О механизме совместного действия карбоксильного собирателя и реагента группы амидокислот при флотации Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

-------------------------------- © Н.Ф. Усманова, В.И. Брагин,

2009

Н.Ф. Усманова, В.И. Брагин

О МЕХАНИЗМЕ СОВМЕСТНОГО ДЕЙСТВИЯ КАРБОКСИЛЬНОГО СОБИРА ТЕЛЯ И РЕАГЕНТА ГРУППЫ АМИДОКИСЛОТПРИ ФЛОТАЦИИ

Рассматрено нековалентное взаимодействие оксигидрильных собирателей в сорбционном слое с позиции образования супрамолекулярных комплексов и оценке влияния их на процесс флотации.

Ключевые слова: флотация, оксигидрильные собиратели, флотационное обогащение реагентов.

.ТУ4 ак правило, для улучшения технологических показателей

-»%. при флотационном обогащении, применяют различные сочетания реагентов собирателей. Механизму совместного действия собирателей при флотации посвящены многочисленные исследования [1, 2, 3, 4].

Качественные изменения сырьевой базы, не в лучшую сторону, в обогащении руд требует новых подходов к формированию реагентных режимов для извлечения ценного компонента. В настоящее время, с использованием достижений супрамолекулярной химии [5], появилась возможность конструировать реагентные смеси для флотационного обогащения, в которых синергетический эффект достигается за счет оптимизации межмолекулярного взаимодействия в сорбционном слое.

В этой работе мы рассматриваем нековалентное взаимодействие оксигидрильных собирателей в сорбционном слое с позиции образования супрамолекулярных комплексов, малоизученному аспекту этого явления в настоящее время, и оценке влияния их на процесс флотации. Самосборка органических супрамолекулярных структур основана на взаимодействиях, включающих в себя координационные связи (при участии ионов металлов); электростатические взаимодействия, водородные связи, ван-дер-Ваальсовы, л—л донорно-акцепторные взаимодействия. Процесс самосборки может направляться молекулярным распознаванием между комплиментарными фрагментами. В зависимости от того, какие фрагменты участвуют в ассоциации, образуются либо супермолекулы, либо организованные ансамбли - мембраны, молекулярные слои и пленки, мезофазы, полимерные частицы или кристаллические структуры [Ошибка! Закладка не определена.]. С позиции супрамолеку-лярной химии самосборка супрамолекулярных структур за счет во-

дородных связей на настоящий момент является одним из наиболее изученных процессов, что обусловлено его особой ролью в формировании биологических объектов, жидких кристаллов и растворов. В то же время роль водородных связей в формировании реагент-ных покрытий при флотации в настоящее время исследована недостаточно, т.к. наибольшее внимание уделяется, прежде всего, координации реагентов с ионами металлов и дисперсионному меж-молекулярному взаимодействию. С другой стороны, состав известных эффективных реагентных смесей наводит на мысль о том, что самосборка реагентных покрытий за счет водородных связей является важным компонентом механизма флотационного действия реагентов. Имеющиеся сведения о механизмах совместного действия производных карбоновых кислот и жирнокислотных собирателей подтверждают это предположение [6].

Из ассортимента применяемых в практике флотационного обогащения реагентов, азотсодержащие реагенты представляют наибольший интерес для изучения процессов самосборки. Некоторые группы этих реагентов влияют не только на процессы хемосорбции, протекающие на минеральной поверхности, но также способны оказывать влияние на структуру сорбционного слоя. При этом наблюдается увеличение скорости флотации. С этой точки зрения особый интерес представляют амидокислоты. Исследования были проведены в трубке Халлимонда, на минералах апатите, кальците. В смеси реагентов собирателей использовали жирно-кислотный собиратель и амидокислоту АМК-62, при этом определялись извлечение минерала и кинетика флотации.

Для проверки возможности самосборки супрамолекулярных комплексов в слое собирателя использована методика квантовохимического моделирования в программе HyperChem 6. Моделировалось межмолекулярное взаимодействие в вакууме и в растворе, а также на минеральной поверхности по алгоритмам молекулярной динамики ММ+; полуэмпирическим алгоритмам MNDO, АМ, РМ3, ZINDO1.

Моделирование молекулы амидокислоты в целом подтвердило изложенные в литературе закономерности. При приближении к минеральной поверхности алкильные радикалы молекулы

Рис. 2. Устойчивая форма молекулы амидокислоты (результаты моделирования в HyperChem)

Рис. 1. Верхние четыре молекулярные орбитали амидокислоты

направляются в сторону от минерала и сближаются за счет сил дисперсионного взаимодействия. Солидофильная группа молекулы, как в свободном состоянии, так и на контакте с минералом принимает практически плоскую форму за счет гибридизации орбиталей карбоксильной и амидной групп, при этом энергия верхней молекулярной орбитали увеличивается по сравнению с энергией верхней орбитали карбоксила (рис. 1, рис. 2).

