有机粘结剂对钒钛铁精矿生球强度的影响机制及分子动力学研究

为解决钒钛磁铁矿氢基竖炉低碳冶炼中球团质量不佳的难题，研究人员创新性地采用果胶(pectin)和羧甲基纤维素(CMC)作为有机粘结剂，通过zeta电位、红外光谱和分子动力学模拟揭示了羧基与羟基的差异化吸附机制，发现0.2 wt%果胶可使生球强度提升至12.5 N/p，为高钛型铁精矿绿色造球提供了理论支撑。

　　

在全球钢铁行业低碳转型背景下，钒钛磁铁矿(VTIC)作为战略多金属资源，其传统高炉冶炼面临高能耗与环境污染的双重压力。氢基竖炉(H₂-based shaft furnace)虽能显著降低CO₂排放，却对入炉球团的强度提出严苛要求——生球抗压强度需达到10 N/p以上。然而，VTIC中独特的Fe-Ti共生结构和表面疏水性差等特性，导致传统膨润土粘结剂需添加过量(>1.7 wt%)，既引入硅铝杂质又难以满足强度需求。这一矛盾严重制约了VTIC在绿色冶金中的应用。

针对这一行业痛点，重庆大学的研究团队在《Powder Technology》发表重要成果，首次系统比较了新型果胶(pectin)与传统羧甲基纤维素(CMC)对VTIC生球性能的调控机制。研究创新性地采用多尺度研究方法：通过造球实验确定最佳配比（果胶0.2 wt%/CMC 0.4 wt%），结合zeta电位分析界面电性特征，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析官能团相互作用，并借助分子动力学(MD)模拟动态吸附过程。

强度变化规律
造球实验显示，果胶添加量仅为CMC一半时，生球强度已达12.5 N/p，较传统膨润土提升23%。这种"低剂量高效"特性源于其独特的羧基(-COOH)空间构型，能形成多齿氢键网络。

吸附机制解析
FTIR证实两种粘结剂均通过氢键吸附，但作用位点迥异：果胶的羧基与VTIC表面羟基(-OH)结合能达-28.6 kJ/mol，而CMC仅依赖羟基间作用。MD模拟进一步揭示，过量粘结剂(>0.5 wt%)会因分子缠结削弱有效氢键数。

界面水膜调控
研究首次发现果胶具有"智能"吸水特性，能在颗粒间形成厚度为2.3 nm的优化水膜，较CMC体系提高17%。这种微观润湿行为显著增强了毛细管力与颗粒粘结。

该研究不仅为VTIC绿色造球提供了优选方案，更建立了"官能团-界面能-宏观强度"的定量关联模型。其创新价值体现在三方面：技术层面验证了果胶替代膨润土的可行性，理论层面阐明了羧基在复杂矿物表面的优先吸附规律，方法层面开创了多尺度研究粘结机制的新范式。这些发现对开发适用于高钛型矿物的专用粘结剂具有重要指导意义，将加速氢冶金技术在战略资源领域的应用进程。