浮选药剂分子设计

浮选药剂分子设计
浮选药剂分子设计包括极性基设计和非极性基设计。

（一）极性基设计
极性基主要决定浮选药剂的价键因素，而价键因素可以用基团电负性、分子轨道指数和能量判据来表征，因此，基团电负性计算、分子轨道计算和能量判据计算是进行浮选药剂极性基设计的主要方法。

前者简便有效，是目前设计极性基的主要方法，后两者虽然结果更加精确，但计算较复杂。

1、基团电负性设计方法
基团电负性（electronegativity of group）是元素电负性概念的扩大，指化学基团中直接与外界接触的键合原子受邻近原子的影响后的电负性。

根据浮选药剂的结构特点，参照Wilmushurst、袁汉杰等的元素电负性计算式及蒋明谦诱导效应指数的概念，得出的浮选药剂基团电负性计算公式为：
x g =0.31 （
n*＋1
）＋0.5 （1）
r
n*=（N－P）＋Σ2m
0Σ0＋Σs
δ
＋Σ
2m
i
＋s
iδ
i
（2）
αi
式中，n*为键合原子的有效价电子数，r为键合原子的共价半径，N和P分别是键合原子的价电子数和被相邻原子键合的电子数，m0和m i分别是零号和i号键数目，s0和s i分别为相邻原子和间隔原子的未成键电子数，α是隔离系数。

各类浮选剂（硫化矿捕收剂或抑制剂A、过渡金属非硫化矿捕收剂或抑制剂B、碱及碱土金属非硫化矿捕收剂或抑制剂C）应满足的x g的要求如表1所示。

表中x g－x H是药剂基团电负性与氢电负性之差，是药剂极性大小的判据，由x g－x H计算（%）是药剂离子性百分数，反应了药剂的解离、溶解性质，x M是金属的电负性，x g－x H表征了药剂与矿物金属间键的极性大小，由此计算的Φ%是药剂—金属键的离子性百分数，用以判断键的类型和强弱程度。

按组成和排列方式，极性基的结构模型有五种（如表2所示），其中字母U、V、W、X、Y等代表组成极性基的各种原子，U为键合原子，各种原子间的连接可以是单键、双键、叁键和其他重键。

当U、V、W、X、Y选取不同的元素时，每种模型都可以有多种排列方式。

表2 各种极性基结构的五种模型
在设计极性基结构时，应当遵循：键合原子—一级连接原子一二级连接原子—…的顺序，因为键合原子的浮选药剂性能的决定因素，其次是一级连接原子，它对键合原子的影响最大，再其次是二级连接原子，一次类推。

2、分子轨道计算
分子轨道方法是基于对薛定谔方程的求解。

按求解方案的不同，分子轨道有多种计算方法，如半经验分子轨道法、密度泛函法和ab inition等。

采用分子轨道计算方法设计极性基的过程是：首先是针对给定矿物，选取适当的计算模型（单个或多个晶面、晶胞）计算它的性质。

然后根据算出的矿物的分子轨道指数，按照反应性匹配的原则，确定出需设计的浮选药剂极性基的各种分子轨道指数，采取类似于基团电负性设计药剂极性基的方法，用计算机模拟各种可能的极性基结构，计算并选出合适的极性基。

再对极性基与矿物的作用体系进行计算，并综合比较，根据分子轨道指数值，选取作用能力、选择性较好的极性基结构即为所需要的满足给定矿物浮选要求的浮选药剂。

3、能量判据计算方法
能量判据用于药剂极性基设计的过程与分子轨道法类似，基本过程为：首先对指定矿物和矿石分别进行量子化学处理，获取浮选分离体系的量子化学参数q1、ρ1HO、ρ1LO、E L HO及E L LO，然后按各级原子的选取原则和表2的五种模型拼合各种可能结构的极性基，并进行量子化学处理，获取这些结构的极性基药剂的量子化学参量q r、ρr HO、ρr LO、E R HO及E R LO。

此处各符号的意义为：q1和q r分别是矿物被键合原子和药剂键合原子的净电荷；ρ1HO、ρ1LO分别为矿物HOMO、LUMO上被键合原子的电子密度：ρr HO、ρr LO分别为药剂HOMO、LUMO上键合原子的电子密度；E L HO、E L LO分别为矿物HOMO、LUMO轨道的能量；E R HO、E R LO分别为药剂HOMO、LUMO轨道的能量。

其次计算各种不同极性基结构药剂分别对指定矿物和脉石矿物作用的能量判据，选取对指定矿物和脉石矿物具有最大总能量变化差值的极性基，即为所需的最佳极性基结构。

（二）非极性基设计
非极性基对浮选药剂的性能有多方面的影响，非极性基的组成和结构决定药剂在矿浆中的溶解分散能力，非极性基相互的综合作用能影响药剂在矿物表面吸收的牢固程度，它的电子效应（诱导效应和共轭效应）间接影响极性基键合原子的配位能力，它的体积大小还影响药剂向矿物表面的接近，最重要的是它的结构和大小决定了药剂是否足够疏水能力使浮选得以发生。

因此，在进行非极性基设计时，主要考虑非极性基链的长短。

通常，非极性基烃链太短，药剂的疏水能力不够，不能使矿物表面疏水化而浮选；链太长，药剂不能很好地在矿浆中溶解，也影响选矿效果。

通常在同一系列浮选药剂中，对给定矿物，存在一个链长最适合的药剂，即药剂的选矿效果最佳。

按照药剂一矿物体系的亲水一疏水平衡，某一极性基结构的药剂浮选给定矿物的最佳直链烷基碳原子数n为：
n=（x g－x M）2＋（x L－x M）2（3）
上式中x g为浮选剂的基团电负性，x L和x M分别为组成矿物的阴离子和阳离子的元素电负性。

用式（3）设计计算的浮选药剂非极性基最佳链长是指直链烷基的碳数。

对带支链的烷基、不饱和烃基以及含杂原子的非极性基，它们所相当的直链烷基碳原子数N可由碎片计算法给出：
（4）
式中，A为常数，N=1时，A=0.65；N≥2时，A=0.87。

f i为碎片i的疏水常数，F j为碎片j的结构因子疏水常数，常见碎片的疏水常数和结构因子疏水常数分别如表3和表4所示。

表3 常用碎片常数
表4 常见结构因子疏水常数。