改性高分子药剂对铝硅矿物浮选作用机理及其结构—性能研究
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摘要
论文通过浮选实验、电位测量、红外光谱测定、吸附量测定、矿物晶体量子化学计算、药剂与矿物作用量化计算，研究了一水硬铝石、高岭石、叶蜡石和伊利石的表面性质和可浮性以及它们之间的差异；合成了几组新型高分子浮选调整剂，考察了药剂对四种矿物可浮性的影响，研究了药剂的作用机理，探讨了药剂的结构一性能关系。研究表明：
(1)一水硬铝石粉碎破裂时，表面断裂的是铝—氧键，亲水性较好，解理面对溶液中H~+和OH~-离子的选择性吸附，使矿物表面的电位随介质pH的升高而负移，零电点在pH6.0左右；三种脉石矿物为层状铝硅酸盐，粉碎时出现两种性质不同的解理面，{010}端面断裂铝一氧键和硅一氧键，荷电机理同一水硬铝石，亲水性较好。而层面断裂键则与矿物的晶体结构有关。高岭石层面断裂的是氢键，因晶格阳离子的类质同象替换，该面带有永久的负电荷，叶蜡石断裂的是分子键，疏水性较好，伊利石既有离子键也有分子键断裂，亲水性较好；而且高岭石有不同的两个层面，{001}和{00-1}面，其化学组成不同，荷电性质不同，对十二胺的吸附能力不同，是影响其浮选的一个重要因素。
(2)通过对工业淀粉进行氧化和醚化改性，制得了羧甲基淀粉、氧肟酸淀粉、阳离子淀粉和双醛淀粉。对铝土矿四种主要矿物，一水硬铝石、高岭石、叶蜡石和伊利石的浮选结果表明，变性淀粉均对一水硬铝石有抑制作用，在酸性条件下，几种药剂对一水硬铝石抑制作用大小的顺序为氧肟酸淀粉＞双醛淀粉＞羧甲基淀粉＞阳离子淀粉＞原淀粉，而且氧肟酸淀粉和羧甲基淀粉对高岭石有活化作用，同时不影响叶蜡石和伊利石的回收率，是一种具有潜力和应用前景的铝土矿反浮选一水硬铝石抑制剂及高岭石活化剂。
(3)对丙烯酰胺和丙烯酸甲酯的共聚物肟化制得氧肟酸聚丙烯酰胺，将它同非离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺、阳离子聚丙烯酰胺和两性聚丙烯酰胺分别应用于四种矿物的单矿物浮选试验，结果显示，改性聚丙烯酰胺对一水硬铝石、高岭石和伊利石均具有活化作用，其中，药剂对高岭石的活化最强，使它的回收率在整个pH值范围达到80％左右，在一定pH条件下超过一水硬铝石的回收率，解决了高岭石难浮选的问题。在pH=4左右，阴离子聚丙烯酰胺对一水硬铝石表现出优异的抑制性，使一水硬铝石与高岭石的回收率相差近60％。聚丙烯酰胺的应用强化了高岭石的浮选，对铝土矿反浮选具有积极作用。
(4)借助矿物表面动电位测量、红外光谱测定、药剂与矿物表面作用的计算机模拟和量化计算以及药剂在矿物表面吸附量的测量，研究了两个系列高分子药剂与
矿物表面的作用机理。
不同淀粉药剂在矿物表面表现不同作用，原淀粉主要是氢键的作用，阳离子淀
粉是氢键和静电力(与荷负电矿物表面)的共同作用，梭甲基淀粉、轻肪酸淀粉和
双醛淀粉离子性药剂与矿物间的作用除了氢键、静电力外，更重要的是与矿物表面
金属离子间产生的化学作用，使药剂能牢固地吸附在一水硬铝石矿物表面，增加矿
物表面的亲水性，同时，淀粉支链结构的存在，使它能够掩盖吸附的捕收剂，达到
抑制一水硬铝石的目的。几种药剂中，能够与矿物表面金属离子发生化学键合的变
性淀粉，特别是对铝离子具有鳌合作用的轻肪酸淀粉吸附能力和抑制作用更强。
聚丙烯酞胺类化合物在矿物表面的吸附能以及吸附量均显示出药剂与矿物间
存在的强作用，作用方式与淀粉类药剂相似:阴离子聚丙烯酚胺、轻肠酸聚丙烯酞
胺主要靠化学作用，阳离子聚丙烯酞胺借助静电力和氢键，非离子型的聚丙烯酸胺
则主要是氢键作用，两性聚丙烯酞胺同时具有阴离子和阳离子聚丙烯酞胺药剂的作
用特点。由于分子的直链结构，聚丙烯酸胺药剂易与捕收剂十二胺形成表面活性更
高的高分子捕收剂，同时由于聚丙烯酞胺(除轻肪酸聚丙烯酞胺)具有较高的分子
量，对高岭石显示很好的絮凝作用，增加了捕收剂的吸附密度，活化了高岭石的浮
选。
(5)通过对高分子药剂基团电负性、亲水一疏水平衡常数和结构参数量化计算
以及高分子链结构和分子量对药剂浮选性能的探讨，研究了有机高分子药剂的结构
一性能关系。结果表明:
变性淀粉分子的基团电负性介大小顺序为:醛基>氧肪酸基团>梭酸基团>季
胺基>轻基;药剂的亲水性依氧肪酸淀粉、阴离子淀顺序降低;淀粉的化学改性增
加了键合原子的净电荷，提高了药剂给予电子的能力，提高了药剂的活性。轻肪酸
淀粉的浮选活性指数i，较大，基团电负性介较负，最高占据轨道与最低空轨道能量
差△E最小，具有较高的亲水性、较强的与矿物表面金属离子作用的能力，其抑制
一水硬铝石的能力较强，双醛淀粉和梭甲基淀粉次之，而原淀粉的i，最小，介负值
