三种含钙矿物晶体各向异性与浮选行为关系的基础研究

【摘要】含钙矿物之间的浮选分离是当今选矿难题之一。通常,浮选矿浆中常见的矿物暴露面包括破碎和细磨产生的解理面及矿物晶体形貌中常暴露的晶面。白钨矿、方解石和萤石三种含钙矿物均具有复杂的晶体习性,暴露出大量表面物理化学性质各异的晶面和解理面。研究三种含钙矿物晶体各向异性,比较分析三种矿物晶体常见暴露面之间表面性质存在的差异,对于从原子-分子层面理解和解释阴离子、阳离子捕收剂与含钙矿物的作用机理、解决含钙矿物选择性浮选分离难题,具有重要的理论指导意义。本研究借助MS5.0软件计算并建立了各晶面未饱和键密度和表面能之间的关系,据此预测并借助XRD测试确认了三种矿物常见的解理面和暴露面。通过AFM观察、接触角测量、MD模拟和单矿物浮选试验等手段,研究了三种矿物晶体常见暴露面的微观形貌、润湿性和表面自由能,及油酸钠和十二烷基胺(DDA)在弱碱性条件下与三种矿物常见暴露面的作用差异及机理,并比较分析了两种捕收剂与三种矿物的作用差异。重要研究发现及结论如下：1.DFT模拟计算表明,三种矿物表面未饱和键密度与表面能之间呈正比例关系。矿物晶体电性中和面的层间距越大,断裂键密度越小,越容易沿此方向产生解理和裂开；表面能越小的晶面越容易在晶体的最后稳定形貌中暴露。分析表明,白钨矿{001}和{112}面,方解石{214}、{018}和{104}面,萤石{111}和{100}面分别为三种矿物晶体的最常见暴露面,与XRD测试结果一致。2.AFM观察表明,白钨矿{112}解理面较{001}解理面更光滑,表明沿{112}面更容易产生解理。方解石{018}面上观察到了沿区41]键链方向的双晶生长纹；方解石{104}解理面与空气和蒸馏水接触后,表面重构和溶解现象较明显。萤石{100}晶面观察到了与棱平行的嵌木地板式条纹,{111}解理面存在高度约为0.315nm(F–Ca2+-F-离子层高度)整数倍的台阶。与蒸馏水作用后,{100}面呈阶梯性溶解,而{111}面的溶解现象不明显,这与垂直于表面的偶极矩带电情况有关。每种矿物常见暴露面润湿性大小与蒸馏水在暴露面上的粘附功成正比,表面自由能与表面未饱和键密度呈正比例关系。3.MD模拟表明,阴离子捕收剂油酸离子与矿物表面Ca质点形成桥环配位构型时化学吸附能最大,双配位次之,单配位最低。油酸离子在每种矿物常见暴露面上的吸附密度和吸附能越大,表面疏水性越强,与AFM观察结果和接触角测量结果一致。与浓度低于1×10-4mol/L的油酸钠作用后,三种矿物常见暴露面的疏水性和纯矿物浮选回收率大小顺序皆为：萤石>方解石>白钨矿,可由油酸离子在三种矿物表面的吸附能、吸附密度及每种矿物表面断裂键的键能等因素解释。4.MD模拟表明,阳离子捕收剂DDA分子可在三种矿物表面吸附,主要依靠分子中的N与矿物表面Ca质点之间的静电吸引,-NH2中的H与表面O(F)质点形成N-H…O(F)氢键起辅助作用。矿物表面电性对DDA组分在三种矿物表面的吸附起决定影响。Zeta电位测试表明,弱碱性pH值下,DDA阳离子-分子同时吸附在带负电的白钨矿表面,而带正电的方解石和萤石表面则只有DDA分子吸附,与AFM观察和接触角测量结果基本一致。MD模拟表明,与方解石相比,萤石与DDA分子的作用能更大,在DDA溶液中Zeta电位的增幅更大。因此,在pH为7.0-8.0的条件下,DDA对三种含钙矿物的捕收性能强弱顺序为：白钨矿>萤石>方解石。5.从润湿性和吸附能的角度考虑,在三种矿物的浮选实践中,增大白钨矿{001}面、同时减少方解石{018}面和萤石{100}面在矿物粉末样中的暴露比例,有利于实现它们之间的选择性分离。
【作者】高志勇；
【导师】胡岳华；孙伟；
【作者基本信息】中南大学，矿业工程，2013，博士
【关键词】白钨矿；方解石；萤石；表面断裂键；解理性质；接触角；AFM；MD模拟；

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