Zn(II)的活化作用促进了使用NaOL作为捕收剂时，将石英砂（diaspore）从高岭石（kaolinite）中浮选分离的过程

本研究采用锌离子（Zn2?）活化剂和烷基磺酸钠（NaOL）捕集剂，高效分离高硅铝比矿石中的迪斯普尔矿与绢云母。实验表明，在pH9.0和NaOL浓度2×10?? mol/L时，迪斯普尔回收率达96.82%，添加Zn2?后NaOL用量减半且回收率保持高位。机理分析证实Zn2?通过形成Zn(OH)?促进NaOL吸附，涉及化学和物理吸附机制，并提升铝硅比至9.49。

　　

作者：张波爱 | 戴梦梦 | 唐红湖 | 蒋峰 | 王建军 | 王丽

中南大学矿物加工与生物工程学院，中国湖南省长沙市410083

摘要

在浮选过程中，金属离子可以激活矿物表面，从而提高捕收剂回收目标矿物的能力。这不仅提高了浮选效率，还减少了试剂消耗和成本。本研究使用锌离子（Zn²⁺）作为活化剂，油酸钠（NaOL）作为捕收剂，实现了针铁矿和高岭石的有效分离。单矿物浮选试验表明，在pH 9.0和NaOL浓度为2 × 10^?4 mol/L的条件下，针铁矿的回收率为96.82%。加入Zn²⁺离子（1 × 10^?4 mol/L）后，NaOL的用量可以减半，而针铁矿的回收率仍保持在96.87%，高岭石的回收率则降至2.31%。人工混合矿物浮选实验表明，在最佳条件下，含有Zn²⁺离子和NaOL的试剂系统可以将原矿的铝硅比（A/S）从3.95提高到9.49，回收率高达81.76%。这一回收率比不添加Zn²⁺离子时的浮选结果高出48.79%。接触角测量和ζ电位分析证实，Zn²⁺离子激活了针铁矿表面，从而增强了NaOL在其表面的吸附作用。浮选溶液化学计算表明，NaOL的活性捕收成分是油酸根离子（((RCOO)₂^{2?），而Zn2+离子的活化物质是直接在针铁矿表面形成的氢氧化锌沉淀（Zn(OH)_2(s)）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）分析显示，NaOL在Zn2+激活的针铁矿表面发生化学吸附。原子力显微镜（AFM）观察进一步表明，NaOL在活化针铁矿表面发生了多层吸附。密度泛函理论计算表明，Zn(OH)₂在针铁矿表面的吸附强度大于在高岭石表面的吸附强度。因此，NaOL在活化针铁矿表面的吸附过程同时涉及化学吸附和物理吸附机制。本研究为利用活化剂提高高硅铝土矿的脱硅效果提供了策略和参考。}

引言

铝作为一种重要的战略关键金属，在航空航天、交通运输、建筑、包装、电力等行业中发挥着重要作用，因为它具有重量轻、强度高、电导率和热导率优异以及耐腐蚀等优点[1]。拜耳法是一种简单且高效的从铝土矿中提取氧化铝的方法[2]、[3]；然而，铝土矿中的Al₂O₃与SiO₂（A/S）比例必须超过8[4]、[5]、[6]。中国主要的铝资源是针铁矿型铝土矿，但由于持续开采和消耗，其A/S比例较低，通常在4到6之间[7]、[8]、[9]。为了满足拜耳法的要求，需要从铝土矿中去除脉石矿物（主要是高岭石）以提高A/S比例。

浮选是一种简单且高效的提高铝土矿A/S比例的方法，已在工业上得到广泛应用[10]、[11]、[12]。油酸钠（NaOL）是直接浮选铝土矿时最常用的捕收剂之一，因其成本低廉和捕收能力强而受到广泛应用[13]、[14]。然而，NaOL也存在一些局限性，如试剂消耗量大和泡沫粘稠[15]。通过使用金属离子可以解决这些问题，金属离子能够激活矿物表面，从而增强捕收剂的吸附效果。

研究表明，金属离子可以激活各种铝硅酸盐矿物，如石英、透锂长石、云母等[16]。Ca²⁺、Mg²⁺、Fe³⁺和Al³⁺离子可以激活透锂长石，从而促进NaOL在其表面的吸附[17]、[18]、[19]。石英也可以被Ca²⁺、Mg²⁺和Zn²⁺离子激活[20]、[21]、[22]。例如，在pH 10–12范围内，Ca²⁺离子可使钠油酸系统中石英的回收率超过90%[23]。然而，关于金属离子对针铁矿浮选的影响研究较少。研究发现，在适当条件下，Ca²⁺和Mg²⁺离子可以浮选针铁矿，但此时NaOL的用量较高，为5 × 10^?4 mol/L[24]。虽然NaOL本身可以分离针铁矿和高岭石，但其所需用量通常约为3 × 10^?4 mol/L[25]。目前，已有研究表明Zn²⁺离子可以对石英、透锂长石和锡石等矿物表面产生活化作用[22]、[26]、[27]。在pH 9–11.5范围内，Zn²⁺离子以氢氧化锌的形式吸附在石英表面，从而使石英和透锂长石变得疏水[22]。曹的研究发现，Zn²⁺离子作为活化剂可以增强锡石和石英的分离效果，其中Zn²⁺离子的主要活化成分是Zn(OH)⁺[26]。然而，Zn²⁺离子和NaOL体系对针铁矿和高岭石分离的影响及其机制仍不清楚。

本研究分别使用Zn²⁺离子和NaOL作为活化剂和捕收剂，对针铁矿和高岭石进行浮选分离。通过单矿物样品和人工混合矿物的浮选试验评估了Zn²⁺离子和NaOL试剂体系分离针铁矿的性能。通过接触角测量、ζ电位分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT）计算，研究了Zn²⁺离子和NaOL与针铁矿之间的相互作用机制。本研究为有效回收针铁矿提供了理论指导和新的见解。

材料与试剂

纯样品以及针铁矿和高岭石均来自山西省。这些样品经过破碎、研磨并湿筛至所需的粒径（?74 + 38 μm）用于浮选试验。此外，?5 μm的样品用于ζ电位测量、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）表征。图1和表1展示了针铁矿和高岭石的XRD图谱和主要氧化物含量。

单矿物的浮选结果

图2(a)展示了不同pH值下针铁矿和高岭石的浮选回收率。在没有Zn²⁺离子的情况下，针铁矿的回收率随pH呈单峰分布，在碱性条件（pH = 9.0）下达到最大值51.62%。NaOL对针铁矿浮选的影响与先前的研究结果一致[25]。加入Zn²⁺离子后，针铁矿的回收率在pH 9.0时达到最大值96.87%，表明Zn²⁺离子显著增强了

结论

本研究通过单矿物和人工混合矿物的浮选试验，评估了使用Zn²⁺离子和NaOL试剂体系分离针铁矿和高岭石的效果。通过接触角测量、ζ电位分析、浮选溶液化学计算、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）和密度泛函理论（DFT）进一步阐明了金属离子的活化机制。主要结论如下：

• 1.
  在pH = 9.0时，Zn²⁺离子和NaOL的浓度同时存在时

利益冲突声明

作者声明他们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

本研究得到了中国科学技术部国家重点科研项目（编号：2024ZD1004007、2024ZD1004003）、国家重点研发计划（编号：2022YFC2904401）以及国家自然科学基金（编号：52274285）的支持。