腐植酸基铁矿球团粘结剂的构效关系研究
粘结剂是生产铁矿球团的关键性辅助原料，其性能优劣直接关系到球团矿质量的好坏。腐植酸类物质是含有羧基、羟基以及苯环结构的有机高分子聚合物，已成功应用于直接还原球团的生产。目前，腐植酸基粘结剂在铁精矿表面的作用机理尚不完全明确。此外，由于对粘结剂的物化特性特别是其结构特征缺乏系统的认识和研究，尚未建立粘结剂的结构与性能关系。 本论文利用我国不同低阶变质煤资源（褐煤和风化煤），制备出了以黄腐酸、胡敏酸为功能组分的腐植酸基粘结剂;采用红外光谱(FTIR)、环境扫描电镜(ESEM)、原子力显微镜(AFM)、热重-差热(TG-DSC)、X射线光电子能谱(XPS)等手段，深入研究了粘结剂功能组分的性质及其在铁矿表面的吸附行为;运用量子化学中的密度泛函理论(DFT)，定量计算了粘结剂与不同类型铁精矿中铁矿物作用的能量判据ΔERTT，揭示了粘结剂分子空间因素对其亲固能力的影响;根据粘结剂功能组分的结构与性能关系，建立了铁矿球团用腐植酸基粘结剂的技术要求。本论文的主要结论如下: (1)黄腐酸和胡敏酸之间的理化性质存在明显差异。黄腐酸分散性好、芳构化程度低、分子量小，而含氧官能团含量较高。胡敏酸的非极性芳香官能团含量高，而含氧官能团含量较低。胡敏酸的热稳定性好，热分解区间较宽。 (2)黄腐酸和胡敏酸在铁精矿表面发生化学吸附，且前者的吸附作用较强。黄腐酸、胡敏酸在铁精矿表面的吸附符合Freundlich式和二级动力学模型，理论最大吸附量分别为8.92×10-3 mg·cm-2和2.70×10-3 mg·cm-2。吸附黄腐酸或胡敏酸后，铁精矿中Fe2p3/2的电子结合能变化量分别为-1.12 eV和-0.57 eV，净脱附热分别为-87.0j·g-1和-26.7 J·g-1。粘结剂功能组分在铁精矿表面呈网状、纤维状或堆簇状吸附。黄腐酸的存在能够促进胡敏酸在铁精矿表面的吸附。 (3) DFT计算表明，羧基的亲固能力大于酚羟基。随着极性基团数量的增加，粘结剂的亲固能力提高。对粘结剂分子来说，非极性芳香烃基越大，其化学作用越强，但其静电力作用越弱。 粘结剂主要通过化学作用与矿物表面发生亲固反应。粘结剂与矿物晶胞表面的亲固能力从强到弱依次为FeTiO3、Fe3O4、Fe2O3。对于粘结剂与矿物晶胞表面之间的作用力来说，正配键共价作用ΔERT2对能量判据ΔERTT的贡献最大，静电力作用ERT1的贡献最小。 (4)黄腐酸的吸附性能、粘结性能与其光密度比(E4/E6)呈负相关性。黄腐酸分子量越大或芳构化程度越高，其吸附、粘结性能越强。胡敏酸的吸附性能、粘结性能与其E4/E6呈正相关性。胡敏酸分子量越小或芳构化程度越低，其吸附、粘结性能越强。腐植酸分子量过大或过小均不利于其吸附、粘结性能。当黄腐酸、胡敏酸的分子量分别接近600 Da和1500 Da时，二者的吸附、粘结性能最好。当黄腐酸、胡敏酸的分子量为最优值时，腐植酸分子量趋于1410～1490 Da。 铁矿球团用腐植酸基粘结剂的技术要求为:1）腐植酸的E4/E6接近3.86;2）腐植酸含量（容量法）为40％～50％;3）适宜的胡富比因铁精矿类型不同而异，对于普通磁铁精矿、钒钛磁铁精矿、赤铁精矿来说，最佳胡富比分别接近8∶2、7∶3和6∶4。 (5)针对普通磁铁精矿、钒钛磁铁精矿和赤铁精矿，制备出3种腐植酸基粘结剂。粘结剂用量为0.75％的球团矿的抗压强度超过膨润土用量为2.0％的球团矿，与膨润土球团相比铁品位提高1.0％以上、冶金性能相当。
粘结剂;腐植酸;铁矿球团;化学作用;构效关系
中南大学
博士
冶金工程
姜涛;李光辉;张元波
2013
中文
TF046.6
150
2014-02-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）