利用新型环保抑制剂“胭脂红”高效分离半自形石与方解石的浮选工艺：实验研究及分子动力学模拟

《Separation and Purification Technology》：Efficient flotation separation of hemimorphite from calcite using a novel eco-friendly depressant carmine: experimental insights and MD simulations

　　

唐艳宇|冯启成|陈松林|黄斌|张倩

中国昆明市昆明科技大学国土资源工程学院，复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，战略矿产资源绿色分离与富集云南省重点实验室，650093

摘要

在本研究中，使用胭脂红作为抑制剂，与油酸钠（NaOL）一起用于浮选系统。通过其在方解石表面的选择性吸附，实现了从方解石中高效分离半自形矿。浮选试验表明，当油酸钠和胭脂红的浓度均设置为3×10^-4 mol/L，并将矿浆pH值调整至约8时，半自形矿的回收率为94.98%，而方解石的回收率仅为5.74%，显示出显著的回收率差异。为了验证胭脂红作为选择性抑制剂的可行性和机制，利用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）对吸附在方解石表面的胭脂红结构进行了表征。此外，还通过X射线光电子能谱（XPS）和分子动力学（MD）模拟揭示了胭脂红在两种矿物表面的不同吸附行为。最后，通过测量Zeta电位和接触角来研究胭脂红引起的矿物表面疏水性变化。作为抑制剂，胭脂红与方解石表面的Ca^2+位点形成稳定的复合物，不仅占据了活性位点，还显著增加了负电荷密度。由于其在带正电的方解石表面的强静电吸附作用，胭脂红抑制了后续油酸钠的吸附，从而显著提高了方解石的亲水性并抑制了其浮选效果。相比之下，半自形矿表面主要由Si-O键构成，使得胭脂红难以在其表面吸附。因此，胭脂红在半自形矿上的吸附可以忽略不计，从而使油酸钠能够有效吸附，确保了半自形矿的浮选效果。由此可见，胭脂红对方解石具有选择性抑制作用，为半自形矿与方解石的分离提供了一种高效且可行的方法。

引言

锌不仅在我们的日常生活中作为肥料和其他资源使用，而且已经从工业原料转变为高端功能材料。在高科技领域，锌的应用逐渐增加，例如由于其独特的晶体结构，氧化锌可以广泛应用于新能源、半导体等领域。随着研究的深入和应用场景的不断发展，这种基础材料预计将在科学技术的进步和可持续发展中发挥更重要的作用[1]、[2]、[3]。随着硫化锌矿资源的枯竭，开发各向异性矿资源对于保障锌资源供应以及解决中国西南地区氧化锌矿积累问题至关重要[4]、[5]、[6]、[7]。

浮选是提取锌的主要方法，虽然通常使用油酸钠作为捕集剂，但其选择性较差，需要添加抑制剂来选择性地吸附在方解石矿物表面，从而破坏或减弱方解石在捕集剂上的吸附，选择性增强方解石表面的亲水性，以实现矿物与半自形矿的分离[8]、[9]。目前研究中使用的大多数有机抑制剂主要通过氢键、范德华力、静电吸引和化学吸附等方式选择性地吸附在矿物表面。这些方法已在泡沫浮选分离中得到应用[10]、[11]、[12]、[14]，但其吸附机制的研究仍不成熟。因此，进一步优化抑制剂在固液界面的作用对于开发更高效的抑制剂和矿物浮选分离技术具有重要意义。

有机抑制剂的兴起表明矿物浮选加工正朝着精确化和绿色化的方向发展。含有苯环的小分子抑制剂可以与各种金属离子形成稳定的复合物。胭脂红也是一种含有苯环的小分子有机试剂。经过人工提取和合成，其主要结构式为7-β-D-葡萄糖基-3,5,6,8-四羟基-1-甲基-9,10-二氧蒽-2-羧酸，其生产工艺如图1所示[15]、[16]。作为一种偶氮染料，它具有一定的稳定性，与重金属盐（如氰化物和重铬酸盐）相比，有机分子在自然环境中更容易通过生物降解或光降解途径降解[17]、[18]。

在本浮选系统中，使用油酸钠作为捕集剂，并首次将胭脂红应用于矿物加工中的抑制剂。微浮选试验的结果证明了胭脂红在方解石上的选择性吸附。结合XPS、FT-IR和ToF-SIMS分析，研究了吸附在矿物表面的抑制剂的数量和类型的变化。通过Zeta电位测量、接触角测量和MD模拟揭示了抑制剂的吸附机制。研究结果为复杂难处理氧化锌资源的绿色、低碳和高效开发与利用提供了理论支持。

章节片段

材料与试剂

通过手动去除脉石矿物，获得了高纯度的半自形矿和方解石样品，高纯度矿物样品如图2(a)和(b)所示。本研究中使用的半自形矿和方解石的XRD图谱和晶体结构分别如图2(c)和(d)及(e)所示。块状样品被切割成尺寸约为1×1×0.5厘米的矩形块，然后用于后续实验。

胭脂红和油酸钠体系中半自形矿与方解石的浮选分离性能

图3(a)和(b)中的数据用于评估胭脂红作为抑制剂在油酸钠浮选系统中分离半自形矿和方解石的选择性。在初步实验中，我们观察到加入胭脂红后半自形矿的浮选性能与仅使用捕集剂（油酸钠）的系统相比变化不大。油酸钠的浓度是影响半自形矿浮选的关键因素：

结论

本研究主要探讨了胭脂红作为浮选抑制剂的可行性。作为一种来自胭脂的绿色环保试剂，胭脂红可以直接用于实现半自形矿和方解石的高效浮选分离。通过微浮选试验、FT-IR光谱、ToF-SIMS、XPS、MD模拟、接触角测量和Zeta电位分析，系统地研究了其吸附机制及其对捕集剂油酸钠的影响。

CRediT作者贡献声明

唐艳宇：撰写——初稿、可视化、软件、方法论、数据分析。冯启成：撰写——审稿与编辑、资源获取、方法论、研究、资金申请、数据分析、概念化。陈松林：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析。黄斌：撰写——审稿与编辑、研究、数据分析。张倩：撰写——审稿与编辑、验证、监督、项目管理、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：52264026）、云南省基础研究项目（资助编号：202301AW070018）和中央科技发展引导基金项目（资助编号：202407AB110022）的支持。