较小，水溶性和与矿物作用能力均较弱，抑制一水硬铝石浮选的性能较差。
聚丙烯酞胺药剂中，轻肪酸聚丙烯酞胺离子的△E最小，基团电负性最大;其
次是阴离子聚丙烯酞胺、两性离子聚丙烯酞胺和阳离子聚丙烯酞胺，非离子聚丙烯
酞胺的△E最大，给出电子能力最低。对于阴离子聚丙烯酞胺、两性离子聚丙烯酞
胺、阳离子聚丙烯酞胺和非离子聚丙烯酞胺，虽然它们药剂基团电负性、基团大小
不同，但它们的
The surface properties and flotation behavior of minerals, such as diaspore, kaolinite, pyrophyllite and illite, were investigated by flotation tests, the measurements of zeta potential, adsorption and the infrared spectrumthe, as well as the quantum chemistry calculations of mineral crystals and interaction between minerals and reagents. Several kinds of new high molecular modifiers were synthesized to investigate the effect of these reagents on the flotation of four minerals. Also the reaction mechanism and the structure -performance relationship of the reagents were studied. It has been shown that:
(1) The broken surface of diaspore exhibits a good hydrophilic due to the fracture of AI-O bond. The C -potential of mineral surface depends on the selective adsorption of H+ and OH" on cleavage plane, which decreases with the increase of the pH value of media. The isoelectric point is around pH 6.0.
Kaolinite, pyrophyllite and illite obtain two kinds of broken surfaces with great difference in properties for their sandwich structure when crushed. Built up by the fracture of Al-O bond and Si-O bond, their {010} surfaces are hydrophilic, which has similar charging mechanism to that of diaspore. Which kind of bonds breaks between layers is determined by the type of mineral crystal structure. As to kaolinite, it is hydrogen bond that breaks, which provides the broken surface with permanent negative charge because of the isomorphic exchange of lattice ion. In the case of pyrophyllite, molecular bond breaks. For illite, both ionic bond and molecular bond break. Moreover, the {001} and {00-1} surfaces of kaolinite, with different chemical constitutions and different charging properties, have different adsorption abilities to dodecyl amine (DDA), which produces impact factor of kaolinite flotation.
