矿物加工厂运营风险评估与相互依赖性分析的集成灰色系统理论方法：以Gohar Zamin铁矿综合体（伊朗锡尔詹）为例

《Minerals》：An Integrated Grey System Theory Approach for Operational Risk Assessment and Interdependency Analysis in Mineral Processing Plants: A Case of Gohar Zamin Iron Ore Complex (Sirjan, Iran)

　　

乳化捕收剂（ECs）因其相较于传统烃类捕收剂具有优异的分散特性和捕收性能，在煤泥浮选中引起了越来越多的关注。然而，浮选性能与ECs对循环水中微生物的影响之间的关系仍知之甚少。本研究采用阳离子型（十二烷基三甲基溴化铵（DTAB））、阴离子型（十二烷基硫酸钠（SDS））、非离子型（吐温-80）及固体颗粒型（β-环糊精（CD））四种乳化剂制备了四种ECs。研究人员系统评估了其液滴尺寸分布、浮选性能、吸附行为及微生物响应。结果表明，与常规煤油相比，ECs显著改善了煤泥浮选。在表面活性剂基ECs中，较小的油滴尺寸导致更高的精煤回收率，表明捕收剂分散性在浮选性能中的关键作用。傅里叶变换红外光谱（FTIR）提供了定性证据，证明ECs在煤表面的相对吸附强于常规煤油。酵母存活率测试显示，所有ECs对微生物的不良影响均小于煤油。然而，对于表面活性剂基ECs，微生物存活率随着浮选性能的提高而降低。研究人员观察到酵母存活率与油滴数量之间存在初步负相关（R² = 0.9323，n = 4，其中“n”表示测试的捕收剂配方数量），表明残留在水相中的细小油滴可能导致了微生物活力下降。相比之下，β-CD稳定的Pickering乳液同时实现了最高的浮选效率指数（56.22）和最高的酵母存活率（66.49%），优于吐温-80-EC（54.90和58.65%）、SDS-EC（50.95和61.45%）、DTAB-EC（50.08和63.31%）以及常规煤油（40.32和53.35%）。这些发现表明，在可持续煤加工捕收剂的设计中，平衡浮选性能与环境相容性具有重要意义。

**论文解读：乳化捕收剂在煤泥浮选中的性能与微生物毒性平衡研究**

**研究背景与问题**
在“碳中和”与“能耗双控”政策驱动下，开发环境友好型浮选药剂是实现矿物加工绿色转型的关键。非极性烃油（如煤油、柴油）是煤、石墨等矿物浮选常用捕收剂，但因其在水中分散性差，导致利用率低。乳化技术可改善分散性，传统化学乳化剂（阳离子、阴离子、非离子型）虽能制备细分散乳液，但常导致过度起泡、干扰后续工艺，且其环境与生物安全风险日益突出。为此，研究转向生物基表面活性剂（如烷基聚葡萄糖苷）及固体颗粒稳定的Pickering乳液技术，其中β-环糊精（β-CD）稳定的Pickering乳液已被证明能提升细粒石墨浮选效率。然而，现有研究多聚焦于制备工艺与浮选效果，鲜有评估这些药剂进入水体后对微生物的生态毒性。选煤厂循环水系统本身含有复杂微生物群落，残余捕收剂积累可能改变其结构与功能，带来生态风险。因此，系统评估乳化捕收剂（ECs）的浮选性能与环境生物相容性之间的关联，成为绿色药剂设计的重要课题。本研究旨在通过浮选性能测试、酵母存活率毒性评估及吸附行为分析，初步建立乳化剂类型、吸附量、浮选性能与微生物毒性之间的相关性，为高效且环境友好的浮选药剂设计提供科学依据。

**主要技术方法**
研究人员采用四种乳化剂（阳离子型：DTAB；阴离子型：SDS；非离子型：吐温-80；固体颗粒型：β-CD）制备了四种油包水型乳化捕收剂（ECs），油相为煤油，油水体积比1:4，乳化剂浓度1 wt%。通过高速剪切分散（10,000 rpm，2 min）及超声破碎（60%振幅，20 s）制备乳液，并利用光学显微镜和激光粒度分析仪表征液滴尺寸分布。浮选试验在1.5 L单槽浮选机中进行（转速1900 rpm，充气量0.5 m³/h，矿浆浓度60 g/L，刮泡时间3 min），捕收剂用量按煤油当量300或500 g/t添加，起泡剂为2-辛醇。酵母（酿酒酵母）存活率检测采用亚甲基蓝染色法，通过基于Python的图像识别算法计数活/死细胞，以模拟循环水滤液（按矿浆制备及过滤获得）中残余捕收剂对微生物的急性毒性。吸附行为采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，煤样经与捕收剂调浆后过滤、干燥、压片，在400–4000 cm^-1范围4 cm^-1分辨率下采集光谱。

