浮选药剂和矿物表面间互相作用的研究STUDY ON INTERACTION ENERGY BETWEENFLOTATIONREAGENT AND MINERAL SURFACE作者：Chen Jianhua Feng Qiming Lu Yiping Chen Jin起止页码：1-8出版日期（期刊号）：Vol . 5No. 2 Nov. 1998出版单位：中国长沙中南工业大学外文翻译译文：摘要:在浮选系统浮选试剂和培养基中浮选药剂与矿物表面之间的反应，不仅取决于粘接原子,而且还取决于相邻矿物表面原子的作用。

从这个模型中推导出一个试剂与矿物表面反应的能量方程。

研究结果表明，矿物表面和试剂之间的反应能为约几十kJ / mol的，与矿物表面反应能吸附的黄原酸浓度之间的关系是指数形式。

关键词：浮选药剂，矿物表面，反应。

有机化合物在矿物浮选中扮有重要角色，所有的辅收剂和部分抑制剂都是有机化合物[ 1- 4]。

由于涉及三相系统之间的试剂和矿物表面的反应是非常复杂的，所以到目前为止，定性的手段主要是调查浮选试剂的结构和它的活性之间的关系。

由Wang Dianzuo提出的浮选剂官能团电子活性理论使得标准化官能团价值和进行进一步研究成为可能[5]。

该浮选剂指数还提出了判断浮选剂活性及应用的方法，并且基于这些研究可以诱导出计算碳链上碳原子数的公式。

在最近20年，有许多关于浮选剂的量子化学研究报告，因为量子化学方法可以给出量化的结果，并显示有关试剂和矿物结构更详细资料[6-8]，从而推进试剂理论的发展。

根据考虑一个相邻原子的影响和水分子的反应能，本文提出了矿物表面，浮选剂分子和水分子之间的反应模型，并诱导出了浮选系统的试剂和矿物表面之间的反应能的计算公式。

1.浮选药剂与矿物表面的反应过程的模型浮选药剂的设计主要包括自由基与矿物质的反应的设计和分子亲水性—疏水性设计。

众所周知，不同的矿物需要不同的辅收剂，具有不同的自由基，比如说硫化物辅收剂的自由基含有原子S，而氧化辅收剂自由基含有O或N原子。

浮选药剂与矿物表面的反应，可能与金属离子与试剂的反应的解决方案不同。

例如，CUS和CuO 具有相同阳离子Cu2 +，但是两种矿物浮选体系中自由基反应是完全不同的：CUS 容易与含S的自由基反应，但CuO容易与含N或O原子的自由基反应。

因此，浮选药剂与矿物表面反应与浮选系统中的所有因素有关，主要影响因素是相邻原子在矿物表面反应与矿物表面之间的水分子和试剂的反应等。

1.1 表面反应模型在水溶液中矿物质与试剂表面将被水分子占据，使得水分子不可避免的影响矿物质与试剂之间的反应。

据报道，浮选剂在矿物表面的吸附自由能是约几十kJ / mol 的（例如[9]，乙基黄药在方铅矿表面的吸附能为83 kJ / mol 的），但水分子和水分子之间反应的能量约65 kJ / mol 的，所以试剂和矿物表面之间水分子的反应的影响不能被忽略。

矿物和试剂在浮选系统之间的反应涉及到矿物表面，水分子和试剂，因此，试剂和矿物质之间的反应关系，不仅与接合原子有关，而且与周围的环境有关。

接下来，由热力学分析确定试剂吸附在矿物表面前后的系统能量变化。

为方便演绎，用YX 来表达试剂的结构，其中X 表示与矿物反应的自由基，Y 表示其他基团（极性基团或非极性基团）; 这里是用AB 来表示矿物质。

试剂和矿物质之间的反应可以分为四个部分：1) 去除与试剂自由基反应矿物质的水分子由于水解，试剂中的的极性基团被水分子包围，所以将水分子从极性基团移除时需要消耗能源（△E1），这个过程如下式所示：O H X Y O H X Y E 221+-−→−-∆ （1）2) 从矿物表面出去水分子在水中时，矿物质表面是被水分子所占据的，所以将水分子从矿物质表面移除时需要消耗能量（△E2）：O H B A O H B A E 222+−→−∆ （2）3) 试剂自由基与矿物表面的反应当试剂与矿物表面反应，将释放能量（△E3）： B A X Y B A X Y E -−→−+-∆3 （3）4）水分子与水分子的结合当水分子与水分子结合，将释放能量（△E4）：O H O H O H O H E 22224+−→−∆ （4）整个过程可如下表示：O H O H B A X Y O H B A O H X Y E 2222+-−→−+-∆ （5）所有的能量变化为：4321E E E E E ∆+∆+∆+∆=∆ （6）从方程（6）看出，如果在反应过程中释放出的能量△E 如果小于零，那么对试剂吸附在矿物表面是有利的。

△E 为负值时，值越小，则说明试剂与矿物表面反应释放出更多的能量，所以当两者反应之后系统的能量越小，那么他们之间的反应就越剧烈。

1.2 试剂与矿物表面反应释放能量的计算浮选药剂和矿物表面之间相互作与矿物分子和试剂分子键断裂无关，矿物表面与其上吸附的试剂具有一定的反应。

试剂和矿物表面之间的反应，可能是非常快的，因为一些报道[]10表明，黄药和油酸钠在矿物表面上形成的关键吸附密度只花了60 - 80秒，并在最初30秒的吸附率为最高，乙基黄药铅形成浮选方铅矿表面的吸附密度只花了10 - 15秒。

