硫铁矿浮选的晶体化学及微热动力学研究

Iron sulfide minerals including pyrite, marcasite and pyrrhotite generally occur in nonferrous sulfide ore and sulfur-containing coal deposits. The differences in chemical composition and crystal structure of iron sulfides would lead to a great difference in the flotation behaviors, which make the separation and recovery of iron sulfides difficult. The influences of crystal structure on the reactivity of surface atom, surface electronic stucture, oxidation and adsorption of flotation reagent of iron sulfides are studied by using the density functional theory.In addition,the thermodynamic and dynamic behaviors for the reaction betwee the flotation reagent and the iron sulfides with different crystal structure are studied by thermol dynamics theory based on the microcalorimetry, and the micro thermoldynamic models of adsorption of reagent on the iron sulfides are established. The essential differences in the flotability of iron sulfides with different crystal types and chemical composition are discussed from both micro and macro aspects. The research results are of great theoretical siganificance and may provide the guidance to the flotation of nonferrous sulfide and desulphurization of sulfur-containing coal.

以黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿为代表的硫铁矿物普遍存在于有色金属硫化矿和含硫煤矿中。由于他们的化学组成和晶体结构不同，导致了这三种硫铁矿物的浮选行为差异很大，增加了硫铁矿浮选分离和回收的难度。本项目以不同晶体类型的硫铁矿物为研究对象，采用密度泛函理论，从微观层次上系统研究晶体结构对黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿三种硫铁矿物表面原子反应活性、表面电子结构、表面氧化和浮选药剂分子吸附性能的影响；采用基于微量热技术的热动力学理论，研究不同晶体结构的硫铁矿表面与药剂相互作用的热力学和动力学行为，建立不同晶体结构的硫铁矿表面药剂吸附的微热动力学模型。从微观和宏观两个层次阐述不同晶体类型及化学组成的同一种硫铁矿物可浮性变化的本质原因,建立晶体结构与硫铁矿物可浮性的关系。研究结果对于有色金属硫化矿浮选分离和煤矿脱硫具有重要的理论意义和指导价值。

黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿是三种典型的硫铁矿物，在有色金属硫化矿的浮选分离中普遍存在这三种硫铁矿的浮选和抑制问题。这三种硫铁矿虽然组成元素相同，化学式相近，但是它们在晶体结构，物理化学性质和浮选行为等方面具有明显的不同。本项目采用固体物理理论、密度泛函理论和微量热方法，从晶体化学角度研究晶体结构对硫铁矿浮选行为和吸附特性的影响。根据矿物晶体学构建不同晶型和晶面的黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿表面模型，采用基于密度泛函理论的量子化学方法研究这三种硫铁矿的晶体结构与其表面性质及浮选药剂吸附性能的关系。研究结果表明，黄铁矿、白铁矿和磁黄铁矿最稳定的晶面分别为（100）、（101）和（010）面, 三种矿物费米能级附近的表面态主要由铁原子贡献，表明铁原子为表面反应的活性点。氧分子在三种硫铁矿表面吸附都发生了解离，其中氧气在磁黄铁矿表面的吸附最强，其次是白铁矿，最弱的是黄铁矿。黄药在硫铁矿表面都发生了较强的化学吸附，作用方式是黄药的两个硫原子吸附在表面铁原子上。黄药与雌黄铁矿的相互作用最强，其次是黄铁矿，白铁矿最弱。氰化物分子在黄铁矿表面的吸附是通过碳原子与表面铁原子作用，而在白铁矿表面则是通过碳原子与表面硫原子作用，氮原子吸附在表面铁原子上发生作用，因此氰化物在白铁矿表面的吸附要强于在黄铁矿表面的吸附。羟基钙在硫铁矿表面吸附模拟研究表明，羟基钙中的羟基基团不仅吸附在表面铁原子上，钙还强烈吸附在穴位上，覆盖了硫铁矿表面部分硫原子，大大地减少了黄药的吸附活性位，从而抑制了捕收剂在硫铁矿表面的吸附。项目研究结果对于有色金属硫化矿浮选分离和煤矿脱硫具有重要的理论意义和指导价值。