一种氟碳铈矿捕收剂的设计筛选及浮选性能研究

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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