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我校广西科学技术奖项成果系列展(二)基于密度泛函理论的多金属资源清洁浮选技术(2022-08-06)

来源:科技处     文字作者:陈立    图片作者:陈建华    发布时间:2022-08-06    阅读数:

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硫化矿资源及其共伴生元素是有色、稀散和稀贵等关键金属的主要来源。90%以上的有色金属资源需要通过浮选技术分离富集得到单一金属的合格精矿才可利用。随着易处理单一金属资源消耗殆尽,复杂多金属资源已成为我国矿产资源的供应主体,但由于复杂多金属硫化矿表面性质高度相似且相互影响,导致浮选分离困难、资源利用率低,亟需理论与技术创新以提高资源利用水平。我校资源环境与材料学院陈建华教授团队在国际上首次采用密度泛函理论,系统构建了基于矿物表面金属离子半约束性质的浮选界面作用理论,突破了传统浮选经典化学理论的局限性,颠覆了浮选药剂选择性和低毒性难以兼顾、伴生金属与载体矿物难以协同回收的传统认识,通过系列清洁高效靶向浮选药剂的发明和应用,实现了高相似硫化矿物选择性分离富集和伴生稀散稀贵金属高效回收,开发出铅锑锌(伴生铟银)、铜铅锌(伴生金银)等典型复杂多金属资源清洁高效浮选技术并推广应用,实现了理论、技术和应用的整体创新。2022世界杯买球赛官网(集团)股份有限公司作为第一完单位的成果《基于密度泛函理论的多金属资源清洁浮选技术》获得广西科学技术进步一等奖。

创新点一:在国际上率先将密度泛函理论和方法引入矿物浮选领域,形成了以表面离子半约束、界面水化作用和晶格缺陷为核心的硫化矿浮选界面作用理论。

采用密度泛函理论揭示了硫化矿物浮选体系“表面离子-界面性质-晶体结构”三个层次的微观机制,提出了表面金属离子半约束模型,建立了药剂分子与矿物表面轨道作用的对称性匹配理论;构建了硫化矿物表面水化层结构,提出了考虑水化势垒效应的浮选药剂分子设计公式;建立了硫化矿物浮选晶格缺陷理论,明晰了伴生稀散、稀贵金属强化回收调控原则。

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浮选药剂分子靶向设计原理和方案

创新点二:基于浮选界面作用理论,发明了系列清洁高效靶向浮选药剂,实现了温和浮选环境下主金属与共伴生金属的高效协同回收。

设计了对铜铅锑矿物具有靶向作用的官能团和疏水基团,发明了铅锑混选捕收剂羰基硫代磷酸酯和铜铅混选捕收剂乙酰硫氨酯,在近中性温和环境下实现铜铅、锑铅矿物及伴生金银的高效浮选。首次发现轨道对称性匹配与抑制剂选择性之间的关联机制,发明了锌硫分离广谱抑制剂羰基三硫代碳酸盐和铜铅分离有机抑制剂硫脲双巯基盐,完全取代了使用几十年的剧毒药剂氰化物和重铬酸钾。

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创新点三:形成了以清洁靶向浮选药剂应用为核心的复杂多金属资源清洁高效浮选技术,显著提高了多金属资源综合利用回收率。

针对广西大厂大型特富锡铅锑锌多金属硫化矿,采用新型铅锑捕收剂和锌硫分离抑制剂,形成“铅锑混浮-锌硫混浮-锌硫分离”清洁浮选工艺,铅、锑、锌、银、铟、锡回收率分别提高6.47、6.27、5.76、15.4、10.45、8.72个百分点。针对内蒙赤峰红岭低品位铜铅锌矿,采用新型铜铅混浮捕收剂和铜铅分离抑制剂,形成“铜铅混浮-铜铅分离-锌浮选”清洁浮选工艺,铜、铅、金、银回收率提高了45.09、54.02、22.51、48.20个百分点。

从2015年开始,整体技术成功应用于广西、内蒙、江苏、云南等省区的矿山企业,近三年累计新增利润11.71亿元。项目成果对现有浮选理论体系与研究方法具有突破性创新,显著提高了我国战略性矿产资源综合利用水平,对我国选矿领域的理论与技术进步具有重要的推动作用。由孙传尧院士担任组长的科技成果评价意见认为:“整体技术处于国际领先水平”。

研究成果具有通用性和适应性,目前已经推广和正在推广到南非、印尼、柬埔寨、俄罗斯、蒙古、澳大利亚、智利、厄瓜多尔和秘鲁等“一带一路”国家的特色资源。同时研究成果还在国内大中型同类矿山推广应用。

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陈建华教授及其团队长期致力于矿物加工领域的基础理论及工程应用研究,在国际上开创性地将密度泛函理论方法用引进到以工程实践为主的矿业领域,开辟了矿物浮选密度泛函理论研究方向,该方法已经成为矿业领域公认的国际最前沿方法之一;提出浮选药剂与矿物表面金属离子作用的二次配位理论,解决了矿物浮选过程中药剂分子靶向作用理论描述及模型构建的重大难题,创立了矿物浮选配位化学理论体系。近年来,该团队承担国家自然科学基金12项,获省部级科技进步一等奖4项,二等奖6项;获授权国家发明专利60多项,国际专利10多项;出版学术专著9部,多部专著被翻译为英文和俄文,发表学术论文400多篇;两人入选2020年美国斯坦福大学发布的全球Top2%科学家,团队多名成员担任国际国内重要学术期刊编委。

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陈建华教授2011年入选教育部新世纪优秀人才支持计划,2022世界杯买球赛官网(集团)股份有限公司君武学者,第十二届广西“五四青年”奖章获得者,中国有色金属学会矿冶过程计算与模拟仿真专业委员会副主任委员、矿冶过程界面化学学术委员会副主任委员以及中国矿业联合会选矿委员会委员等。

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编辑:刘娜利

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