學本質具有重要意義。 基於該捕收劑分子結構組裝新理論，根據浮選藥劑分子設計原理及鞍山具體礦石的性質，合成並研製出了DTSY、DWD等系列高效、低溫捕收劑。在鞍山鋼鐵集團東鞍山燒結廠、河北鋼鐵集團司家營研山鐵礦現場進行了工業化套用試驗。通過大量的實驗室試驗及工業試驗使常溫浮選藥劑成功套用於礦山生產現場，將浮選礦漿溫度降低15℃，有效地解決了需要給成噸的礦漿加熱、浪費能源的實際問題，實現了鐵礦石的低碳化浮選，節能降耗、低碳環保、降本增效、成效顯著。