含碳酸盐铁矿石含有的矿物种类主要有菱铁矿、赤铁矿和石英。菱铁矿易磨易泥化,浮选体系中的细粒菱铁矿会在赤铁矿、石英表面吸附。所以当矿石中菱铁矿含量过高时会严重影响浮选指标,严重时会出现“精尾不分”的现象。针对此类矿石,东北大学提出的含碳酸盐铁矿石“分步浮选”方法,可以实现此类矿石的有效分选。 本文在总结国内外相关研究进展的基础上,开展“分步浮选”机理的研究工作。采用分子模拟中基于密度泛函理论的量子力学方法,深入到原子层面研究药剂与矿物间的作用机理,并与前期浮选试验结果对比验证。利用原子力显微镜和红外光谱分析,研究药剂在矿物表面的吸附形态,以及吸附厚度。 通过对矿物电子结构的模拟优化,找到了与实验值误差最小的计算参数,从而保证了计算的精确度。通过对优化后的矿物晶体进行能带结构分析、态密度分析和Mulliken布居分析,对赤铁矿,菱铁矿和石英的电子结构进行了模拟计算。 经过对表面能的考量,构建了三种矿物的表面结构:菱铁矿(101)面,原子层厚度23.039 Å,真空层厚度26 Å;赤铁矿(001)面,原子层厚度13.187 Å,真空层厚度26 Å;石英(101)面,原子层厚度12.626 Å,真空层厚度26 Å。 构建了药剂与矿物的作用模型,并通过吸附能,能带结构和布居分析等方法,分析了药剂与矿物的作用机理。结果表明,油酸根离子与菱铁矿、赤铁矿作用时主要由油酸根离子的双键氧原子与表面的铁原子形成共价键。淀粉在菱铁矿表面的吸附主要由氢键引起,作用较弱。淀粉与赤铁矿的作用既有氢键的作用,也有苛化后的淀粉形成的-CH₂O基团与赤铁矿表面的Fe原子形成共价键。石英表面的活化分别考察了羟基化石英表面,以及非羟基化的石英表面,考察了Ca²⁺和Ca(OH)⁺对表面的活化作用,结果显示非羟基化的石英表面更容易发生活化和药剂的吸附,钙离子的羟基络合物对石英表面的活化作用也强于钙离子的作用。从目前构建的模型优化结果看出,油酸根离子在石英表面的吸附主要是由于Ca²⁺在石英表面的桥联作用。 利用原子力显微镜高分辨率、三维成像的特点,对吸附药剂后的表面进行了成像,油酸钠在赤铁矿表面以条状形式吸附,油酸钠在菱铁矿表面以圆环状形式吸附,石英由于表面受到了钙离子的活化,油酸钠在表面成片状吸附。 本研究成果对含碳酸盐铁矿石的“分步浮选”具有一定的理论指导意义。