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过氧化物自由基反应机理(自由基反应为什么在气相或非溶剂中进行?)

过氧化物自由基反应机理(自由基反应为什么在气相或非溶剂中进行?) 自由基和过氧化物在浮选中的作用

关于自由基与过氧化物在浮选过程中的作用问题,直到60年代初,才由前苏联科学院通讯院士И.H.普拉克辛及其学派和本文作者及其同事在各自的研究领域内进行了开拓性研究。 1961年,И.H.普拉克辛等发现油酸被分子氧化后浮选钛铁矿的捕收性能显著提高,1963年在研究其原因时指出,与油酸分子中生成过氧羟基有关,与生成的过氧羟基油酸的溶解度较高有关,也与其变为二聚物后分子的加长有关,并认为过氧羟基油酸可能是通过羧基与过氧羟基两个功能团同时固着在矿物表面,导致矿物表面疏水性提高。至于充氧油酸可以选择性分离钛铁矿与锆英石,则是由于钛与过氧羟基生成络合物,使钛铁矿表面产生疏水性;而锆与过氧羟基作用则生成强水合性的化合物Zr2O5·4H2O,使矿物表面可能更加亲水。 1961年著者及其同事在研究紫外光对脂肪酸钠盐水溶液浮选性能的影响时,根据过氧化物的测定值和紫外光照射过的脂肪酸的浮选活性随放置时间延长而迅速消失的现象,将脂肪酸浮选性能变化归因于自由基和过氧化物的作用;1964年又通过紫外光照射两种可作为自由基引发剂的浮选药剂和合成三种高级过氧脂肪酸,证明了黄药和脂肪酸的片面上基及氧化物在浮选过程中起直接作用;同年从浮选化学反应动力学观点和重视活泼中间产物的作用出发提出:在普通工业浮选矿浆中,黄药被氧化为双黄药后,还可能继续解离为自由基;脂肪酸在含氧矿浆中变价金属离子的催化氧化作用下将生成过氧化物。1986年对该观点作了进一步的阐述并提出了反应模型。 1978年,琼斯(Jones)和伍德科克(Woodcock)通过合成仲丁基过黄原酸铵,其紫外光谱与澳大利亚芒特艾萨(Mt.Isa)铜矿在工业浮选矿浆中所得产物的紫外光谱完全一致,证明黄药在充气浮选过程中,同样被氧化生成与其类似的过硫化物。1985年,他们进一步研究了水溶液中烷基双黄药的分解反应指出,在碱性溶液中所形成的部分黄原酸盐与过氧化氢反应生成过黄原酸盐(ROCSSO-)。 1979年,П.M.索洛仁金(CoAOжeHKИH)根据电子顺磁共振谱数据指出,丁黄药与硫化物作用所生成的双黄药或表面化合物,都是硫氢型捕收剂自由基的反应产物。1982年,索洛仁金在其发明证书中,也报导了用过氧化脂肪酸作为浮选剂的结果,当过氧化物值为0.15-0.25%时,可提高其捕收性能。 1985年,S.R.波波夫(Popov)等用红外和紫外光谱研究高碱度介质中黄原酸铅和硫化铅表面的分解作用时,证实黄药分解过程中有过氧化氢生成。 应该指出,关于自由基与过氧化物(或过硫化物)在浮选过程中的作用问题,已逐渐引起国际选矿学界的关注,相信随着时间推移测试技术的不断进步,这方面的研究将会出现新的格局,从而推动浮选理论和实践的发展。 19世纪初自由基的发现,标志着化学发展中的一个新的里程碑。通过气相、液相和固相中各种化学反应中自由基的系统研究,形成了现代化学的一个新的重要分支-自由基化学。这一发现的重大意义,随着时代的推移,愈益深刻地被人们所认识。也已证明,自由基是许多化学反应的积极参与者,包括在气相和液相中进行的氧化反应、燃烧反应、物质的热分解反应、在可见光、紫外光、电离和高能辐射作用下进行的光化学反应、辐射化学反应、聚合反应以及许多其他反应。 自由基是链式化学过程中的活化中心,它们决定着链式反应的进程和范围。