N, O, S取代2-巯基苯基黄铜矿捕收剂性质影响的第一性原理研究

胡晓蓉, 罗雅婧, 陈建华, 许大洪, 全柏飞. N, O, S取代2-巯基苯基黄铜矿捕收剂性质影响的第一性原理研究[J]. 矿产保护与利用, 2022, 42(1): 45-51. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2022.01.007
引用本文: 胡晓蓉, 罗雅婧, 陈建华, 许大洪, 全柏飞. N, O, S取代2-巯基苯基黄铜矿捕收剂性质影响的第一性原理研究[J]. 矿产保护与利用, 2022, 42(1): 45-51. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2022.01.007
HU Xiaorong, LUO Yajing, CHEN Jianhua, XU Dahong, QUAN Baifei. First-principles Study on the Effect of N, O, S Substituted 2-Mercaptophenyl Collectors[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2022, 42(1): 45-51. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2022.01.007
Citation: HU Xiaorong, LUO Yajing, CHEN Jianhua, XU Dahong, QUAN Baifei. First-principles Study on the Effect of N, O, S Substituted 2-Mercaptophenyl Collectors[J]. Conservation and Utilization of Mineral Resources, 2022, 42(1): 45-51. doi: 10.13779/j.cnki.issn1001-0076.2022.01.007

N, O, S取代2-巯基苯基黄铜矿捕收剂性质影响的第一性原理研究

  • 基金项目:
    国家自然科学基金项目(51874106);区域创新发展联合基金项目(U20A20269)
详细信息
    作者简介: 胡晓蓉, 女, 广西富川人, 在校本科生
    通讯作者: 陈建华(1971-), 男, 四川西昌人, 教授, 博士生导师, 主要从事浮选理论与工艺、矿物浮选量子化学、矿产资源综合利用等研究, E-mail: jhchen@gxu.edu.cn
  • 中图分类号: TD923+.13;TD952.1

First-principles Study on the Effect of N, O, S Substituted 2-Mercaptophenyl Collectors

More Information
  • 采用密度泛函理论分析了2-巯基苯并噻唑(MBT)、2-巯基苯基恶唑(MBO)和2-巯基苯基咪唑(MBI)三种螯合捕收剂的电子结构, 系统地研究了分别取代N、O、S原子对捕收剂的性质的影响。研究结果表明: MBO费米能级附近主要由硫原子贡献组成, S1、S2原子具有较高活性, 表现出更强的电子活性, 说明MBO的捕收性和选择性比其他两种捕收剂的都强。通过前线轨道计算可知MBO与矿物的相互作用最强, 其结果很好地解释了三种螯合捕收剂发生作用的差别。试验中三种螯合捕收剂浮选黄铜矿和黄铁矿时, MBO、MBT、MBI对黄铜矿的回收率依次为88%、63%、42%, 对黄铁矿的回收率都小于20%, 浮选回收率最好的药剂为MBO。因此取代O原子的捕收剂MBO对黄铜矿的选择性最好, 捕收能力更强, 浮选回收率也更高。研究结果为进一步认清黄铜矿和黄铁矿的可浮性差异及新药剂开发提供了理论指导参考。

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  • 图 1  几何优化后的捕收剂分子结构

    Figure 1. 

    图 2  黄铁矿晶体的单胞模型(a)和黄铜矿晶体的单胞模型(b)

    Figure 2. 

    图 3  三种螯合捕收剂的亲核指数

    Figure 3. 

    图 4  三种捕收剂的结构以及HOMO形状和能量

    Figure 4. 

    图 5  三种捕收剂的结构以及LUMO形状和能量

    Figure 5. 

    图 6  MBT、MBO和MBI三种螯合捕收剂中硫原子S1和S2的态密度

    Figure 6. 

    图 7  MBT、MBO和MBI三种螯合捕收剂中硫原子S1和S2的态密度

    Figure 7. 

    图 8  在用MBT、MBO和MBI浮选黄铜矿和黄铁矿时,杂化原子的改变对浮选回收率的影响

    Figure 8. 

    表 1  三种捕收剂几何结构优化后的性质参数

    Table 1.  Property parameters of the three collectors after geometric structure optimization

    COLLECTOR Bond length/Å Bond angle/Å
    R(C—S1) R(C—S2) R(C—X) ∠(S1-C-S2) ∠(S1-C-X) ∠(S2-C-X)
    MBT(X=N) 1.799 1.809 1.527 124.990 110.042 124.917
    MBO(X=O) 1.830 1.810 1.536 111.099 113.059 111.181
    MBI(X=S3) 1.824 1.810 1.824 113.820 111.168 113.821
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    表 2  三种捕收剂部分原子的Mulliken电荷布居的变化局部图

    Table 2.  Local plot of Mulliken charge placement of partial atoms of three traps

    捕收剂 原子 价轨道电子数 总电
    子数
    电荷/e
    s p
    H 0.70 0.00 0.70 0.30
    C 1.26 2.90 4.16 -0.16
    N 1.72 3.64 5.36 -0.36
    S1 1.79 3.87 5.66 0.34
    S2 1.81 4.21 6.02 -0.02
    H 0.66 0.00 0.66 0.34
    C 1.33 2.92 4.25 -0.25
    O 1.86 4.59 6.45 -0.45
    S1 1.81 3.99 5.80 0.20
    S2 1.81 4.26 6.07 -0.07
    H 0.71 0.00 0.71 0.29
    C 1.40 3.20 4.60 -0.60
    S3 1.81 4.29 6.11 -0.11
    S1 1.80 3.99 5.79 0.21
    S2 1.80 3.99 5.79 0.21
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    表 3  MBT、MBO和MBI前线轨道系数

    Table 3.  Front-line track coefficients of MBT, MBO and MBI

    螯合剂 前线轨道 轨道系数
    MBT HOMO 0.000001H 1s,0.000231C 2p
    0.00006N 2p,0.669883S 2p
    LUMO 0.013480H 1s,0.308336C 2s
    0.516410N 2s,0.172697S 3s
    MBO HOMO 0.000014H 1s,0.000364C 2p
    0.000416O 2s,0.816765S 2p
    LUMO 0.002155H 1s,0.027024C 1s
    0.122496O 2p,0.014348S 3p
    MBI HOMO 0.00003H 1s,0.000449C 2p,0.860291S 2p
    LUMO 0.027894H 1s,0.035461C 2p,0.040072S 3p
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    表 4  矿物及三种捕收剂的前线轨道能量

    Table 4.  Frontier orbital energies of minerals and three collectors

    前线轨道能量/eV 黄铜矿轨道能量差/eV 黄铁矿轨道能量差/eV
    HOMO LUMO ΔE1 ΔE2 ΔE1 ΔE2
    MBT -5.481 -1.797 3.825 0.598 4.498 0.442
    MBO -4.999 -1.382 4.24 0.116 4.913 0.924
    MBI -4.359 -3.758 1.864 0.524 2.537 1.564
    黄铜矿 -5.622 -4.883 - - - -
    黄铁矿 -6.295 -5.923 - - - -
    注:ΔE1=|E(HOMOMINERAL) -E(LUMOCOLLECTOR)|; ΔE2=|E(HOMOCOLLECTOR) -E(LUMOMINERAL)|。
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出版历程
收稿日期:  2022-02-26
刊出日期:  2022-02-25

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