一种氟碳铈矿捕收剂的设计筛选及浮选性能研究

2014-03-04 01:36吴桂叶李松清张行荣郑桂兵
中国矿业 2014年2期
关键词:邻苯二甲酸收剂稀土

吴桂叶,张 杰,李松清,张行荣,谭 鑫,郑桂兵

(北京矿冶研究总院矿物加工科学与技术国家重点实验室,北京102600)

目前,已发现的稀土矿物多达250多种。我国稀土资源尤其丰富,已探明储量约占世界的80%,其中储量最丰富为氟碳铈矿。氟碳铈矿是一类氟碳酸盐矿物,主要以轻稀土为主,化学式为CeCO3F。随着应用领域的不断拓展,工业需求也日益增加,稀土矿物的开发和利用日益引起人们重视。稀土分选技术的发展往往与稀土浮选药剂的发展密切相关。由于稀土矿物难选的特点对浮选药剂有了更高的要求,第一代、第二代捕收剂无法满足稀土矿物浮选分离要求,螯合捕收剂因为其独特的作用机理,具有选择性高等特点,受到研究者的亲睐[1]。螯合捕收剂是指能够与金属离子形成环状络合物的一类浮选药剂[2]。自20世纪60年代以来,国内外选矿药剂研究者针对稀土浮选药剂的选择性、捕收能力做了大量的研究工作,开发或筛选出多种不同类型的浮选药剂,如含氮浮选剂、含磷浮选剂和羧酸类浮选剂等,其中有些药剂已在稀土浮选中应用[3-6]。

近年来,计算机辅助分子设计(CAMD)技术逐渐被引入到浮选药剂分子设计领域,并起到重要的指导作用[7-8]。本研究针对某稀土氟碳铈矿物,借助于CAMD技术研发制备捕收剂BK415,并对比了邻苯二甲酸、苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸、59羟肟酸、H205等几种捕收剂的浮选性能。研究结果表明,BK415浮选氟碳铈矿效果好,铈回收率高,精矿品位高,是一种优良的氟碳铈矿捕收剂。

1 试验

1.1 矿样

试验矿样是由热液作用形成的碳酸岩矿床,属于含稀土的正长岩碳酸岩型矿床,含矿杂岩体由正长岩和碳酸岩类组成。主要有价矿物稀土多成浸染状、细脉浸染状分布于方解石、长石、石英等矿物颗粒间或裂隙中。有价矿物粒度相差悬殊,分布不均匀。矿物间互相交织嵌生,或连生,或互为包体。该矿石中主要脉石矿物为长石、石英、方解石、铁白云石及萤石等。原矿化学分析结果见表1。

1.2 药剂

试验所用药剂主要包括邻苯二甲酸、苯甲羟肟酸、水杨羟肟酸、3-羟基-2-萘甲羟肟酸(H205)、BK415、苯乙烯膦酸等。

1.3 分子建模方法

本研究使用MS(Material Studio)-Dmol3模块进行量子化学计算优化矿物表面和药剂分子结构;利用MS-Forcite模块进行分子动力学模拟和计算。

2 结果及讨论

2.1 氟碳铈矿捕收剂分子的设计筛选

以相互作用能作为药剂与矿物相互作用强度的衡量指标[9]。相互作用能越负,药剂和矿物表面相互作用越强,吸附越容易发生。

由MS软件计算的几种捕收剂、氟碳铈矿能量、络合物能量以及氟碳铈矿与药剂的相互作用能(相互作用能=络合物能量-(药剂能量+矿物能量))见表2。

由表2可以看出,相互作用能的强弱顺序为BK415(-1655.58)>H205(-995.58)>苯乙烯膦酸(-946.82)>邻苯二甲酸(-946.46)>水杨羟肟酸(-727.05)>苯甲羟肟酸(-569.82)。BK415的相互作用能最负,说明其与氟碳铈矿的结合能力较强,很有可能成为氟碳铈矿高效捕收剂。实验室制备合成BK415进行浮选试验验证,并与稀土捕收剂H205进行对比。

表1 原矿化学多元素分析结果/%

表2 捕收剂、氟碳铈矿及其相互作用能量/(kJ/mol)

2.2 捕收性能对比研究

以稀土矿原矿为给矿,-74μm含量90%,以水玻璃为调整剂,2号油为起泡剂,采用一次粗选,进行了捕收剂种类试验,试验结果见图1,试验结果见表3。

图1 捕收剂种类试验浮选流程

由表3可以看出,经过一次粗选之后,邻苯二甲酸与苯乙烯膦酸的精矿品位、回收率都明显低于羟肟酸类。分析其原因是由于邻苯二甲酸与苯乙烯膦酸的适用条件为4~5,但是本矿样为碳酸盐型矿物,脉石矿物主要包含方解石、白云石,不利于用酸调节pH;而羟肟酸的适用条件为弱碱性,满足这一要求。分析几种羟肟酸可以看出,BK415与H205的精矿品位和回收率都较高,进一步研究pH对其浮选性能的影响。

以稀土矿原矿为给矿,-74μm含量90%,捕收剂用量1000g/t,以碳酸钠为pH调整剂,采用一次粗选,进行pH试验。试验结果见图2,试验结果见表4。

由表4可以看到,在调整剂碳酸钠用量为800g/t时,BK415与H205均达到最佳的浮选条件。用量相等条件下,经过一次粗选,BK415浮选氟碳铈矿精矿品位与H205相当的条件下,回收率达到66.18%,明显高于H205的浮选回收率(36.09%)。这与前期CAMD进行分子模拟的结果相一致,也验证了CADM技术进行分子设计筛选的准确性。

表3 浮选性能对比试验结果/%

图2 pH试验浮选流程

3 结语

借助CAMD技术设计合成了捕收剂BK415,用其选别氟碳铈矿,给矿品位0.27,经过一次粗选获得粗选精矿品位1.02,回收率66.18%,在保持品位不变的情况下,回收率高于稀土捕收剂H205,是一种很有前途的稀土捕收剂。

表4 碳酸钠用量试验结果/%

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