十二烷基胺類捕收劑的取代基基因特性對其浮選性能的影響研究

王本英 徐新陽 陳 熙 劉文剛 劉文寶 崔寶玉

（東北大學資源與土木工程學院，遼寧沈陽110819）

陽離子捕收劑多為含N的有機化合物，在鐵礦石、鋁土礦以及磷礦反浮選脫硅等領域具有巨大的應用潛力［1，2］。隨著我國大力提倡發展集約經濟，陽離子反浮選工藝在我國得到了快速發展，我國開發了多種新型的陽離子捕收劑，如多元醚胺、季銨鹽、多元胺、烷基胍等，極大地推動了我國陽離子反浮選工藝的發展［3］。前期研究表明，浮選藥劑的分子結構對其性能具有重要影響，憑借經驗向藥劑分子中引入適宜的取代基會使母體電荷分布發生變化，從而對其電化學性能、溶解性、氧化還原性等產生影響［4-6］。因此，通過向傳統捕收劑中引入新的取代基對其進行改性，從而開發新型、高效捕收劑的研究得到了國內外研究者的廣泛關注。

近年來，關于向傳統捕收劑分子結構中引入多種取代基開發新型陽離子捕收劑的研究越來越受關注。國內外學者通過向伯胺分子中引入醚基、酰基、仲胺基、芐基、鹵素、羥基等取代基，開展了大量的新型陽離子捕收劑開發研究工作［7-9］。

盡管這些研究已認識到取代基對陽離子捕收劑活性的影響，并初步探索了取代基的影響規律。但關于取代基種類、數目等對陽離子捕收劑結構與性能的影響規律仍缺乏系統性研究。鑒于此，本文在前期研究成果的基礎上，選擇含有不同取代基的陽離子捕收劑作為樣本，考察了取代基數量、種類等對陽離子捕收劑浮選性能的影響，以期明確取代基對陽離子捕收劑浮選性能的影響規律。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

石英和赤鐵礦純礦物取自鞍鋼集團齊大山鐵礦。人工選取純度較高的塊狀礦石經破碎手選后，赤鐵礦用濕式球磨機磨細、經搖床選別后，篩取0.074～0.015 mm粒級樣品，低溫烘干作為浮選所用礦樣。石英礦樣用陶瓷球磨機磨碎、酸浸后，篩取0.074～0.015 mm粒級樣品，低溫烘干作為浮選所用礦樣。X射線衍射和化學多元素分析結果表明石英和赤鐵礦的純度分別為96.36%和98.27%，符合單礦物浮選試驗要求。

試驗中所用捕收劑為十二胺（DDA）、N-十二烷基甲胺（MDA）、N，N-十二烷基二甲基叔胺（DMDA）、十二烷基三甲基氯化銨（DTAC）、N-十二烷基乙醇胺（HEDA）、N-十二烷基異丙醇胺（IPDA）、N-十二烷基乙二胺（NDED）和N-十二烷基-1，3丙二胺（NDPD）。

DDA、MDA、DMDA和DTAC分別購自上海麥克林生化科技有限公司、阿法埃莎（中國）化學有限公司、山東西亞化學工業有限公司和國藥集團化學試劑有限公司，均為化學純試劑。上述4種藥劑先用醋酸溶解，配成一定濃度的溶液后備用。

NDED［8］、NDPD［8］、IPDA［9］和 HEDA［10］為按照相關文獻在實驗室合成的產物，相關測試結果表明，其純度大于95%。此4種藥劑直接用去離子水溶解，配制成相應濃度的溶液后備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 浮選試驗

浮選試驗在主軸攪拌速度為1 620 r/min的XFGII5型掛槽浮選機中進行，試驗溫度為室溫。每次稱取5.0 g礦樣放入容積為30 mL的浮選槽中，加25 mL去離子水，攪拌2 min后向礦漿中加入一定量的捕收劑，調漿1 min后浮選刮泡5 min。刮泡結束后，將泡沫產品和槽內產品分別烘干、稱量，化驗TFe含量，計算品位和回收率。

研究過程中，為進一步分析藥劑的分選能力，考察了其對石英和赤鐵礦按質量比2∶3組成的人工混合礦的分選性能，并計算了分選過程的分離效率（SE）［11］。分離效率是反映選別作業中有用礦物與脈石礦物分離程度的參數，是衡量選別作業好壞的一個重要指標，其計算公式為

