服务与支持
SERVICE SUPPORT
【Materials Studio】2-[三(羟基氨基甲酰基)甲基]羧酸作为螯合剂在水铝石和硅铝酸盐浮选中效率的理论研究
1、研究背景
中国铝土矿资源主要为水铝石型，目前常用的拜耳法对铝硅比要求较高，所以可通过浮选脱硅提高铝硅比。
2、模型与模拟方法
作者利用密度泛函理论计算了吸附质的最高占据分子轨道（HOMO）、最低未占据分子轨道（LUMO）和NBO电荷。
为研究最佳吸附模式，作者还使用Materials Studio（MS）软件依据分子动力学理论（MD）对吸附质和吸附剂进行了相互作用能和结合能计算。
图1 2-[三(羟基氨基甲酰基)甲基]羧酸的结构式
作者建立选择水铝石（010）、高岭石（001）和伊利石（001）表面作为吸附剂；THDA、THCA或THAT为吸附质；周期性边界盒子为20.18Å×30.97Å×38.48Å；力场采用COMPASS；温度25°C；NVT系综；时间步长0.1fs，总共模拟时间500ps。
3、结果与讨论
（1）密度泛函理论计算
前沿分子轨道（HOMO和LUMO）在解释化学反应性方面非常有用。HOMO通常与分子提供电子的能力有关，并决定了主要产生化学键的价电子的空间分布。
图2 (a)THDA、(b)THCA和(c)THTA的优化几何形状
三种捕收剂能量THCA>THDA>THAT，能量越高，捕收效率越高，因此THCA与矿物表面的相互作用最强，捕集能力最好。
负电荷主要集中再极性基团中的O和N原子上，且O原子的负电荷多于N原子，所以O原子可以很容易地向矿物表面上Al原子的未占据轨道提供电子；THCA中的O可以与AL形成五元环稳定配合物，导致其在水铝石上的吸附量比在高岭石和伊利石上的吸附量要多。
表1 HOMO、LUMO能量(a.u.)和原子电荷
（2）分子动力学计算
作者通过Materials Studio软件MD计算，结果表明THCA对水铝石的吸附亲和力高于高岭石和伊利石；极性基团中的羰基氧靠近矿物表面越多，络合物越稳定，表示矿物越容易吸附捕收剂，因此捕收剂浮选矿物顺序为水铝石>高岭石>伊利石。
图3 a:THCA吸附在水铝石(010)表面的侧视图,b:THCA的构型
图4 a:THCA吸附在高岭石(001)表面的侧视图,b:THCA的构型
图5 a:THCA吸附在伊利石(001)表面的侧视图,b:THCA的构型
相互作用能（ΔE）的负值越大，矿物表面与捕收剂之间的相互作用越大；结果表明THCA与水铝石（010）表面的结合比与高岭石（001）或伊利石（001）表面的结合更牢固。
THAT由于碳链长度较大，疏水能力强和溶解度低的原因，所以虽然与矿物表面的结合能较高，但其捕集能力仍不如THDA和THCA。
Ebind（THDA）略高于Ebind（THCA），表明THCA在浮选硬铝石方面比高岭石具有更好的选择。
比较水铝石表面和硅铝酸盐表面三种捕集剂分子结合能的差异，结果表明THCA比THTA和THDA在硅铝酸盐上浮选和分离硬铝石的选择性更强。
表2 捕收剂与矿物表面的相互作用和结合能（kcal/mol）
4、总结
作者通过Materials Studio软件DFT计算结果表明，THCA比THTA和THDA具有更高的HOMO能量，三种捕收剂在水铝石表面上比在硅铝酸盐表面上更容易形成螯合环稳定络合物。
通过Materials Studio软件MD模拟结果表明，三种捕收剂与水铝石表面的结合比与铝硅酸盐表面的结合更牢固，而THCA在与矿物表面结合方面比THTA或THDA更佳。
