石英是铁矿石中的主要的脉石矿物之一,石英与铁矿石中有价矿物表面化学性质类似导致了浮选精矿中SiO₂含量过高。阳离子反浮选工艺能有效分离石英与铁矿物,由于我国阳离子捕收剂起步较晚,针对阳离子捕收剂结构与其浮选性质研究较少,导致了阳离子捕收剂的发展缓慢。因此本文采用通过研究阳离子捕收剂分子的结构特征与其浮选性能之间的构效关系,构建出相应定量构效关系模型,为日后阳离子捕收剂分子结构设计奠定基础,同时也提供一种更加高效与简便的药剂分子设计方法。 通过单矿物浮选试验,考察了十种胺类捕收剂(十二胺、N-十二烷基甲胺、十二叔胺、十二烷基三甲基氯化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十二烷基二甲基乙基溴化铵、十二烷基乙醇胺、十二烷基异丙醇胺、十二烷基二异丙醇胺、十二烷基氯代二异丙醇胺)对石英和赤铁矿的捕收性能,并确定了最佳浮选条件为:捕收剂用量20 mg/L,矿浆自然pH。浮选试验结果表明,十种药剂对石英均有较好的捕收作用,当捕收剂用量20 mg/L时,石英回收率均能达到90%以上。十种捕收剂对赤铁矿的捕收能力存在较大差异,在药剂用量为20 mg/L时,以十二叔胺、季铵盐、十二烷基二丙醇胺为捕收剂时,赤铁矿回收率不超过10%;以十二胺与十二烷基氯代二异丙醇胺为捕收剂时,赤铁矿回收率可达70%以上;以N-十二烷基甲胺、十二烷基乙醇胺与十二烷基异丙醇胺为捕收剂时,赤铁矿回收率在50%左右。 在人工混合矿分选试验中,十二叔胺、季铵盐、十二烷基二异丙醇胺、十二烷基乙醇胺作为捕收剂时可获得铁品位在64%以上,铁回收率在85%以上的铁精矿产品,表现出较好的选择性;在N-十二烷基甲胺和十二烷基异丙醇胺作为捕收剂时,可获得铁品位在64%以上的铁精矿产品,但回收率较低,在65%左右以下,表明其选择性不如上述六种药剂;当十二胺与十二烷基氯代二异丙醇胺作为捕收剂时,可获得铁品位在62%以下,回收率50%以下的铁精矿产品,表现出较差的选择性。 单矿物浮选试验以及药剂分子的空间构型分析结果表明,药剂分子的浮选行为与其分支程度、线性程度、极性基团几何尺寸以及极性基团上引入官能团有较大关系。通过分子动力学模拟计算药剂与矿物表面的反应吸附能,结果表明石英与赤铁矿回收率变化规律与吸附能变化规律一致。 结合人工混合矿分选试验结果,计算出十种捕收剂的分选效率,通过遗传算法构建了分选效率与药剂分子结构参数的构效关系,得到的最佳模型M4具有很好的内部检测结果,并且模型对十二烷基三甲基溴化铵具有良好的外部检测结果。对该模型的分析结果表明,药剂分子的最低未占据分子轨道(Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO)、N原子上电荷数和极性基团电负性与分选效率具有较大联系。所得到最优模型之中,LUMO、N原子上电荷数以及基团电负性与分选效率均呈正相关关系,且三个参数对分选效率有着同等重要的影响。 本文确定的最优分选效率-分子结构参数模型具有良好的检测结果,并且模型中三个结构参数能够较好的解释药剂分子的浮选行为,因此模型能够说明药剂分子结构与浮选行为的关系,为日后新型铁矿石反浮选阳离子捕收剂的设计及优化提供了有效的理论依据。