黄铜矿表面性质及CN~-在其表面吸附的密度泛函理论研究

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我国金银矿山氰化尾渣中的黄铜矿由于受到氰化物的强烈抑制,未能有效地综合回收,造成了严重的资源浪费和环境污染问题,且目前我国对氰化尾渣中铜资源的综合利用水平较低,关于黄铜矿氰化抑制机理的研究不足,为这部分铜矿物的回收带来困难。论文采用基于密度泛函理论的平面波赝势法,系统地研究了黄铜矿表面性质及氰根离子的吸附,讨论了CN-在其表面的吸附机理,并采用单矿物浮选试验、XPS测试对密度泛函理论计算结果进行了验证分析。密度泛函理论研究结果显示,黄铜矿晶体属于直接带隙的p型半导体,Fe原子与Cu原子的化合价之比接近3:1,S-Fe键的稳定性较S-Cu键高。结构优化后,黄铜矿(0 0 1)-M、(0 0 1)-S、(1 1 2)-M、(1 1 2)-S和(1 1-2)-M面都发生了明显的表面重构现象,仅(1 1-2)-S面发生小幅的表面驰豫,表面重构使黄铜矿表面生成了S22-和Sn2-,并出现不同程度的S元素富集现象,使黄铜矿表现出良好的天然可浮性。在各计算表面中,黄铜矿(1 1 2)-M面的表面能最低,具有较高的热力学稳定性,因此(1 1 2)-M面是黄铜矿的最稳定解理面。CN-能够自发地吸附在黄铜矿(1 1 2)-M面上,其中最稳定的吸附位点为表面Fe-Fe穴位,吸附能达-335.90 kJ/mol,为化学吸附。氰根离子通过C原子与黄铜矿表面的Fe原子相互作用,C原子的2s轨道与Fe原子的4s轨道和4p轨道形成共价s键,Fe原子3d轨道的电子转移到C原子上,占据了C原子空的反键p轨道,形成d-p反馈p键。单矿物浮选结果表明,当氰化钠浓度较低时,对黄铜矿的浮选影响较小,当氰化钠浓度达到0.8%时,黄铜矿的浮选回收率下降到20%以下,对其产生了强烈的抑制作用。黄铜矿回收率随着浸出时间的延长出现小幅增长的趋势,这主要是由于黄铜矿表面Cu2+的溶解,消耗了一部分氰化钠,对黄铜矿产生了一定的活化作用。XPS分析结果表明,黄铜矿各原子化合价构型为Cu+Fe3+(S2-)2,且黄铜矿表面存在S22-和Sn2-,这与黄铜矿表面性质的理论计算结果相一致。氰化钠在黄铜矿表面吸附后,表面O元素的相对含量大幅降低,表明氰化钠的吸附阻碍了氧分子与矿物表面的作用。氰化钠能够与黄铜矿表面的金属原子形成亲水性物质铁氰络合物和氰化亚铜,并且优先与Fe原子作用,当氰化钠浓度较高时,能够与表面Cu原子反应,对黄铜矿产生显著的抑制作用。
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