摘要
矿浆中金属离子对低阶煤浮选有多方面的复杂影响，例如影响气泡的形成与稳定、颗粒-气泡间相互作用、颗粒聚集状态等。而金属离子对低阶煤颗粒界面性质、捕收剂吸附行为的影响尚不明确，尤其是金属离子协同极性捕收剂在界面处的作用机制需深入研究。鉴于此，论文研究三种不同金属离子（Ca2+、Al3+、Fe3+）对油酸钠浮选低阶煤的影响，探索多价金属离子对油酸钠浮选行为影响规律；通过对金属离子-油酸体系的溶液化学计算及其在低阶煤表面的吸附行为表征，揭示金属离子对油酸钠浮选低阶煤的活化/抑制机理；利用分子模拟研究低阶煤颗粒表面、离子、油酸间的复杂相互作用，明晰多价金属离子对极性捕收剂浮选作用的影响机制，为低阶煤浮选界面调控、盐水（海水）浮选低阶煤实践提供借鉴。本文的研究结论如下： 研究了油酸钠体系下低阶煤的浮选行为，发现并总结了Ca2+、Al3+、Fe3+对油酸钠浮选低阶煤的影响规律。对神东低阶煤，油酸钠相比传统柴油具有更好的捕收性，并且油酸钠在酸性环境（pH约为4）下浮选效果最好，优于碱性条件；浮选动力学研究表明油酸钠浮选行为更符合经典一级动力学。金属离子及其浓度对油酸钠浮选低阶煤的影响为：低浓度（lt;1mM左右）下，三种金属离子的添加对低阶煤浮选效果的影响不显著；浓度为1mM左右时，Ca2+、Al3+、Fe3+均强化低阶煤浮选过程，精煤产率与精煤质量显著增加，浮选速率变快；高盐离子浓度（5mM）下，Al3+、Fe3+恶化了油酸钠对低阶煤的浮选效果，而Ca2+的影响稍弱。 明晰了金属-油酸钠浮选溶液优势组分，阐述了Ca2+、Al3+、Fe3+对油酸钠浮选低阶煤的活化/抑制的可能机理。不同金属离子与油酸钠溶液混合后，可自发形成对应金属-油酸配合物，且这种配合物为优势组分；随着离子浓度增加，存在Ca2+时油酸配合物的吸附量略有升高，在Al3+、Fe3+存在时，其吸附量略有上升，在1mM左右达到最大，而后迅速降低。在高离子浓度下低阶煤表面性质逐渐趋于正电位，导致油酸组分无法有效吸附、低阶煤产率陡然降低。加入Ca2+、Al3+、Fe3+均使低阶煤表面元素含量发生变化，在低阶煤表面发生了吸附且是与低阶煤表面含氧官能团中O发生键合。随金属离子浓度增加，油酸钠浮选低阶煤出现的活化与抑制的可能机理：高浓度金属离子的抑制作用来源于金属离子对低阶煤表面性质的改变，恶化了带正电的金属-油酸组分的吸附；金属离子的活化作用则来源于对应金属-油酸配合物的吸附改性效果。 探索了分子尺度下金属离子、金属-油酸配合物的吸附机制，揭示了金属-油酸配合物强化低阶煤浮选机理。小离子半径、高正电荷数的离子与水分子的作用更强，即强弱规律为Al3+gt;Fe3+gt;Ca2+，水合离子在低阶煤的吸附、对低阶煤模型表面电荷密度改变遵循同样的规律。金属-油酸配合物在空间局部显示出强烈的正电性，相比于阴离子型油酸根有利于在低阶煤含氧位点吸附，其吸附强弱规律为Al≈Fegt;Ca，三价金属离子形成的油酸配合物吸附效果更强，而且随着配体数量的增加，吸附作用减弱而改性效果更强。分子动力学模拟结果表明：高价的金属离子形成油酸配合物后可高效定位吸附于低阶煤亲水位点，其疏水碳链延伸向外，吸附构型偏向“垂直”吸附；同时在其在低阶煤表面的扩散能力同样遵循高价（三价）金属离子低于低价离子。金属-油酸配合物的定位吸附能力强，有效强化了低阶煤浮选；金属离子的高化合价对应更高的吸附能，即Al3+、Fe3+活化作用显著强于Ca2+，而离子半径的影响小于离子价态的影响。
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