式中：mc為精礦的質量；mf為給礦的質量；α為Fe2O3中鐵的理論品位（70%）；β為人工混合礦中的鐵品位（41.27%）；γ為精礦中的鐵品位。

1.2.2 量子化學計算

在Gaussian 09軟件中，采用B3LYP法6-311G+（d，p）基組對所選捕收劑進行結構優化和頻率分析（即Opt+Freq），得到無虛頻的全局最小藥劑構象。然后，將獲得的捕收劑最優構型導入MS 8.0軟件中，使用DMol3模塊對其理化參數進行分析。模塊的計算參數設置如下［12，13］：電子交換和相關相互作用計算采用GGA-PBEsol；選用DNP（雙數值d、p極化）基組；積分精度和SCF公差為fine；所有的電子都用于核心處理；在orbital cutoff方案中采用了Global和fine精度，其 orbital cutoff值為 45 nm；采用 Conductor-like Screening模型（COSMO）考慮溶劑化的影響，同時，溶劑選擇水（介電常數=78.54）。

2 試驗結果與討論

2.1 取代基對捕收劑捕收能力的影響

在礦漿自然pH值條件下，分別以DDA、MDA、DMDA和DTAC為捕收劑，在捕收劑用量為20 mg/L時，考察捕收劑種類對石英和赤鐵礦單礦物的捕收性能，以此考察甲基數量對陽離子捕收劑捕收能力的影響，結果如圖1所示。

從圖1可知：甲基取代基的引入，不利于陽離子捕收劑對石英和赤鐵礦的捕收；隨著取代基數量的增加，石英和赤鐵礦的浮選回收率均逐漸降低，但赤鐵礦回收率降低速率更快；在相同捕收劑用量條件下，石英和赤鐵礦回收率差異隨取代基數量的增加而增大，當以DDA為捕收劑時，石英和赤鐵礦回收率差異不明顯，僅為3.88個百分點；但當以DTAC為捕收劑時，石英和赤鐵礦回收率差值達到48.04個百分點。

在礦漿自然pH值條件下，分別以DDA、MDA、HEDA、IPDA、NDED和NDPD為捕收劑，在捕收劑用量為20 mg/L時，考察捕收劑對石英和赤鐵礦單礦物的捕收性能，以此考察取代基類型對陽離子捕收劑捕收能力的影響，結果如圖2所示。

從圖2可以看出：向十二胺分子結構中引入取代基不同，其對石英和赤鐵礦的捕收能力影響不同；除甲基外，向十二胺分子中引入其他取代基后，石英回收率均明顯升高，表明引入取代基后的捕收劑對石英的捕收能力明顯增強；向十二胺中引入所考察的幾種取代基后，其對石英的捕收能力改善順序為—CH2CH2NH2＞—CH2CH2CH2NH2＞—CH2CH2OH＞—CH2CH（OH）CH3；當十二胺分子中引入取代基后，其對赤鐵礦的捕收能力呈現了不同的變化規律，引入—CH2CH2OH、—CH2CH（OH）CH3和—CH3取代基后，赤鐵礦的回收率出現了不同程度的下降，但引入—CH2CH2NH2和—CH2CH2CH2NH2取代基后，赤鐵礦回收率則出現了明顯的上升趨勢。因此，向陽離子捕收劑分子結構中引入含羥基或胺基的官能團有利于對石英的捕收，但引入含胺基的取代基以后，赤鐵礦回收率也相應提高。

2.2 取代基對捕收劑分選性能的影響

在礦漿自然pH值條件下，分別以DDA、MDA、DMDA和DTAC為捕收劑，固定捕收劑濃度為20 mg/L，考察甲基取代基數量對人工混合礦的分選性能，捕收劑類型與分選效率的相關關系如圖3所示。

從圖3可以看出，甲基的引入，有助于提升陽離子捕收劑的浮選選擇性。隨著取代基數量的增加，人工混合礦的分選效率逐漸增大，具有更好的分選效果。

在礦漿自然pH值條件下，分別以DDA、MDA、HDEA、IPDA、NDED和NDPD為捕收劑，固定捕收劑濃度為20 mg/L，考察捕收劑對人工混合礦的分選性能，取代基類型與分選效率的相關關系如圖4所示。

從圖4可以看出：向十二胺分子結構中引入取代基，能夠不同程度地提高捕收劑浮選選擇性，人工混合礦的分選效率指數明顯增加；向十二胺中引入所考察的幾種取代基后，人工混合礦分選效率指數增加的順序為—CH2CH（OH）CH3＞—CH3＞—CH2CH2OH＞—CH2CH2CH2NH2＞—CH2CH2NH2； 其中，引入—CH2CH（OH）CH3后，人工混合礦分選效率增加最為明顯，分選效率可達21.84%；引入—CH3后，人工混合礦分選效率增加明顯，可達9.64%；引入—CH2CH2OH和—CH2CH2CH2NH2后，人工混合礦分選效率可到達9%以上；與此相比，引入—CH2CH2NH2后，人工混合礦分選效率增加較低，僅達到8.42%。

