硫铁矿是生产硫的重要化学矿物原料,在农业、工业以及国民经济发展中占据重要地位,另外作为硫化矿中最为常见的脉石矿物之一,常常遇到硫铁矿与其它矿物的浮选分离。黄铁矿和白铁矿是硫铁矿中最具代表性的矿物,两者虽然具有相同的化学组成,但由于晶体结构不同使得它们呈现出不同的物理化学性质,导致其氧化和浮选行为存在差异。本文基于密度泛函理论和配位化学原理,研究了黄铁矿和白铁矿的微观氧化机制和浮选药剂吸附机理。主要研究结果如下:(1)黄铁矿晶体中的Fe―S键长均等,而白铁矿晶体中有两类不同键长的Fe―S键,其中一类的共价性极强,但S―S键极弱,共价性极低。黄铁矿(100)和白铁矿(010)表面为最稳定的解理面,其中黄铁矿表面Fe原子为5配位,S原子为3配位,而白铁矿表面Fe原子呈4配位,S原子呈2配位。白铁矿中表层Fe和S原子弛豫程度较黄铁矿大。态密度计算表明,白铁矿表面Fe原子的活性大于黄铁矿表面。另外,黄铁矿表面Fe原子无自旋,而白铁矿表面铁原子的自旋值为0.12(?),说明两者的π电子结构有差异,根据配位化学理论,黄铁矿表面Fe原子3d轨道有三对π电子对,而白铁矿表面Fe原子的π电子对低于三对。(2)H₂O和O₂分子吸附研究表明,H₂O在白铁矿表面的吸附强于黄铁矿表面,说明白铁矿表面更亲水,同时O₂在白铁矿表面的解离吸附也强于黄铁矿表面。H₂O-O₂共吸附结果显示,在黄铁矿表面上有O₂存在且在Fe位解离时,H₂O在S位解离吸附,而O₂在S位解离时,H₂O未解离;对于白铁矿,O₂解离吸附在Fe位和S位,H₂O以分子形式吸附在Fe位上。在多水-氧体系下,黄铁矿表面氧化形成铁氧化物和易游离的SO_x基团,而白铁矿表面的氧化产物为Fe SO₄和SO_x^2-基团。值得注意的是,氧化过程中白铁矿表面上的S―S键极易断裂。(3)研究了黄药、黑药和双黄药在黄铁矿和白铁矿表面的吸附作用,发现表面Fe―Fe空位为捕收剂吸附的最优位点,并且同一药剂分子在白铁矿表面吸附强于黄铁矿表面。不同碳链长度黄药对黄铁矿的吸附影响不大,而白铁矿则随着黄药碳链长度的增长吸附逐渐增强;双黄药在白铁矿表面发生解离吸附,在黄铁矿表面为分子吸附,其吸附能仅为-16.42 k J/mol。黑药在黄铁矿表面的吸附远远弱于在白铁矿表面的吸附。当捕收剂吸附在黄铁矿表面时,Fe原子价电子层轨道d²²_x-y和d_xy为主要参与轨道;而白铁矿的主要参与轨道为d_z~2轨道。三种捕收剂在两者表面的吸附从强到弱为:黄药>黑药>双黄药。(4)对石灰、氢氧化钠、硫化钠和氰化物在黄铁矿和白铁矿表面的吸附研究发现,主要为抑制剂离子中的O、S、C原子与表面Fe原子作用成键,从而使抑制剂离子吸附在矿物表面。同一抑制剂对白铁矿的抑制作用强于黄铁矿,而氰化物对黄铁矿的抑制作用强于白铁矿,且石灰中Ca²⁺对抑制作用强弱具有一定影响。(5)氰化物作用的差异:根据浮选配位化学原理,CN^-离子中的空π轨道可以接受金属离子的π电子对,而黄铁矿表面的Fe原子d轨道有三对π电子,白铁矿表面Fe原子d轨道的π电子对少于三对,因此CN^-与黄铁矿的作用强于白铁矿。