《Journal of Cleaner Production》：Selective adsorption mechanism of an eco-friendly depressant on hemimorphite and calcite surfaces and its response to flotation separation
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本研究以 konjac glucomannan (KGM) 为环保抑制剂，通过浮选试验及多种表征技术，证实KGM通过选择性吸附于方解石表面，抑制其浮选，同时保留水化锌矿的高疏水性，实现两者高效分离，锌回收率达86.89%，为复杂锌矿资源利用提供新途径。
唐艳宇|冯启成|黄斌
中国昆明理工大学国土资源工程学院，复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室，昆明，650093
摘要
半水锌矿是一种典型的氧化锌矿物，而方解石是主要的含钙脉石矿物。选择合适的抑制剂对于高效分离半水锌矿和方解石至关重要。在本研究中，选用了魔芋葡甘露聚糖（KGM）作为一种环保且高效的抑制剂，并通过浮选试验结合多种表征方法系统研究了其分离机制。浮选试验表明，KGM能够有效抑制方解石的浮选，同时对半水锌矿的影响可以忽略不计。具体来说，对人工混合的半水锌矿-方解石样品进行单段浮选后，获得了品位为41.94%的锌和86.89%的锌回收率的高质量精矿。综合表征结果显示，KGM在方解石表面的吸附能力比在半水锌矿表面更强，这导致了后续油酸钠（NaOL）吸附的差异性调节。特别是，KGM占据了方解石表面的活性位点，从而抑制了NaOL的吸附以及方解石的疏水改性。相反，NaOL在半水锌矿表面的吸附未受影响。因此，半水锌矿保持了较高的疏水性，而在KGM-NaOL二元体系中，方解石的疏水性显著下降。这些发现表明，使用KGM作为环保抑制剂可以有效地分离半水锌矿和方解石，显示出其在工业应用中的巨大潜力。
引言
锌作为一种重要的有色金属，在国家经济建设中的作用日益重要（Wang等人，2013年，2024年；Chu等人，2025年）。长期以来，硫化锌矿物一直是锌冶炼过程的主要原料。然而，随着高质量锌资源的不断枯竭，可商业开发的硫化锌矿床无法满足对金属锌的快速增长需求。氧化锌矿物作为一种储量丰富的替代锌矿，由于技术和经济方面的限制，尚未得到充分开发和利用（Navidi Kashani和Rashchi，2008年；Mehdilo等人，2014年；Zhang等人，2025年）。这不仅导致了资源浪费，还引发了矿区周围的环境问题。因此，高效勘探和利用丰富的氧化锌矿具有重要意义。
氧化锌矿可以通过火法冶金加工成氧化锌粉末；然而，这种方法存在投资大、污染严重和金属回收率低的缺点。湿法冶金是提取氧化锌资源的另一种方法，但其适用性与矿石的固有性质密切相关。当矿石中含有大量碱性脉石矿物时，浸出过程需要更多的酸，从而增加了生产成本。此外，在浸出过程中，矿石中的杂质元素如铁和硅也会进入浸出液，增加了后续处理的复杂性。因此，通常需要对低品位和复杂的氧化锌矿进行选矿（Malghan，1986年；Li等人，2010年，2014年；Chai等人，2013年；Luo等人，2020年；Feng等人，2024a年）。
目前，浮选仍是氧化锌矿选矿的主要方法，包括硫化胺浮选、硫化黄药浮选、螯合浮选和直接脂肪酸浮选（Fa等人，2005年；Hosseini和Forssberg，2007年；Ejtemaei等人，2011年；Liu等人，2015年；Wu等人，2015年；Yang等人，2025年；Feng等人，2025年）。螯合捕收剂可以通过其特定的功能基团与氧化锌矿物表面的锌离子稳定且选择性地螯合，从而实现氧化锌矿物与矿石的分离。然而，螯合捕收剂相对昂贵，其在工业规模生产中的应用仍不成熟。硫化胺浮选法广泛用于氧化锌矿的富集，具有相对有利的浮选性能。