(2) By oxidation and etherification of industrial starch, carboxymethyl starch, hydroxamic acid starch, cationic starch and dialdehyde starch are prepared. The flotation tests showed that all modified starches have evident depressing effects on diaspore. In acid pulp, the depressing abilities of reagents on diaspore are in the order of hydroxamic acid starch > dialdehyde starch > carboxymethyl starch > cationic starch> primary starch. In addition, hydroxamic acid starch and carboxymethyl starch can activate kaolinite without influence on the recoveries of pyrophyllite and illite, so the two
IV
reagents have great potential and prospect to be the depressant of diaspore and the activator of kaolinite in bauxite reverse flotation.
(3) By oximation of the copolymer of acrylamide and methyl acrylate, hydroxamic acid polyacrylamide is synthesized. The hydroxamic acid polyacrylamide, nonionic, anionic, cationic and amphoteric ones examined can activate the flotation of diaspore and illite, especially of kaolinite. Being above 80% in wide pH range, the recovery of kaolinite is even higher than that of diaspore at specific pH. At pH=4 about, anionic polyacrylamide exhibits an excellent depressing ability on diaspore, where the recovery of diaspore is 60% lower than that of kaolinite. The application of polyacrylamide greatly reinforces the flotation of kaolinite and shows positive action on bauxite reverse flotation.
(4) Each starch reagent has its own mode of action on mineral surface, such as primary starch mainly by hydrogen bond, cationic starch by the co-action of hydrogen bond and electrostatic force (for minerals with negative charge on its surface), while carboxymethyl starch, hydroxamic acid starch and dialdehyde starch principally by chemical force accompanied with hydrogen bond and electrostatic force in part. Such
*: chemical forces ensure the close adsorption of reagent on diaspore surface and enforces
the hydrophilic of mineral surface. Also the branched chain enable the starch to cover the collector adsorbed on mineral surface, so as to depress diaspore furthermore. Among reagents examined, the modified starch that can interact with metallic ion on mineral surface by chemical
(1)一水硬铝石粉碎破裂时，表面断裂的是铝—氧键，亲水性较好，解理面对溶液中H~+和OH~-离子的选择性吸附，使矿物表面的电位随介质pH的升高而负移，零电点在pH6.0左右；三种脉石矿物为层状铝硅酸盐，粉碎时出现两种性质不同的解理面，{010}端面断裂铝一氧键和硅一氧键，荷电机理同一水硬铝石，亲水性较好。而层面断裂键则与矿物的晶体结构有关。高岭石层面断裂的是氢键，因晶格阳离子的类质同象替换，该面带有永久的负电荷，叶蜡石断裂的是分子键，疏水性较好，伊利石既有离子键也有分子键断裂，亲水性较好；而且高岭石有不同的两个层面，{001}和{00-1}面，其化学组成不同，荷电性质不同，对十二胺的吸附能力不同，是影响其浮选的一个重要因素。
(2)通过对工业淀粉进行氧化和醚化改性，制得了羧甲基淀粉、氧肟酸淀粉、阳离子淀粉和双醛淀粉。对铝土矿四种主要矿物，一水硬铝石、高岭石、叶蜡石和伊利石的浮选结果表明，变性淀粉均对一水硬铝石有抑制作用，在酸性条件下，几种药剂对一水硬铝石抑制作用大小的顺序为氧肟酸淀粉＞双醛淀粉＞羧甲基淀粉＞阳离子淀粉＞原淀粉，而且氧肟酸淀粉和羧甲基淀粉对高岭石有活化作用，同时不影响叶蜡石和伊利石的回收率，是一种具有潜力和应用前景的铝土矿反浮选一水硬铝石抑制剂及高岭石活化剂。