活化中心的发现,对理解具体的链式反应历程及各种化学反应的特殊动力学规律具有重大意义。 自由基理论是许多重要化学工艺过程的科学基础,如石油烃氧化制成各种醛、有机酸、过氧化物、醇、酮、各种干性油、润滑油、人造革;热裂法将石油中的各种重烃分裂为组成汽油的各种轻烃;各种烃类经过氯化罎成有机溶剂、农药、灭火剂、冷却剂等。自由基已广泛应用于聚合过程以获取长分子的工艺过程,都是照链式历程进行的。此外,用自由基作为燃料的少量添加剂,可大大提高燃烧效率,如在爆鸣气中添加微量氧原子能显著扩大着火范围,内燃机中用火苗点火,可大大节省燃料和提高发电机的有效系数,也是由于自由基的作用。[next] 催化剂对自由基反应有重大影响。按其作用性质可分为正催化剂和负催化剂两类。所谓正催化剂,是供助于它们在反应系统中所形成的自由基使链反应加速,例如,在烃的液相氧化反应中,加入有机酸和变价金属盐类可以引起强烈的催化作用;工业中的许多聚合过程,可以用易分解为自由基的有机过氧化物激发,这些有机过氧化物所分解的自由基就成为聚合反应链的开端。负催化剂的作用是使链中断(它与活性中心作用相反)以抑制氧化和分解过程因此也叫阻抑剂,如加入某些有机物和其他化合物可使过氧化氢稳定,过氧化氢中混有极微量的某些金属盐类杂质(正催化剂)时,便极易分解。过氧化氢溶液的分解反应是链式反应,而阻抑剂则使链中断,使分解过程受到抑制,因而使过氧化氢得以广泛使用;又如矿物油和汽油容易氧化造成油的质量降低,当加入阻氧化剂后,油的质量便得到稳定;食用油和含油食品腐败的原因,也是由于氧化形成过氧化物、醛类和酮类(使油变味)、有机醇酸类(导致硬化)等引起的。业已知道,许多物质是油类的良好阻氧化剂,其中特别是对人体有益的胡萝卜素和维生素E。 在生物体内的许多反应,也是靠自由基来实现的。现代医学及现代生物学中的自由基理论,揭示了人体衰老、脑血栓、心脏病、老年疾呆、白内障、各种炎症、癌症等的发生原因及发展过程。根据自由基理论,人体中长期积聚的自由基,将不断攻击正常细胞,实际上就是疾病的隐性发展,从而提出了应用与那些用于非生物界抑制自由基反应相类似的阻抑剂,以清除人体内过剩自由基。自由基学说使人类对疾病的产生有了一个认识上的飞跃。随着现代医学及生物高科技的发展,清除人本过剩自由基药物的研制成功,使得有效预防恶性疾病的发生成为现实。 自由基在行星、慧以及星际空间和地球大气中都大量存在,它们在天体物理和地球大气物理中起着极其重要的作用。也已证明,氢转化成氦的热核反应就是太阳能的来源。根据在太阳上已知的氢含量表明,太阳在蕴藏的核能足够使太阳连续发光1000亿年。大气上层中存在着浓度相当高的氧原子,如何通过原子转化成分子以取得热能,是一项十分诱人的任务。 饶有兴趣的是,已经发现,在许多固体材料中,如各种聚合物、煤、以至石英和砖等,在真空中常温粉碎时,也发现有稳定的复杂自由存在。
既然自由基的存在如此普遍,过氧化物与自由基的关系如此密切,那么它们是否也存在于浮选过程中呢?它是如何工作的?如何控制才能有利于浮选分离过程?显然,这是浮选行业中一个具有重要理论和实践意义的方向性课题。顺便说一下,应用自由基理论揭示氧在氰化浸金中的作用机理,无疑是一个重要的方向。紫外光对一系列浮选药剂有明显的作用。至于浮选药剂性能发生显著变化的原因,据推断,紫外线照射下自由基的产生是改善浮选药剂性能的主要原因之一。是基于某些药物经紫外线照射后,如脂肪酸钠皂、松节油钠等,都证明有过氧化物产生。