固液界面体系下硫化矿物表面结构、性质及药剂吸附的密度泛函研究

固液界面体系下，矿物表面的悬挂键或不饱和键与水分子发生吸附作用，形成不同于单相固体表面的两相固液界面结构。矿物表面固液界面是浮选过程中药剂分子与矿物发生反应的主要地方，固液界面的结构及性质决定了硫化矿物基本浮选行为。本项目采用基于密度泛函理论的量子化学方法研究固液界面体系下硫化矿物表面结构、电子性质及药剂分子的吸附行为，重点考察水分子吸附对硫化矿物表面结构和性质的影响，研究水分子吸附构型和排列方式对矿物表面润湿性的影响，建立硫化矿物表面亲水/疏水模型，从分子层次阐述硫化矿物天然可浮性的本质；考察固液界面体系下水分子对硫化矿物表面氧化的影响，建立固液界面体系下硫化矿物表面氧化模型；考察固液界面体系下水分子对浮选药剂吸附行为的影响，建立固液界面体系下硫化矿物与浮选药剂分子作用的模型。项目研究结果对于进一步认识硫化矿物浮选的本质和开发新药剂具有重要的理论意义和实际应用价值。

矿物浮选是一个界面作用过程，浮选药剂分子的吸附作用发生在矿物-溶液界面上，固液界面的结构及性质决定了硫化矿物基本浮选行为和药剂吸附机理。研究固液体系下硫化矿物表面结构、电子性质和药剂分子吸附机理能够从微观层次解释矿物浮选的本质，为高效浮选药剂的开发提供理论依据。. 采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了水分子吸附对硫化矿物表面结构弛豫和电子性质的影响，研究结果表明水分子对矿物表面弛豫影响与矿物表面结构有关。二维氢键能够增强疏水矿物表面水分子的吸附作用，对亲水硫化矿物表面水分子吸附能影响较小；水分之间三维氢键的作用削弱了疏水硫化矿物表面原子的弛豫，但对亲水硫化矿物表面的原子弛豫具有增强作用。采用密度泛函理论和微量热测试技术研究了矿物表面亲水和疏水作用。计算结果表明亲水矿物表面以化学作用为主，属于强健作用，固液界面的作用能大于水分子的内聚能，而疏水矿物表面以氢键为主，属于弱键作用为主，固液界面的作用能小于水分子的内聚能。微量热测试结果表明疏水矿物表面的水化作用具有较小的吸附热效应，较大的反应级数和速率常数，亲水矿物表面的水化作用具有较大的吸附热效应，反应级数和速率常数较小，疏水矿物表面的水化速率大于亲水矿物。. 硫化矿物表面氧化模型和机理一直是矿物浮选、冶金、环境和地球化学研究的重点，同位素测试已经证明硫化矿氧化产物硫酸盐的氧来自水分子而不是氧分子。项目采用密度泛函理论模拟了水分子和氧分子在黄铁矿和方铅矿表面的作用过程，提出了水分子和氧分子的共吸附模型。研究结果表明在硫化矿物的氧化过程中氧分子的解离对矿物表面硫原子与水分子氧原子之间的作用具有决定性影响，氧分子在矿物表面解离时能够夺取水分子的氢原子形成氢氧根，从而实现水分子的完全解离，同时更容易在矿物表面形成稳定的吸附产物，即金属氢氧化物和硫酸盐。. 固液界面下药剂分子的吸附是矿物浮选的前提和基础，采用密度泛函理论模拟了水分子对药剂分子吸附的影响。研究结果表明硫化矿物表面具有显著的“邻近效应”，水分子在矿物表面的吸附对浮选药剂分子的吸附具有非常大的影响，甚至导致浮选药剂分子从清洁表面的化学吸附变为完全不吸附，有水分子的体系更接近浮选实际情况，计算结果也和实际结果相吻合。提出了多分子吸附体系下的吸附强度判据，为水分子存在条件下硫化矿物表面药剂分子吸附提供了判断依据。