(3)对丙烯酰胺和丙烯酸甲酯的共聚物肟化制得氧肟酸聚丙烯酰胺，将它同非离子聚丙烯酰胺、阴离子聚丙烯酰胺、阳离子聚丙烯酰胺和两性聚丙烯酰胺分别应用于四种矿物的单矿物浮选试验，结果显示，改性聚丙烯酰胺对一水硬铝石、高岭石和伊利石均具有活化作用，其中，药剂对高岭石的活化最强，使它的回收率在整个pH值范围达到80％左右，在一定pH条件下超过一水硬铝石的回收率，解决了高岭石难浮选的问题。在pH=4左右，阴离子聚丙烯酰胺对一水硬铝石表现出优异的抑制性，使一水硬铝石与高岭石的回收率相差近60％。聚丙烯酰胺的应用强化了高岭石的浮选，对铝土矿反浮选具有积极作用。
(4)借助矿物表面动电位测量、红外光谱测定、药剂与矿物表面作用的计算机模拟和量化计算以及药剂在矿物表面吸附量的测量，研究了两个系列高分子药剂与
矿物表面的作用机理。
不同淀粉药剂在矿物表面表现不同作用，原淀粉主要是氢键的作用，阳离子淀
粉是氢键和静电力(与荷负电矿物表面)的共同作用，梭甲基淀粉、轻肪酸淀粉和
双醛淀粉离子性药剂与矿物间的作用除了氢键、静电力外，更重要的是与矿物表面
金属离子间产生的化学作用，使药剂能牢固地吸附在一水硬铝石矿物表面，增加矿
物表面的亲水性，同时，淀粉支链结构的存在，使它能够掩盖吸附的捕收剂，达到
抑制一水硬铝石的目的。几种药剂中，能够与矿物表面金属离子发生化学键合的变
性淀粉，特别是对铝离子具有鳌合作用的轻肪酸淀粉吸附能力和抑制作用更强。
聚丙烯酞胺类化合物在矿物表面的吸附能以及吸附量均显示出药剂与矿物间
存在的强作用，作用方式与淀粉类药剂相似:阴离子聚丙烯酚胺、轻肠酸聚丙烯酞
胺主要靠化学作用，阳离子聚丙烯酞胺借助静电力和氢键，非离子型的聚丙烯酸胺
则主要是氢键作用，两性聚丙烯酞胺同时具有阴离子和阳离子聚丙烯酞胺药剂的作
用特点。由于分子的直链结构，聚丙烯酸胺药剂易与捕收剂十二胺形成表面活性更
高的高分子捕收剂，同时由于聚丙烯酞胺(除轻肪酸聚丙烯酞胺)具有较高的分子
量，对高岭石显示很好的絮凝作用，增加了捕收剂的吸附密度，活化了高岭石的浮
选。
(5)通过对高分子药剂基团电负性、亲水一疏水平衡常数和结构参数量化计算
以及高分子链结构和分子量对药剂浮选性能的探讨，研究了有机高分子药剂的结构
一性能关系。结果表明:
变性淀粉分子的基团电负性介大小顺序为:醛基>氧肪酸基团>梭酸基团>季
胺基>轻基;药剂的亲水性依氧肪酸淀粉、阴离子淀顺序降低;淀粉的化学改性增
加了键合原子的净电荷，提高了药剂给予电子的能力，提高了药剂的活性。轻肪酸
淀粉的浮选活性指数i，较大，基团电负性介较负，最高占据轨道与最低空轨道能量
差△E最小，具有较高的亲水性、较强的与矿物表面金属离子作用的能力，其抑制
一水硬铝石的能力较强，双醛淀粉和梭甲基淀粉次之，而原淀粉的i，最小，介负值
较小，水溶性和与矿物作用能力均较弱，抑制一水硬铝石浮选的性能较差。
聚丙烯酞胺药剂中，轻肪酸聚丙烯酞胺离子的△E最小，基团电负性最大;其
次是阴离子聚丙烯酞胺、两性离子聚丙烯酞胺和阳离子聚丙烯酞胺，非离子聚丙烯
酞胺的△E最大，给出电子能力最低。对于阴离子聚丙烯酞胺、两性离子聚丙烯酞
胺、阳离子聚丙烯酞胺和非离子聚丙烯酞胺，虽然它们药剂基团电负性、基团大小
不同，但它们的
The surface properties and flotation behavior of minerals, such as diaspore, kaolinite, pyrophyllite and illite, were investigated by flotation tests, the measurements of zeta potential, adsorption and the infrared spectrumthe, as well as the quantum chemistry calculations of mineral crystals and interaction between minerals and reagents. Several kinds of new high molecular modifiers were synthesized to investigate the effect of these reagents on the flotation of four minerals. Also the reaction mechanism and the structure -performance relationship of the reagents were studied. It has been shown that:
(1) The broken surface of diaspore exhibits a good hydrophilic due to the fracture of AI-O bond. The C -potential of mineral surface depends on the selective adsorption of H+ and OH" on cleavage plane, which decreases with the increase of the pH value of media. The isoelectric point is around pH 6.0.