一般来说,过氧化物的生成必须经过自由基反应;生成的过氧化物反过来又是自由基反应的引发剂,这一点在有机化学和高分子化学中已经得到明确的认识。其次,实验中观察到的一些现象,包括药剂经紫外光照射后在空气体中的放置时间对其浮选性能有一定影响,也促使了上述推论。然而,在紫外光照射下,自由基是否在浮选过程中起直接作用,仍需实验证实。此外,脂肪酸过氧化物的作用机理与自由基的形成之间的关系也需要进一步探讨,它起到了很好的收集作用。虽然用物理仪器直接测定溶液中产生的自由基量是一种很好的方法,但目前操作起来还是比较困难,用仪器直接测试自由基对矿物的作用就更难了。为了探索这一问题,我们合成了庚基双黄原酸酯(I)和过氧化月桂酸酐(II)两种试剂,它们在一定条件下既是自由基引发剂又是捕收剂,以探索自由基对矿物的作用机理。[下一个]

1.1.1实验部分 1.1.1.1过氧月桂酸酐和庚基双黄药的合成 1948年菲泽(Fieser)和钱伯利(Chamberlin)曾用月桂酸酰氯与过氧化钠作用合成了过氧月桂酸酐,为白色蜡状物,但未进行精制。 用类似方法,用月桂酸(132.3g)与三氯化磷(40g)作用,产物经真空分馏后得纯月桂酸酰氯122g,沸点126-130℃/4min。 次取月桂酸酰氯45g溶于100mL石油醚(沸点30-60),用冰水冷却至0℃;另取过氧化钠20g及15g分别溶于少量冰水内备用。 先将含20g过氧化钠的水溶液加入上述石油醚溶液内,振摇10min,再补充含15g过氧化钠水溶液,再振摇10min,反应完后加乙醚200mL,在冰箱内放置过夜,第二日即有部分白色结晶析出,先入在室温下使之全部溶解,分去下层过氧化钠溶液,上层用水洗涤两次,用无水硫酸钠脱水干燥。再放入冰箱内冷却,析出结晶,在低温下抽滤分离,用乙醚洗一次,得白色闪亮的白色板状结晶10.5g,即为纯过氧月桂酸酐。其熔点53.5-54.2(校正),不分解,与碘化钾作用立即析出游离碘。下余溶液全部蒸发后,得白色蜡状固体物24.5g,熔点48.9-50℃,是为粗过氧月桂酸酐产物。 庚基双黄药系用经丙酮重结晶的纯庚基黄药水溶液,按一般方法,用碘-碘化钾溶液氧化而得,产品经水充分洗涤后,为黄色油状物。 1.1.1.2紫外光对过氧月桂酸酐和庚基双黄药捕收性能的影响。 纯矿物采用锡石、方解石及方铅矿;它们的纯度(%)分别为96,98,99;粒级分别为-50+20,-74+50,-150+74μm。 取上述过氧月桂酸酐溶液和庚基双黄药溶液2mL置于磨口玻璃杯内,上覆透明石英灯垂直置于玻璃杯上18cm高处照射,距离照射完前20s加入矿物(方铅矿、锡石和方解石每次重量为4g),同时开动电磁搅拌器进行搅拌,加料与搅拌操作过程要求在20s内完成。关闭灯光后,继续搅拌7min,矿物沉降后,吸出溶剂,然后在室温下使残余的少量溶剂挥发干净(锡石实验时,溶剂不吸出,全部在30℃挥发干净)。用蒸馏水将沉淀洗入机械搅拌式有机玻璃浮选槽中,浮选槽容量为20mL,外有恒温水套,矿浆温度用恒温水流控制,浮选锡石时保持35±0.5℃,方解石为16±0.5℃,方铅矿30±0.5℃,浮选10min,不照射的实验条件完全相同。 紫外光对庚基双黄药浮选方铅矿的影响,如图1所示。照时间在60min内,方铅矿的回收率,随照射时间的延长而增加;照射60min,较未处理者提高约27%;然后随照射时间继续延长,回收率反而下降,照射至270min,则完全丧失捕收方铅矿的能力。 图1 紫外光对庚基双黄药浮选-150+74μm方铅矿的影响[next] 紫外光对过氧月桂酸酐浮选锡石和方解石的影响如图2所示。