**研究结果**

**3.1 乳化捕收剂的液滴尺寸分析**
四种EC的液滴尺寸差异显著：吐温-80-EC液滴最小（1–10 μm），SDS-EC和DTAB-EC次之，β-CD-EC液滴最大（10–100 μm）。但β-CD-EC的显微镜图像显示液滴尺寸小于激光粒度测量值，这可能归因于Pickering乳液中液滴絮凝现象导致测量时形成团聚体。经40天储存后，化学乳化剂基EC的液滴数量明显减少，稳定性差；而β-CD-EC仍保持密集分布，显示出良好的稳定性，与Pickering乳液中稳定颗粒膜的形成有关。

**3.2 煤泥浮选分析**
浮选结果显示，四种EC的精煤回收率均显著高于纯煤油（48.86%）。其中吐温-80-EC回收率最高（63.02%），β-CD-EC（61.63%）、SDS-EC（59.61%）、DTAB-EC（56.61%）依次降低。在表面活性剂基EC中，回收率随油滴尺寸减小而增加，表明小液滴提供了更大的比表面积，提高了捕收剂与煤粒接触概率。灰分方面，DTAB-EC不仅提升回收率还降低了灰分（6.67%），选择性最佳。浮选效率指数（500 g/t条件下）以β-CD-EC最高（56.22），其次为吐温-80-EC（54.90），SDS-EC和DTAB-EC分别为50.95和50.08，煤油最低（40.32）。在300 g/t条件下，DTAB和SDS效率指数略有上升，而β-CD和吐温-80下降明显，表明β-CD对剂量更敏感。FTIR光谱显示，EC处理组煤样表面-CH₃和-CH₂-峰强度远高于煤油单独处理组，定性证实EC在煤表面的相对吸附更强，有利于捕收剂利用。

**3.3 酵母存活率分析**
酵母存活率顺序为：无捕收剂（73.17%）> β-CD-EC > DTAB-EC > SDS-EC > 吐温-80-EC > 煤油（53.35%），所有EC的存活率均高于纯煤油，表明乳化降低了游离煤油的有效浓度。FTIR中EC组更强的吸附峰支持了这一解释：更多煤油被吸附到煤表面，从而减少了水相中残余煤油。在无煤油条件下（仅乳化剂溶液），存活率顺序与有煤油时一致，表明乳化剂本身也有一定毒性。对于表面活性剂基EC，酵母存活率与精煤回收率呈反向关系，且随油滴尺寸增大而升高。进一步分析发现，油滴数量与酵母存活率呈线性负相关（R² = 0.9323，n = 4），拟合方程为y = 4.83×10⁹ ? 7.19×10⁷·x（y为油滴总数，x为存活率）。这表明细小油滴因在调浆过程中未能有效碰撞煤粒而残留在水相，是导致微生物毒性增加的主要原因。β-CD-EC因形成刚性界面层，既提高了捕收剂利用效率（效率指数56.22），又限制了游离煤油释放（存活率66.49%），实现了最佳平衡。

**讨论与结论总结**
讨论部分指出，β-CD稳定的Pickering乳液凭借其稳定界面结构，在浮选性能与微生物相容性之间取得了最优平衡。研究结果为油滴数量作为评估浮选捕收剂环境相容性的潜在指标提供了初步证据，但也承认当前酵母毒性测试仅采用单一剂量（500 g/t）、未进行浓度依赖性毒性评估，且滤液中残余浓度未直接定量，因此需结合更全面的微生物群落分析及标准化生态毒理学评估以验证。

**研究结论**
（1）所有乳化捕收剂相比常规煤油显著提升了煤泥浮选性能。在表面活性剂基EC中，浮选性能随油滴尺寸减小而增加，凸显了捕收剂分散性和油水界面特性在提高回收率中的重要性。
（2）FTIR分析提供了定性证据，表明乳化捕收剂在煤表面的相对吸附强于直接添加煤油。增强的分散和吸附是EC系统浮选性能改善的重要因素。
（3）生物评估揭示了表面活性剂基EC中浮选效率与微生物相容性之间存在潜在权衡。产生更细油滴的捕收剂通常获得更高浮选回收率，但伴随较低的酵母存活率。基于四个数据点的初步负相关（R² = 0.9323）表明油滴数量与细胞存活之间存在潜在关系，但样本量有限，需更多实验数据验证。
（4）在所测试捕收剂中，β-CD稳定的Pickering乳液表现出最佳的浮选性能与生物相容性平衡：在500 g/t条件下，其浮选效率指数最高（56.22），且酵母存活率最高（66.49%），优于吐温-80-EC（54.90和58.65%）、SDS-EC（50.95和61.45%）和DTAB-EC（50.08和63.31%）。β-CD形成的稳定界面结构可能增强了捕收剂利用，同时降低了残余煤油的生物可利用性。
（5）本研究提供了乳化捕收剂分散特性与微生物存活之间关系的初步证据，强调了油滴数量作为评估浮选捕收剂环境相容性的潜在指标。总体而言，乳化是提高煤泥浮选性能的有效策略，但在设计可持续浮选药剂时，应同时考虑浮选效率与残余捕收剂的环境影响。