基于氨基酸双头捕收剂的碳酸盐矿物选择性浮选：分子构型匹配与界面吸附机制研究

本研究针对碳酸盐矿物（白云石、菱镁矿、方解石）选择性分离难题，设计氨基酸基单/双头捕收剂（C12GlyNa/C12MalNa2等），通过微浮选、ζ电位、UV-Vis/FTIR光谱和分子模拟，揭示捕收剂头基间距与矿物表面金属原子距离的几何匹配驱动选择性吸附机制，为定制化浮选药剂设计提供新范式。

　　

碳酸盐矿物的高效分离一直是矿物加工领域的重大挑战。白云石（dolomite）、菱镁矿（magnesite）和方解石（calcite）这三种碱性矿物具有相似的化学性质和表面特性，传统脂肪酸类捕收剂虽活性高但选择性差，难以满足高纯度工业应用需求。尤其在资源利用精细化、环保要求日益严格的背景下，开发基于分子识别原理的选择性浮选技术成为突破口。

为破解这一难题，研究人员开展了一项创新性研究，通过设计氨基酸基单/双头捕收剂，系统探究分子构型对矿物界面吸附行为的影响。研究采用四种定制化捕收剂：单头型C₁₂GlyNa和双头型C₁₂MalNa₂（丙二酸型）、C₁₂AspNa₂（天冬氨酸型）、C₁₂GluNa₂（谷氨酸型），其头基间距分别为3.67?、6.15?和6.21?。通过对比这些捕收剂在自然pH和10.5条件下的性能差异，揭示了分子几何匹配与选择性浮选的内在关联。

关键技术方法包括：Hallimond管微浮选实验评估回收率；Zetasizer纳米粒度仪测定ζ电位分析表面电荷变化；UV-Vis光谱定量吸附量；FTIR光谱表征表面化学吸附；CrystalMaker和ACDLABS软件进行晶体结构模拟和分子建模。所有矿物样品（38-150μm）来自Richard Tayler Minerals公司，经XRD验证纯度。

3.1 Hallimond管浮选与溶液相分析

浓度效应研究表明，单头捕收剂C₁₂GlyNa在1000μM时对所有矿物均呈现高回收率（方解石95%），但缺乏选择性。双头捕收剂中，C₁₂MalNa₂在pH 10.5时对菱镁矿展现94%的优异选择性，对方解石仅23%。ζ电位和UV-Vis数据证实，C₁₂MalNa₂在菱镁矿表面的吸附量（32μmol/g）是其他双头捕收剂的3倍，且电位降幅最大，表明其头基间距（3.67?）与菱镁矿Mg-Mg距离（3.66?）完美匹配。

pH影响实验发现，C₁₂MalNa₂在pH 9时实现菱镁矿90%回收率，而白云石和方解石分别仅30%和10%，此时可优先富集菱镁矿。反常现象是C₁₂MalNa₂处理后的方解石虽吸附量高但浮选差，推测因单头基吸附导致表面残留极性基团，阻碍气泡附着。

3.2 FTIR固相分析

FTIR的-CH₂伸缩振动峰（2995-2927cm^-1）定量显示，浮选产物吸附量是非浮选部分的3倍。C₁₂MalNa₂在菱镁矿的吸附符合单层模型，而在方解石呈现多层吸附特征，验证了表面沉淀机制。合成产物C₁₂MalCa的红谱证实，方解石界面存在钙-丙二酸盐沉淀物，解释了高吸附低浮选的矛盾现象。

3.3 分子构效关系

晶体结构模拟显示，白云石Ca-Ca距离（3.85?）与C₁₂MalNa₂头基间距接近但不完全匹配，导致中等回收率；而菱镁矿的Mg-Mg距离（3.66?）与C₁₂MalNa₂的3.67?高度契合，形成稳定静电吸附。方解石的Ca-Ca距离（4.04?）远超C₁₂MalNa₂头基跨度，迫使单头基吸附，形成亲水表面。

这项研究开创性地提出"几何匹配驱动选择性吸附"理论，突破传统捕收剂依赖化学亲和力的局限。C₁₂MalNa₂对菱镁矿的选择性达4:1（相对方解石），为工业分离提供新方案。未来通过原子力显微镜（AFM）和分子动力学模拟深化界面行为研究，将推动定制化浮选药剂设计进入分子工程时代。论文发表于《JCIS Open》，为矿物加工与界面科学的交叉研究树立了新标杆。