锰是人类生活中一种重要的金属元素,广泛应用于环境、医疗、化工和电池等领域。锰矿已经成为一种重要的战略资源。我国锰矿资源普遍以低品位碳酸锰矿的形式存在。具有矿床规模小,分布不均匀;杂质含量高,优质锰矿少;矿石质量差,贫矿多富矿少;矿石结构复杂、粒度细,伴生脉石矿多等特点。这些特点造成了我国锰矿生产效率低、生产成本高。浮选是富集锰矿最经济有效的方法。湖南凤凰-花垣地区锰矿是我国第二大锰矿床,已探明储量4200万吨,远景资源量约20000万吨,其中大部分为“贫、细、杂”的低品位难选碳酸锰矿。本课题针对湖南凤凰-花垣地区锰矿的综合利用展开。课题的研究对充分利用低品位难选碳酸锰,提高湖南凤凰-花垣地区锰矿资源的利用率,产生显著的经济效益和社会效益,促进当地经济的发展具有重要的意义。为获得结构新颖、成本低廉的高效碳酸锰矿浮选药剂,本课题按照“理论设计-虚拟筛选-合成-浮选测试-结构修饰-理论筛选-合成-浮选测试”的思路,以羟肟酸类化合物为前驱体化合物,结合化合物“分子结构与性能关系”理论,设计了系列N-(取代)脂肪酸酰胺类化合物。合成了该类化合物并采用一次粗选的浮选实验流程,测试了化合物对锰矿的浮选性能。采用表面张力、zeta电位、红外光谱和量子化学计算,研究了它们在浮选锰矿时的作用机理。筛选出了两种具有进一步深入研究价值的捕收剂EOA(N-羟乙基油酸酰胺)、LOA(N-羧甲基亚油酸酰胺)。课题的研究方法与研究内容新颖,鲜见文献报道,具有一定的创新性。本课题主要研究内容如下:① 设计了六种油酸酰胺类化合物,分别为OA(油酸酰胺)、HOA(N-羟基油酸酰胺)、EMOA(N-羟甲基油酸酰胺)、EOA(N-羟乙基油酸酰胺)、AOA(N-氨乙基油酸酰胺)和COA(N-羧甲基油酸酰胺)。应用量子化学计算方法进行了分子结构优化。计算出化合物的HLB值、CMC值、基团的电负性Xg和浮选特性指数i,结果表明六种化合物可以作为浮选锰矿的捕收剂。采用酰氯法合成了六种油酸酰胺类化合物,并用红外光谱表征了结构。采用一次粗选的浮选实验流程,以商品化捕收剂油酸钠为对照物,对化合物溶液进行了锰矿浮选测试。实验结果表明,六种化合物的捕收性能顺序为:EOA> COA> HOA> AOA> OA> EMOA。筛选出两种浮选效果较好的捕收剂为EOA(N-羟乙基油酸酰胺)、COA(N-羧甲基油酸酰胺)。它们分别将锰品位为11.49%的碳酸锰矿富集成品位为14.69%、14.41%的锰矿,回收率分别为83.54%、77.92%。表面张力测试结果表明了油酸酰胺类化合物都是具有一定活性的表面活性剂,能够降低水溶液的表面张力。Zeta电位和红外光谱分析结果表明,在浮选条件下,六种脂肪酸酰胺与锰矿表面之间的作用以化学吸附为主。量子化学计算结果表明六种油酸酰胺类化合物更可能趋向于以四元环到七元环作用方式,与矿物中锰相互作用成键。② 对筛选出来的捕收剂COA(N-羧甲基油酸酰胺)进行再次修饰。设计出四种具有C18长链的羧甲基脂肪酸酰胺,分别为N-羧甲基亚油酸酰胺(LOA)、N-羧甲基油酸酰胺(COA)、N-羧甲基蓖麻油酸酰胺(ROA)、N-羧甲基硬脂酸酰胺(SOA),并进行了结构优化。计算出它们的HLB值、CMC值和浮选特性指数i,结果表明四种化合物可以作为浮选锰矿的捕收剂。采用酰氯法合成了四种化合物,并用红外光谱表征了结构。采用一次粗选的浮选实验流程,对凤凰-花垣地区低品位碳酸锰矿进行浮选测试。实验结果表明,四种化合物的捕收性能顺序为:LOA> COA> ROA> SOA。筛选出一种浮选效果优异的捕收剂LOA(羧甲基亚油酸酰胺),将碳酸锰矿品位从11.49%提高到14.46%,回收率为85.73%。表面张力测试结果表明,四种化合物都是具有一定活性的表面活性剂,能极大地增强水的表面活性,降低水溶液的表面张力。Zeta电位和红外光谱结果分析表明,在浮选条件下,四种羧甲基脂肪酸酰胺化合物与锰矿表面之间很可能以化学吸附作用为主。量子化学计算结果表明羧甲基脂肪酸酰胺可能是以四元环到七元环的作用方式与锰矿物中的锰矿作用。 ③ 综合以上实验结果,可以发现,具有适宜溶解性和起泡性的化合物才能带来好的浮选结果。从分子结构和性能上看,捕收剂分子中引入含N、O原子的基团、增加双键的个数,能够改变捕收剂的水溶性以及起泡性,改变捕收剂的捕收性能。实验筛选出EOA、LOA两种浮选性能优异的捕收剂,可作为工业生产的候选药剂进一步深入研究。