基于酰胺结构的双子捕收剂GS-A6对石英的选择性吸附及表面润湿性的调控，以实现高效的磷灰石-石英反浮选分离

《Applied Surface Science》：Selective adsorption and surface wettability modulation of quartz by amide-based gemini collector GS-A6 for efficient apatite–quartz reverse flotation

浮选分离磷灰石与石英过程中，GS-A6作为新型Gemini阳离子捕集剂在pH7.0和3.0 mg/L条件下实现94.68%磷灰石回收率及91.51%分离效率，其选择性吸附机制源于静电引力与氢键作用协同增强石英表面亲脂性。

　　

杨斌|李静|何静峰|龚文琪|徐鹤朗|朱杨格|朱凌涛|张玉轩

中国矿业大学焦煤资源绿色开发国家重点实验室，徐州221116，中国

摘要

从磷酸盐矿石中浮选去除硅杂质是后续加工和利用的前提。然而，目前用于磷酸盐矿石浮选去除硅的阳离子捕收剂选择性较低，阻碍了磷灰石与石英的有效分离。本研究采用基于酰胺的双子季铵盐GS-A6作为高效捕收剂，研究了石英和磷灰石的有效分离方法。通过系统的浮选实验和表征分析，评估了GS-A6的分离性能，并阐明了其在矿物表面的吸附行为。浮选结果表明，在pH 7.0和3.0 mg/L的GS-A6用量下，获得了94.68%的磷灰石回收率（P?O?品位为39.98%）和91.51%的分离效率，从而实现了磷灰石与石英的有效分离。表面润湿性和SEM-EDS测量表明，GS-A6主要吸附在石英表面而非磷灰石表面，选择性地增强了石英表面的疏水性，从而提高了石英的浮选性能。Zeta电位、FT-IR和XPS分析显示，GS-A6在石英表面的强吸附作用源于其阳离子与带负电的石英表面之间的强烈静电吸引力，以及GS-A6分子中的酰胺基团中的-C=O和N–H基团与石英表面之间的氢键作用。因此，GS-A6可作为高效捕收剂，用于通过反浮选法净化含硅的磷酸盐矿石。

引言

磷对农业、生物医学和化学工业至关重要，主要来源于磷酸盐矿石[1]、[2]、[3]。高品位磷酸盐矿石是一种战略性的重要资源，既支持磷酸盐化学工业，也保障全球粮食安全，因此其稳定供应至关重要[4]。随着高品位资源的减少和人口增长导致的全球粮食需求增加[5]，工业界越来越多地转向低品位磷酸盐矿石[6]。然而，这些矿石中含有大量如石英之类的硅酸盐脉石，使得目标矿物磷灰石的分离和回收变得困难[7]、[8]、[9]。因此，高效的脱硅处理是有效利用低品位磷酸盐矿石的关键。

浮选法通过利用磷灰石和硅酸盐脉石的不同性质来有效分离它们[10]、[11]、[12]。捕收剂使目标矿物具有疏水性[13]，在分离过程中起着关键作用，分为阴离子型和阳离子型。阴离子脂肪酸常用于磷酸盐矿石的直接浮选[14]。然而，如果没有抑制剂，浆液中的金属离子会活化硅酸盐矿物（如石英），使其进入磷酸盐精矿中，降低脱硅效率。虽然抑制剂可以改善这一情况，但会增加工艺复杂性和操作难度。此外，这类捕收剂在低温下的性能较差，需要加热浮选处理，从而增加能源成本[15]。阳离子捕收剂（如十二胺（DDA）因其高效性和低成本而被广泛用于脱硅[16]、[17]。然而，DDA容易产生较大且持久的气泡，限制了其选择性及从硅酸盐中分离磷灰石的效率。