因此，在浮选过程中化学试剂和矿物表面之间的彻底反应是没有必要，在矿物表面上的吸附（或解吸）的试剂在浮选过程时并不脱离，反应的强度也足以进行矿物浮选。

因此，可以假定试剂和矿物表面之间的反应取决于德拜力，静电作用力，葛生力，和伦敦力。

上述几种反应能的公式为：1) 葛生能6222132KTr E K μμ-= （7） 2) 德拜能6212221r E D μαμα+-= （8）3) 伦敦能2121216123ααI I I I r E L +-= （9） 4) 静电能ζZF E e = （10）在这里：α—分子极化；μ—分子偶极矩;K —波尔兹曼常数； T —温度；r —反应的距离；I — 分子的电离能；Z —电荷量，负电荷是 – Z ，正电荷+ Z ；ζ—动电位； F —-法拉第常数。

我们也可以根据上述方程（1） - （4）写出反应能量方程。

试剂与水分子之间的反应能：YX O H O H YX YX O H YX O H LD K I I I I r r Tr KE E E E ααμαμαμμ222221216622622112332++++=++=∆ （11）矿物表面与水分子之间的反应能：O H AB AB O H O H AB O H AB LD K I I I I r r Tr KE E E E 222221216622622212332ααμαμαμμ++++=++=∆ （12）试剂和矿物表面之间的反应能：ζααμαμαμμZF I I I I r rTr K E E E E E YX AB AB YX YX AB YX AB E L D K +++++=+++=∆21216622622312332 （13）如果试剂是不带电的或动电位太小，静电作用力可以忽略不计。

水分子之间的反应能：H O H O H O H O H O H O H O H O H H L D K E I I I I r rTr K E E E E E -++++=+++=∆2222222221216622622412332ααμαμαμμ （14）在这，是氢键能，其值为18.83千焦/摩尔。

为方便计算，上述公式简化替代数据K= 1.38×10 23-J/ K ，T = 300 K ，我I 1=I 2= 5 eV 和水分子的偶极矩值1.85D ，分子极化率1.48×1024-cm 3，我们可以改写方程（6）如下：()15/13.661012.361002.61031.963112231354321m ol kJ ZF N A A A E E E E E A ζ+-⨯⨯⨯-+⨯-=∆+∆+∆+∆=∆ 62622142.3O X YX X A YX AB r r A ---=μμμ 6262622242.348.148.142.3OX YX YX OA AB AB X A YXYX YX AB r r r A ---+-+-+=αμμαμαμα666348.148.1OA AB O X YX X A YXAB r r r A -----=αααα 1-233mol 102.06常数D 分子偶极子cm 分子极子cm cm AB 矿物cm 离之间YX 和试AB 矿物⨯---，摩尔—；，—；，—；和水分子之间的距离，试剂；和水分子之间的距离，；，的距剂—A O X O A X A N YX r r r μα 公式（15）里的其他值是erg 单位转换成kJ/mol 单位的常数。

方程（15）可以用来计算在浮选系统的有机溶剂和矿物表面之间的相互作用能。

在实践中，可以利用分子折射率计算有机化合物和矿物的分子极化率[]11。

分子偶极矩可以从化学手册查得，如果它是很难获得可以用电负性估算，B A x x -=μ；这里：μ是分子偶级距；单位是D ，D=3.3356413010-⨯cm 。

偶极矩取决于有机化合物极化基团，同源有机化合物的偶极矩的值是相似的，所以基团极化的偶极矩近似代表有机化合物的偶极矩。

相互作用距离由每个分子化合价半径估算B A B A B A x x r r r --+=-09.0这里：B A r r 是共价半径（Å）。

2. 相互作用能量方程在浮选中的应用2.1试剂和矿物之间的相互作用能的计算浮选药剂与矿物表面之间的相互作用能可以计算由方程（15）求得。

这两个例子是如何计算相互作用能的：例一 计算丁基黄药与方铅矿浮选系统的相互作用能时。

现有数据 黄药官能团的负电值( - C ( S) - SH)，g X =2.7，其极化率为cm YX 24105.12⨯=α；方铅矿负电值为5.2,8.1==S Pb X X ，硫化铅分子的极化率为324106.7cm PbS -⨯=α；水的负电值为,1.2,5.3==H O X X ，水的分子极化率为48.12=O H αÅ=3241048.1cm -⨯；水分子半径为 1.38Å，乙基黄原酸基团的基团半径为3.0Å，PbS 分子半径为2.5Å。

从上面的数据可以得到两个分子之间的相互作用的距离，方铅矿，黄原酸之间的距离为5.5Å，方铅矿和水分子之间的距离是3.88Å，黄原酸和水分子之间的距离是4.38Å。

如果ζ是0V ，将上述数据代入方程（15）计算，黄原酸和方铅矿之间的相互作用能()E ∆是63.78 kJ / mol 。

例二 计算浮选系统中己硫醇和ZnO 表面间的相互作用能现有数据：己硫醇官能团的负电值为2.6，分子偶极距为3241017cm -⨯，基团半径为1.8 Å，ZnO 的负电值为5.3,6.1==O Zn X X ，分子偶极距为324102.3cm -⨯，分子半径为2.0 Å。