未经紫外光照射时,过氧月桂酸酐用量与锡石和方解石浮选回收率的关系如虚线所示,表明它不是锡石和方解石的有效捕收剂,例如锡石回收率达到35%以后,药剂用量增大至400mg/L时,回收率并不再增加;而浮选方解石时,药剂用量需高于150mg/L以上,才开始显示捕收作用,高至400g/L,回收率只有22%左右。 图2 紫外光对过氧月桂酸酐浮选-50+20锡石和-70+50μm方解石的影响Ⅰ、锡石;Ⅱ、Ⅲ、方解石 但是经过紫外光照射后的过氧月桂酸酐溶液,对锡石和方解石的捕收能力得到了极为显著的提高。以锡石为例,当捕收剂浓度为100mg/L时,照射时间在200min以内,锡石回收率随照射时间的延长而不断提高,回收率最高增加53%左右。只要照射5min,回收率即提高约18%。同样,照射60min,方解石的浮选回收率已达于最高点;当捕收剂浓度为10mg/L时(见图2中曲线Ⅲ),回收率增加约37%,浓度为400mg/L时(见图2中曲线Ⅱ),增加约62%,照射时间过长,回收率反而逐渐下降,但在200min以内,回收率仍然比未照射处理的高。 1.1.2讨论 在高分子化学中,很多双黄药类型的药剂都是单体聚合时著名的自由基引发剂,例如硫基苯骈噻唑(Ⅲ)、四甲秋兰姆化二硫(TMTD,IV)等,它们在紫外光照射或加热状态下,立即生成自由基: [next] 二硫化萘酸酐(V)在很早以前就已经发现它的溶液的特性不符倍尔氏定律,它的分子与自由基呈平衡状态: 庚基双黄药的分子结构与上述药剂的结构完全类似,因此它必然也是一种自由基引发剂,在紫外光激发之下,产生两个黄药的自由基: 而此处之所以选择庚基双黄药的原因,则是考虑到它的分子量比乙基双黄药大,生成的自由基也相对的比较稳定。 自由基一般都含有一个未配偶的电子,反应异常活泼,远比一般黄药的离子作用强、作用快,一旦与硫化矿物相碰,立即生成金属盐从而固着在矿物表面,产生捕集作用。因此,本文作者认为紫外光照射庚基双黄药可以提高它的捕收作用,是由于引发了庚基黄药的自由基,以至于很活泼地与矿物固着,由此而提高了庚基双黄药的捕收作用。 很明显,过氧月桂酸酐经紫外光照射之后,提高了它的捕收能力的直接原因,也是由于引发了自由基。过氧苯甲酸酐(VⅠ)与异丙苯过氧羟基化合物(VⅡ),与双硫基苯骈噻唑一样,教师阳著名的自由基引发剂。但是考虑到苯甲酸的捕收能力低,不能作为氧化矿的捕收剂,必须将碳链加长使之具有足够的捕收能力,因此,选择了过氧月桂酸酐,它既有足够的捕收能力,同时又是自由基的引发剂: [next] 上述两种类型的浮选实验,足以说明自由基在浮选过程中所起的作用,也只能是自由基在起着作用;从而证明了过去本文作者所作的初 步推论,即紫外光对某些浮选药剂性能的影响,是由于自由基在起着主要作用。 一些药剂在紫外光照射过程中,通过自由基反应,积累而成一定数量的过氧化物,生成的过氧化物在紫外光的继续照射下,又生成自由基而逐渐转化或分解成其他更加稳定的物质;随着照射时间的延长,自由基的消失速度大于自由基的生成速度,因此表现在浮选作用上,药剂被照射的时间增长,捕收作用又逐渐下降;而当转化或分解成其他物质后,捕收作用又逐渐下降;而当转化或分解成其他物质后,捕收作用也就消失。 1.1.3结语 庚基双黄药与过氧月桂酸酐,在化学上都是典型的自由基引发剂。它们经过紫外光照射后,产生了活泼的自由基,有力的提高了它们对方铅矿、锡石和方解石矿物的捕收能力。这证明了本文作者过去所作的推论,即自由基在浮选过程中起着重要作用。 
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