几种羟肟酸捕收剂与氟磷灰石作用机理研究

易 雕，王 雪

(贵州省分析测试研究院，贵州 贵阳 550002)

0 引言

磷矿资源是一种不可再生资源，而且正随着资源的开发利用趋于贫化。依据磷灰石的开垦形式、选矿难易程度、共伴生矿产的综合利用等原因，通常边界品位为P2O5≥5%，工业品位为P2O5≥9%～11%[1-2]。高镁磷尾矿中镁含量较高，并且磷含量也在上述指标范围中。因此，将高镁磷尾矿中的镁进行回收再利用，不仅可以达成资源综合利用而且减少对环境的污染。

磷矿石浮选捕收剂是长链脂肪酸及其盐类，但此类捕收剂对中、低品位的磷矿选择性效果不好，因为常温下流动性和分散性较差。将浮选药剂多功能团化是改善其综合性能的有效方法，如果在捕收剂分子结构中引入活性基团，使其能与矿物表面上的阳离子形成稳定螯合物，则能改善捕收剂选择性，进而改善药剂的流动性。羟肟基是一类具有较高配位活性的基团，其与矿物表面金属离子结合可生成稳定性较好的螯合物，从而吸附在矿物表面[3-4]。

文章结合分子模拟软件，研究几种羟肟酸捕收剂与氟磷灰石的作用机理，揭示羟肟酸浮选药剂与氟磷灰石矿物表面的作用行为，为今后高镁磷尾矿低温浮选提供依据，为将来新型磷矿捕收剂的研发提供理论参考。

1 几种羟肟酸捕收剂与白云石作用的分子力学模拟

Material Studio是由美国ACCELRYS公司专门设计的一款可运行在PC上的模拟软件，运用分子模拟软件能够很方便的建立三维分子模型，分析矿物晶体，模拟浮选药剂分子与矿物晶体相互作用的三维立体图，采用Material Studio分子模拟软件对药剂分子结构优化、分子构建、吸附模拟及分子结合能计算，通过计算药剂与矿物作用前后的能量值，研究药剂与矿物的作用形式。

1.1 氟磷灰石晶体结构、解理面以及超晶胞模型

氟磷灰石晶体结构参数

空间群：P 63/m

晶格参数(长度单位：Å，角度单位：度)

a=9.3973α= 90.0

b=9.3973β= 90.0

c=6.8782γ= 120.0

原子空间占位

矿物超晶胞模型由矿物晶体模型沿解离面切面得到。根据氟磷灰石晶体结构参数、原子空间占位，在Material Studio中建立氟磷灰石晶体结构模型，再切出氟磷灰石晶体结构模型解理面，建立氟磷灰石超晶胞模型。

氟磷灰石晶体结构、解理面以及超晶胞模型如图1-图3所示。

图2 氟磷灰石解理面{101}Fig.2 Fluorapatite cleavage surface{101}

图3 氟磷灰石的超晶胞Fig.3 Supercell of fluorapatite

1.2 几种羟肟酸药剂结构及分子式

常用的羟肟酸类捕收剂结构及分子式如表1所示。

表1 常用羟肟酸类捕收剂药剂结构及分子式Tab.1 Structure and molecular formula of common hydroxamic acid collectors

1.3 捕收剂与氟磷灰石相互作用模拟

在Materials Studio软件环境中，分别模拟了捕收剂与氟磷灰石的作用，捕收剂与氟磷灰石表面相互作用如图4-图10所示。

图4 八烷基羟肟酸与氟磷灰石相互作用Fig.4 Octadecyl hydroxamic acid interacts with fluorapatite

图5 十烷基羟肟酸与氟磷灰石相互作用Fig.5 Decyl hydroxamic acid interacts with fluorapatite

图6 十二烷基羟肟酸与氟磷灰石相互作用Fig.6 Dodecyl hydroxamic acid interacts with fluorapatite

图7 水杨基羟肟酸与氟磷灰石相互作用Fig.7 Salicylic acid interacts with fluorapatite

图8 苯甲羟肟酸与氟磷灰石相互作用Fig.8 Benzohydroxamic acid interacts with fluorapatite

图9 乙酰羟肟酸乙酯与氟磷灰石相互作用Fig.9 Ethyl acetyl hydroxamic acid interacts with fluorapatite

图10 1-萘羟肟酸与氟磷灰石相互作用Fig.10 1-naphthalamic acid interacts with fluorapatite

2 结果与讨论

通过计算得到了几种羟肟酸捕收剂与氟磷灰石的相互作用能，如表2所示。

由表2捕收剂与氟磷灰石表面作用的能量变化数据可以看出，八烷基羟肟酸、十烷基羟肟酸、十二烷基羟肟酸、水杨羟肟酸、苯甲羟肟酸、乙酰羟肟酸乙酯、1-萘羟肟酸与氟磷灰石表面相互作用能均为正值，模拟是在真空进行的，而这些能量都为正值，说明若浮选体系中只存在羟肟酸与氟磷灰石作用时，羟肟酸不会捕收氟磷灰石。但是通过以往模拟研究，羟肟酸捕收剂与白云石作用能为负值，说明羟肟酸捕收剂在浮选体系中可以有效作用于白云石表面，所以在磷尾矿浮选体系中，使用羟肟酸作为捕收剂，会有效将磷尾矿中白云石与氟磷灰石有效分离。

表2 捕收剂与氟磷灰石表面作用的能量变化/(kcal·mol-1)Tab.2 Energy change of collectors and fluorapatite surface

3 前景与展望

捕收剂若要广泛应用于工业实际生产，既要具有很强的捕收能力和很好的选择性，又要价格低廉、使用量少。当前，羟肟酸类捕收剂在生产实际中普遍存在价格昂贵的特点，这就使得羟肟酸类捕收剂在工业生产实际推广中严重受到阻碍。所以，在日后的合成生产中，应重点开发新型、成本低的羟肟酸类捕收剂。