然而，该方法容易受到矿浆中粘液的影响。当粘液含量高时，浮选泡沫会受到粘液和胺捕收剂的双重干扰。硫化黄药浮选法表现出良好的选择性和稳定的浮选性能，但对表面硫化效率要求较高。因此，研究人员开展了大量工作以促进氧化锌矿物表面的硫化过程。脂肪酸捕收剂常用于有效浮选氧化物矿物，包括氧化锌矿物；然而，这种方法的主要挑战在于如何有效地将氧化锌矿物与含钙的碳酸盐矿物分离（Sun等人，2021年；Zhao等人，2019年；Tang等人，2026a，2026b）。半水锌矿是一种典型的硅酸盐型氧化锌矿物（Jia等人，2018年；Feng等人，2024b）。由于其复杂的晶体结构和独特的表面性质，其可浮性和与浮选试剂的相互作用与 smithsonite 显著不同。因此，不能直接将用于 smithsonite 的浮选过程和试剂系统应用于半水锌矿的回收。此外，矿石中含钙脉石矿物的高含量会严重干扰浮选过程并降低氧化锌矿的浮选性能。这归因于含钙脉石矿物的溶解，释放出高浓度的钙离子进入矿浆溶液（Shi等人，2013年）。这些离子随后会吸附在氧化锌矿物表面，降低氧化锌矿物与含钙脉石矿物的分离选择性。因此，需要添加抑制剂来实现对矿浆中含钙脉石矿物的选择性抑制。
方解石是氧化锌矿中主要的含钙碳酸盐脉石矿物，其与半水锌矿的有效分离直接关系到氧化锌矿的回收效率（Irannajad等人，2009年）。KGM是一种从魔芋植物块茎中提取和纯化的天然高分子量多糖，富含羟基和乙酰基（Liu等人，2016年；Lu等人，2017年）。其结构、性质和实际应用的详细信息见图1。KGM与矿物颗粒相互作用后，通过氢键、分子偶极子和诱导偶极子与水分子结合，在矿物表面形成大量的亲水产物，从而降低其疏水性。在本研究中，KGM作为绿色方解石抑制剂，实现了从难选氧化锌矿中的主要含钙脉石矿物中选择性分离半水锌矿。采用了一系列先进的表面分析方法、溶液检测技术和模拟计算来阐明KGM在半水锌矿和方解石表面的选择性吸附机制。实验结果表明，作为一种环保且高效的抑制剂，KGM在半水锌矿与方解石的浮选分离中表现出明显的创新优势，具有广阔的工业应用前景。这些发现为复杂和难选氧化锌资源的绿色、低碳和高效开发与利用提供了理论支持。
材料与试剂
通过手动去除脉石矿物获得了高纯度的半水锌矿和方解石。本研究中使用的半水锌矿和方解石的XRD图谱和晶体结构见图2。块状样品被切割成大约1×1×0.5厘米的矩形块，然后用于ToF-SIMS、AFM和接触角测量。剩余样品经过手动研磨后进行筛分，以获得不同粒度的颗粒。
KGM和NaOL体系中半水锌矿与方解石的浮选分离性能
使用KGM作为抑制剂和NaOL作为捕收剂时，半水锌矿和方解石的浮选性能结果见图3。从图3a和b可以看出，半水锌矿和方解石在基于NaOL的浮选体系中都表现出良好的可浮性，这使得两者之间的有效分离变得非常困难。此外，增加NaOL的浓度会进一步加剧这种分离难度。
结论
本研究探讨了KGM作为环保抑制剂在半水锌矿-方解石选择性浮选中的调控作用，以及其与这两种矿物的相互作用机制，包括NaOL的吸附、表面润湿性以及通过浮选试验、TOC分析、FT-IR光谱、ToF-SIMS、XPS、AFM、接触角和zeta电位测量得到的结果。基于实验结果，得出以下结论：
(1)KGM表现出优异的选择性吸附
作者贡献声明
唐艳宇：撰写 – 原稿撰写、可视化、软件使用、方法论设计、数据分析。冯启成：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、实验研究、资金申请、数据分析、概念构建。黄斌：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、实验研究。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52264026）、云南省基础研究项目（项目编号：202301AW070018）和中央引导地方科技发展基金项目（项目编号：202407AB110022）的支持。