为了解决这一问题，研究人员开发了多种新型阳离子捕收剂，包括季铵盐、酰胺胺、聚胺、醚胺、椰子油胺和牛脂胺。例如，通过在DDA上引入羟基或2-羟丙基基团，合成了十二胺氯化物（HDMEA）[18]和1-(十二氨基)-2-丙醇（DDAIP）[19]等捕收剂。这些捕收剂通过氢键增强对石英的吸附作用，而其空间位阻特性限制了对磷灰石表面的吸附，从而提高了选择性。类似地，新型含羟基的季铵溴化物捕收剂（如十二烷基二甲基羟乙基溴化铵DDHDB）利用氢键和静电相互作用与石英结合，但在磷灰石表面吸附较弱[20]。尽管这些捕收剂的选择性显著提高，但其工业应用仍受到合成复杂、成本高或潜在毒理学问题的限制[18]、[21]、[22]。因此，迫切需要开发高效、经济且具有商业可行性的阳离子捕收剂用于磷酸盐矿石的选矿。

基于酰胺的双子季铵盐（GS-A6）是一种新型的、市售的、低成本的阳离子表面活性剂，由两个不同的极性头部基团和两个非极性碳链通过间隔基团共价连接而成[23]、[24]，兼具亲脂性和亲水性[25]。在实际应用中，它表现出优异的性能，如高水溶性、良好的起泡性、疏水性和低临界胶束浓度[26]。作为季铵盐，GS-A6带有强正电荷的季铵基团[27]，其酰胺基团可作为氢键供体，从而强吸附带负电的羟基化矿物表面。同时，分子结构中的弱极性酰胺键赋予其快速生物降解性和无毒性的优异特性[27]、[28]。然而，目前尚未有研究报道GS-A6在反浮选法中用于磷灰石脱硅的应用。因此，系统研究其分离磷灰石和石英的有效性，并深入阐明其分离机制至关重要。

本研究探讨了GS-A6作为新型捕收剂在反浮选法中分离石英和磷灰石的效果。通过微浮选试验评估了GS-A6的分离效率，并通过接触角、Zeta电位、SEM-EDS、FT-IR和XPS等表征方法揭示了其在矿物表面的选择性机制。我们的发现有助于设计新型阳离子捕收剂，用于磷灰石的反浮选脱硅，提高低品位含硅磷酸盐矿石的综合利用效率。

材料与试剂

本研究使用的石英和磷灰石来自江苏省。这两种矿物的实验样品经过破碎和研磨后，通过湿法筛分获得0.105–0.038 mm的目标粒径范围，用于浮选试验、XRD测试、XPS分析、润湿性表征和SEM观察。此外，粒径小于0.038 mm的样品进一步研磨至小于0.005 mm，用于化学多元素分析。

浮选结果

在GS-A6用量为3.0 mg/L的条件下，评估了不同pH值下磷灰石和石英的浮选回收率（图4）。可以明显看到，在整个测试pH范围内，石英的回收率始终较高，在pH 5.0时达到89.07%，而在其他pH条件下回收率均超过90%。相比之下，磷灰石的回收率在2.72%至5.79%之间，总体回收率低于6%。

结论

本研究评估了GS-A6作为捕收剂在反浮选法中高效回收磷灰石的效果。通过浮选试验、润湿性表征、Zeta电位检测、SEM-EDS表征、FT-IR检测和XPS测试，分析了其优异的捕收能力和对石英的选择性吸附行为。主要结论如下：

• (1)
  浮选结果证实了使用GS-A6能够有效分离磷灰石和石英

CRediT作者贡献声明

杨斌：撰写 – 审稿与编辑、验证、项目管理、方法学研究、资金获取。 李静：撰写 – 初稿撰写、数据可视化、实验研究、数据分析。 何静峰：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金获取、概念设计。 龚文琪：数据整理、软件应用。 徐鹤朗：数据管理。 朱杨格：资源协调、方法学研究。 朱凌涛：数据可视化。 张玉轩：软件支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52304307）、江苏省基础研究计划（项目编号：BK20220090）、国家重点实验室开放基金（项目编号：BGRIMM-KJSKL-2024-10）、中国博士后科学基金（项目编号：2025M781750）以及江苏省333高层次人才培训项目（项目编号：20223-16-251）的支持。