Именно это обстоятельство обеспечивает пониженную сорбционную активность амидокислоты на кальците.

В присутствии карбоксильного собирателя происходит образование надмолекулярного комплекса амидокислота-жирная кислота за счет водородных связей между солидофильными группами реагентов, дисперсионного взаимодействия алкильных радикалов, а также за счет совместной координации к катиону металла (рис.3).

Состав комплекса зависит от состава минеральной подложки. Например, на кальците формируется эквимолярный комплекс, при этом жирная кислота закрепляется на катионах кальция, а амидо-

кислота образует парную водородную связь от амидной группы к карбонилу жирной кислоты. На апатите образуется комплекс состава 2 ЖК - 1 АМК, при этом закрепляется на минерале амидо-кислота, а жирная кислота связывается с ней водородными связями или координацией к катиону. Можно ожидать, что молекулярное соединение на поверхности карбоната будет менее лабильным, за счет прочной связи карбоксильной группы с катионом решетки.

Экспериментальные исследования кинетики флотации с использованием данного сочетания реагентов показали хорошую корреляцию результатов компьютерного моделирования и результатов эксперимента. Здесь в качестве характеристики скорости флотации использован первый момент спектра флотируемости ^ который имеет физический смысл средней скорости флотации в начальный момент времени. Для апатита максимальная флотируе-мость наблюдается при расходе реагентов, соответствующем образованию надмолекулярного комплекса состава (2 ЖК - 1 АМК).

Скорость флотации кальцита с увеличением доли АМК в смеси монотонно снижается, однако при эквимолярном соотношении наблюдается некоторый рост извлечения (рис. 4). ходимость результатов квантово-химического моделирования и экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что эффект совместного действия исследованных реагентов обусловлен именно супрамолекулярным взаимодействием

^ -О

Молекула жирной кислоты, координированная к общему катиону

а-

Л 2+ —^Са-* -К

-О

О

ан

'О""

-N4^0

R

С

ОН

Молекула жирной кислоты, связанная водородной

СВЯЗЬЮ

R

R

2

R

Рис. 3. Структура надмолекулярного комплекса амидокислоты и жирной кислоты

собирателей в сорбционном слое. При взаимодействии жирнокислотного собирателя и амидокислоты, в зависимости от минеральной поверхности, закрепление реагентов на поверхности минерала осуществляется за счет ориентированной самосборки молекулярных групп реагентов собирателей участвующих в смеси. В результате чего формируются реагентные покрытия различной структуры, обеспечивающие повышение скорости флотации и извлечения апатита, при одновременном снижении этих показателей для кальцита.

Рис.4. Влияние расхода АМК на флота- Полученная сХ°ДИ-

цию апатита и кальцита: мость данных моделиро-

ск°р°сть фл°тации, 1/мин; вания и эксперимента

-------- извлечение, %

свидетельствует о возможности использования метода компьютерного квантовохимического моделирования для интерпретации эксперименталь-

ных данных, а также для прогнозирования действия и конструирования новых селективно действующих реагентов.

------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глембоцкий В.А.Физико-химия флотационных процессов. М.: Недра, 1980. 580 с.

2. Рябой В.И. Развитие представлений о координационном механизме действия флотореагентов.- В сб.: Физические и химические основы переработки минерального сырья. М.: Наука, 1982, с. 62-69.

3. Белова Н.С., Ленов С.Б. Капиллярно-реологические эффекты на границе жидкость-газ, содержащих масляные пленки, и их связь с флотационным процессом.

4. Кондратьев С.А. Автореферат дисс. на соискание уч. степени докт. техн. наук. М..ИПКОН РАН, 2002.

5. Ж.-М. Лен. Супрамолекулярная хими: Концепции и перспективы // Пер. с англ.. - Новосибиск: Наука. 1998. .334 с.

Расход АМК-62, моль/моль собирателя

6. Алейников Н.А., Иванова В.А. Синтез и применение новых флотационных реагентов при обогащении руд. - В кн.: Обогащение руд и проблема безотходной технологии. Л.: Наука, 1980, с. 163-183. 115 ы=]

Usmanova N.F., Bragin V.I.

THE MECHANISM OF COMBINED ACTION OF CARBOXYLIC COLLECTOR AND REAGENT OF AMIC ACID GROUP DURING FLOTATION

The noncovalent interaction of oxyhydril collectors in sorption layer is reviewed as well as formation of supramolecular complflotatexes and evaluation of their effect on the process of flotation.

Key words: flotation, oxyhydril collectors, flotation refinement of reagents.

— Коротко об авторах ------------------------------------

Усманова Н.Ф., Брагин В.И. - ИХХТ СО РАН, г. Красноярск, E-mail: chem@icct.ru