綜合分析單礦物浮選試驗和人工混合礦分選試驗結果可知，向十二胺極性基中引入含羥基（—OH）或胺基（—NH2）的取代基，能夠明顯提高藥劑對石英的捕收能力，并且提高人工混合礦分選效率。但引入含胺基（—NH2）的取代基后，亦同時提高了藥劑對赤鐵礦的捕收能力，人工混合礦分選效率增加效果不如引入含羥基取代基時明顯。另一方面，十二胺極性基中取代基個數的增加或者季銨鹽化，能夠顯著降低捕收劑對赤鐵礦的捕收能力，從而大幅度提升人工混合礦的分選效率。

2.3 捕收劑取代基基因特性與浮選性能的關系分析

通過前述研究可以看出，取代基種類和數量對陽離子捕收劑的捕收能力和浮選選擇性有很大影響，為進一步分析取代基對陽離子捕收劑浮選性能的影響機制，對樣本陽離子捕收劑的量子化學參數進行了計算分析，結果如表1所示。

從表1可以看出：對于DDA、MDA、DMDA和DTAC來說，甲基的引入對極性基總電荷量（約0.91 e）和前線軌道能量（EHOMO和ELUMO）的影響較小，說明甲基的引入對陽離子捕收劑與礦物表面的靜電吸附作用影響較弱，但甲基的引入對極性基團的橫截面尺寸影響顯著；隨著引入甲基數目的增加，橫截面尺寸增加，即 DDA（0.019 nm2）＜MDA（0.039 nm2）＜DMDA（0.099 nm2）＜DTAC（0.123 nm2），從而增大了藥劑與礦物表面作用的空間位阻，減弱捕收劑在礦物表面的吸附［14］，導致藥劑的捕收能力減弱，選擇性增強；對二元胺類捕收劑（NDED、NDPD）來說，含—NH2取代基的引入，對藥劑前線軌道能量（EHOMO和ELUMO）的影響較小，但顯著增加了極性基團的總電荷量（約為1.9 e），說明捕收劑與礦物表面的靜電引力增強，藥劑對礦物的捕收能力增強，與浮選試驗結果相符；NDED和NDPD的極性基橫截面尺寸分別為0.049 nm2和0.052 nm2，遠大于DDA的極性基團橫截面尺寸（0.019 nm2），因此其浮選選擇性增強；當向陽離子捕收劑分子結構中引入含O的取代基后（HEDA、IPDA），其結構中含有N和O兩種活性原子，取代基的引入對捕收劑極性基團的總電荷量和前線軌道能量（EHOMO和ELUMO）的影響較小；但含—OH取代基的引入，會增加捕收劑中氫鍵供體和受體的數目，從而增強捕收劑與礦物表面形成氫鍵的能力，所以單礦物的浮選回收率會出現一定程度的增加。同時，相關研究表明，氫鍵吸附具有選擇性，容易與含O原子密度大的表面相互作用［15］，因此含羥基取代基的引入，增加了陽離子捕收劑浮選的選擇性。另一方面，隨著含—OH取代基引入數目的增多，陽離子捕收劑極性基橫截面尺寸增加，從而增大了藥劑與礦物表面吸附的空間位阻效應，提高了藥劑的浮選選擇性。

3 結 論

（1）隨著陽離子捕收劑親固基團中取代基數量的增加，捕收劑的捕收能力逐漸下降，但其選擇性逐漸升高。

（2）向陽離子捕收劑分子結構中引入含羥基或胺基的官能團有利于其對石英的捕收，但引入含胺基的取代基以后，赤鐵礦回收率也相應提高。

（3）通過引入取代基來增加陽離子捕收劑極性基團橫截面尺寸，能夠提高陽離子捕收劑浮選選擇性，但容易降低藥劑的捕收能力；而向陽離子捕收劑中引入含—OH的取代基，會增強藥劑與礦物表面選擇性的氫鍵吸附作用，能夠在提高藥劑捕收能力的同時增強藥劑的浮選選擇性。

（4）陽離子捕收劑親固基團中取代基的種類和數量均會對其捕收能力和選擇性產生影響。在后續研究中，結合有機化學的相關知識來提取取代基的相關參數，以定量這種影響規律，從而明確取代基參數與陽離子捕收劑浮選性能之間的基因特性，可為構建一種基于取代基效應的陽離子捕收劑設計方法奠定基礎。