复杂界面体系下氧化铅锌矿表面水化作用及多组分相互作用机理研究

The flotation of lead-zinc oxides includes the multi-phase and multi-component interactions which are surface hydration, the dissolution of surface metal ions, the unavoidable ions adsorption and the precipitation and re-adsorption of reagent molecules. It is of great theoretical and practical significance to find out the multi-phase reaction process and multi-component reaction mechanism of lead-zinc oxides under complex interface system. Two typical lead-zinc oxides (cerussite and smithsonite) are chosen to study and the water-molecule interaction on the lead-zinc oxide surface and its effect on the surface electronic structure and properties are studied by using the Density-Functional based Tight Binding (DFTB+) method. Microcalorimetry based on thermodynamic theory is used to study surface hydration thermodynamics and kinetic parameters for lead-zinc oxides, and surface hydration layer models of lead-zinc oxides are established from both microscopic and macroscopic levels. The adsorptions of multiple components such as unavoidable ions, molecules, hydrolyzed component of sodium sulphide are studied and the mechanism of the multiple-component interaction on the lead-zinc oxide surface under complex interface system is obtained. The adsorption mechanism of collector on the mineral surface and the co-adsorption with other components on the surface is studied, and a reaction model of collector on lead-zinc oxide surface is established under complex interface system. The research results could provide a theoretical basis for the development of surface interface control mechanism and the development of new efficient flotation reagents for lead-zinc oxide ores.

氧化铅锌矿的浮选过程包含了矿物表面水化、表面金属离子溶解、难免离子吸附及与药剂分子的沉淀、再吸附等多相多组分反应，查清复杂界面体系下氧化铅锌矿表面多相反应过程和多组分作用机理具有重要的理论和实际意义。本项目以白铅矿和菱锌矿两种典型氧化铅锌矿为研究对象，采用基于紧束缚法的密度泛函理论，研究氧化铅锌矿表面水分子间相互作用及其对表面电子结构和性质的影响；采用基于微量热技术的热动力学理论，研究氧化铅锌矿表面水化热力学和动力学参数，从微观和宏观两个层次建立氧化铅锌矿表面水化层模型。研究难免离子、分子、硫化钠水解组分等多组分在氧化铅锌矿表面的吸附，获得复杂界面体系下氧化铅锌矿表面多组分相互作用微观机制。研究捕收剂分子在矿物表面的吸附机理及与表面其他组分的共吸附作用，建立复杂界面体系下氧化铅锌矿表面捕收剂作用模型。研究结果可为复杂界面体系下氧化铅锌矿界面调控机制的建立和高效浮选新药剂的开发提供理论依据。

铅和锌是两种重要的有色金属，主要来源于硫化铅锌矿和氧化铅锌矿。随着易选的硫化铅锌矿资源日渐枯竭，对难选的氧化铅锌矿资源的开发利用越来越受到重视。大量低品位难处理氧化铅锌矿的浮选回收迄今没有取得令人满意的结果。本项目以白铅矿和菱锌矿两种典型氧化铅锌矿为研究对象，采用基于紧束缚法的密度泛函理论，研究氧化铅锌矿表面水分子间相互作用及其对表面电子结构和性质的影响；研究难免离子与硫化钠水解组分等多组分的吸附机制；研究捕收剂分子与表面其他组分在氧化铅锌矿表面的共吸附机理。. 研究结果表明，含氧酸捕收剂随着碳链的增长和不饱和键的增多，与氧化铅锌矿表面作用的反应性和亲电性增强，但是水分子的存在会在矿物表面产生氢键结构从而削弱含氧酸捕收剂在矿物表面的吸附，环状饱和直链含氧酸几乎不吸附在白铅矿和菱锌矿表面，但油酸和亚油酸仍然可以与白铅矿和菱锌矿表面成键吸附。同时，随着水分子层数增加，菱锌矿表面会羟基化生成一层氢氧化锌薄膜，而白铅矿表面仅可吸附一层水分子，说明菱锌矿比白铅矿亲水性更强。硫化是氧化铅锌矿和捕收剂作用前的重要预处理。硫化可以增强菱锌矿和白铅矿的疏水性，但菱锌矿表面形成的Zn-S键离子性更强，而白铅矿表面形成的Pb-S键共价性更强，因此白铅矿表面的硫化膜更稳定。此外，黄药可以强烈吸附在硫化后的白铅矿表面，而与硫化后的菱锌矿表面作用较弱，但胺类捕收剂可以与硫化菱锌矿表面通过Zn-N键较好的吸附。另外，矿浆中的难免离子会对菱锌矿的浮选过程产生影响。在低浓度硫化钠条件下，钙离子会影响菱锌矿表面的硫化，相反，镁离子的预吸附不影响硫化过程。在高浓度硫化钠条件下，钙离子的影响会减弱，而镁离子依旧不影响菱锌矿表面的硫化。. 研究结果对于进一步认识氧化铅锌矿界面结构及界面调控本质具有重要的理论意义和应用价值，可以为氧化铅锌矿浮选新药剂和新工艺的开发提供理论指导。