随着高品质铝土矿资源不断开发,高硫铝土矿逐渐成为我国拜耳法生产氧化铝的主要原料。高硫铝土矿硫含量大于0.7 wt%,含硫矿物主要以黄铁矿形式存在。高硫铝土矿直接利用不利于拜耳法生产氧化铝,必须对其进行预先脱硫。浮选脱硫是实现高硫铝土矿提质降硫的有效手段,浮选药剂则是影响浮选效果好坏的关键因素。本研究在考察高硫铝土矿物化特征的基础上,根据浮选药剂分子结构理论,设计并合成了一系列新型巯基咪唑类浮选脱硫捕收剂;运用量子化学密度泛函理论(DFT),分析计算了药剂与矿物作用的前线轨道能量判据;通过单矿物浮选试验,考察了药剂作用下黄铁矿、白云母、一水硬铝石等单矿物的浮选行为,系统研究了药剂的浮选性能;通过吸附试验、分子动力学模拟及EDLVO理论,揭示了捕收剂在黄铁矿-水表界面的作用机制;最后将新型药剂用于高硫铝土矿浮选脱硫。具体研究内容如下:(1)采用X荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、岩相分析对高硫铝土矿物化特征进行分析表征。结果表明,高硫铝土矿总S含量为2.87 wt%,铝硅比(A/S)为3.36。有用矿物为一水硬铝石,含硅脉石矿物为白云母,硫主要以黄铁矿形式存在;矿物颗粒细小且嵌布紧密,属于典型难选低品质高硫铝土矿。通过破碎和细磨,矿石在一定程度上实现了单体解离。(2)根据浮选药剂分子结构理论,设计了巯基咪唑极性基及不同碳链结构和空间尺寸的非极性基,构筑了一系列新型巯基咪唑类两性捕收剂,分别为:具有长碳链小几何尺寸的捕收剂(M1),具有长碳链大尺寸的捕收剂(M2),具有短碳链的含羟基捕收剂(M3),具有短碳链的含羧基捕收剂(M4)。DFT计算结果表明,捕收剂分子的反应活性顺序为:M2>M1>M4>M3,主要键合原子为极性基上的S原子和N原子。四种捕收剂与黄铁矿的前线轨道作用能△E1均小于白云母和一水硬铝石。根据所设计的药剂分子结构,采用一步合成法绿色合成了巯基咪唑类捕收剂。傅里叶红外吸收光谱(FTIR)、核磁共振波谱(NMR)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)、热重-差热分析(TG-DSC)测试结果表明,成功合成的巯基咪唑类捕收剂具有紫外吸收特性和较好的热稳定性。(3)单矿物浮选研究表明,巯基咪唑类两性捕收剂作用下,黄铁矿的浮性回收率高于一水硬铝石和白云母以及其他脉石矿物高岭土和石英。具有长碳链大尺寸的捕收剂M2对黄铁矿的浮选分离效果最好,这与量子化学计算结果一致。四种巯基咪唑类捕收剂浮选黄铁矿较优的条件分别为:酸性、碱性、强碱性、中性。捕收剂M1和M4在较低用量时黄铁矿浮选回收率较高,提高捕收剂M2和M3的用量可以提高黄铁矿的浮选回收率。(4)定量吸附研究表明,巯基咪唑类捕收剂在黄铁矿表面的吸附量均高于一水硬铝石和白云母,这是黄铁矿浮选回收率高于一水硬铝石和白云母的原因。具有长碳链大尺寸的捕收剂M2在黄铁矿表面的吸附量高于小尺寸、短碳链的捕收剂M1、M3和M4,这与量子化学计算结果及分子动力学模拟结果一致。捕收剂M2在黄铁矿表面的吸附过程符合准二级动力学模型,等温平衡吸附符合基于多层吸附的Freundlich吸附等温线模型,吸附过程属于非自发的吸热过程,升高温度有利于吸附。(5)采用SEM、FTIR、X射线光电子能谱(XPS)、接触角测定和Zeta电位分析等测试研究表明,巯基咪唑捕收剂类捕收剂在黄铁矿表面均匀分布;捕收剂作用后的黄铁矿表面疏水性增加,表面负电位减小。巯基咪唑类捕收剂与黄铁矿的作用机理主要为表面化学反应和螯合作用。表面化学反应主要是巯基与黄铁矿表面的Fe原子形成共价键。螯合作用主要通过巯基咪唑上的N原子和S原子与Fe原子进行化学配位。EDLVO研究表明,巯基咪唑类捕收剂主要通过增加黄铁矿颗粒的表界面疏水作用力及疏水性促进黄铁矿颗粒聚团上浮。(6)通过开展高硫铝土矿浮选脱硫试验研究发现,新型捕收剂均具有较好的脱硫效果,长碳链大尺寸的捕收剂M2的脱硫效果最好。在一步浮选脱硫的基础上,通过工艺优化实现了同步浮选脱硫脱硅,优化的工艺条件为:磨矿粒度(-0.074 mm)为74%,体系温度为30℃,搅拌速度为2200 rpm,矿浆pH为9,改性淀粉抑制剂用量50 g/t,活化剂用量为20 g/t,捕收剂为M2用量为120 g/t,捕收剂CTAB用量为100g/t,起泡剂用量为120 g/t。最终得到铝精矿的S含量为0.27%,脱硫率达90.59%,A/S为8.09,Al2O3回收率为76.41%。本研究将为新型药剂设计和高硫铝土矿高效强化分离提供理论基础及技术支撑,对低品质铝土矿资源开发利用具有重要意义。