Kaolinite, pyrophyllite and illite obtain two kinds of broken surfaces with great difference in properties for their sandwich structure when crushed. Built up by the fracture of Al-O bond and Si-O bond, their {010} surfaces are hydrophilic, which has similar charging mechanism to that of diaspore. Which kind of bonds breaks between layers is determined by the type of mineral crystal structure. As to kaolinite, it is hydrogen bond that breaks, which provides the broken surface with permanent negative charge because of the isomorphic exchange of lattice ion. In the case of pyrophyllite, molecular bond breaks. For illite, both ionic bond and molecular bond break. Moreover, the {001} and {00-1} surfaces of kaolinite, with different chemical constitutions and different charging properties, have different adsorption abilities to dodecyl amine (DDA), which produces impact factor of kaolinite flotation.
(2) By oxidation and etherification of industrial starch, carboxymethyl starch, hydroxamic acid starch, cationic starch and dialdehyde starch are prepared. The flotation tests showed that all modified starches have evident depressing effects on diaspore. In acid pulp, the depressing abilities of reagents on diaspore are in the order of hydroxamic acid starch > dialdehyde starch > carboxymethyl starch > cationic starch> primary starch. In addition, hydroxamic acid starch and carboxymethyl starch can activate kaolinite without influence on the recoveries of pyrophyllite and illite, so the two
IV
reagents have great potential and prospect to be the depressant of diaspore and the activator of kaolinite in bauxite reverse flotation.
(3) By oximation of the copolymer of acrylamide and methyl acrylate, hydroxamic acid polyacrylamide is synthesized. The hydroxamic acid polyacrylamide, nonionic, anionic, cationic and amphoteric ones examined can activate the flotation of diaspore and illite, especially of kaolinite. Being above 80% in wide pH range, the recovery of kaolinite is even higher than that of diaspore at specific pH. At pH=4 about, anionic polyacrylamide exhibits an excellent depressing ability on diaspore, where the recovery of diaspore is 60% lower than that of kaolinite. The application of polyacrylamide greatly reinforces the flotation of kaolinite and shows positive action on bauxite reverse flotation.
(4) Each starch reagent has its own mode of action on mineral surface, such as primary starch mainly by hydrogen bond, cationic starch by the co-action of hydrogen bond and electrostatic force (for minerals with negative charge on its surface), while carboxymethyl starch, hydroxamic acid starch and dialdehyde starch principally by chemical force accompanied with hydrogen bond and electrostatic force in part. Such
*: chemical forces ensure the close adsorption of reagent on diaspore surface and enforces
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引文
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