基于密度泛函理论的水对黄铁矿和煤表面润湿性机理研究

王成勇, 陈鹏, 谭金龙, 方永城. 基于密度泛函理论的水对黄铁矿和煤表面润湿性机理研究[J]. 矿产综合利用, 2022, (1): 157-163. doi: 10.3969/j.issn.1000-6532.2022.01.021
引用本文: 王成勇, 陈鹏, 谭金龙, 方永城. 基于密度泛函理论的水对黄铁矿和煤表面润湿性机理研究[J]. 矿产综合利用, 2022, (1): 157-163. doi: 10.3969/j.issn.1000-6532.2022.01.021
Wang Chengyong, Chen Peng, Tan Jinlong, Fang Yongcheng. Study on Water Wettability Mechanism of Pyrite and Coal Surfaces Based on Density Functional Theory[J]. Multipurpose Utilization of Mineral Resources, 2022, (1): 157-163. doi: 10.3969/j.issn.1000-6532.2022.01.021
Citation: Wang Chengyong, Chen Peng, Tan Jinlong, Fang Yongcheng. Study on Water Wettability Mechanism of Pyrite and Coal Surfaces Based on Density Functional Theory[J]. Multipurpose Utilization of Mineral Resources, 2022, (1): 157-163. doi: 10.3969/j.issn.1000-6532.2022.01.021

基于密度泛函理论的水对黄铁矿和煤表面润湿性机理研究

  • 基金项目: 贵州省教育厅青年科技人才成长项目(黔教合KY字[2017]263号);贵州省重点支持学科项目(黔学合字ZDXK[2016]24号);六盘水师范学院硕士学位培育点项目(LPSSYSSDPY201702)
详细信息
    作者简介: 王成勇(1987-),男,硕士,讲师,主要从事矿物工程与物质分离研究
  • 中图分类号: TD94

Study on Water Wettability Mechanism of Pyrite and Coal Surfaces Based on Density Functional Theory

  • 浮选建立在矿物表面润湿性差异之上,为了研究水对黄铁矿和煤表面的润湿机理,构建了黄铁矿和理想化的煤表面模型,并采用密度泛函理论(DFT)分析了水分子和氧分子在黄铁矿和理想化的煤表面上的吸附。结果表明:黄铁矿表面的电子性质活跃,表面Fe与S原子均有未成键的悬挂键,使得黄铁矿表面对水具有较强的吸附活性;水分子在黄铁矿表面各吸附位的吸附能均为负值,底部对硫穴位为水分子吸附的最稳定构型(吸附能为−87.42 kJ/mol);氧分子在黄铁矿表面吸附时会发生解离,但其对已吸附的水分子影响较小。理想化的煤表面原子的配位数与体相相同,且表面对电子的束缚较强,使得理想化的煤表面吸附活性较弱;水分子在各吸附位的吸附能均为正值,说明水分子难以吸附在理想化的煤表面上;氧分子在理想化的煤表面上吸附时未发生解离,且将已吸附的水分子排离表面。因此,黄铁矿表面具有较强的亲水性,而理想化的煤表面具有较强的疏水性。

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  • 图 1  黄铁矿表面、煤表面、水分子和氧分子模型

    Figure 1. 

    图 2  黄铁矿和煤表面态密度

    Figure 2. 

    图 3  水分子在黄铁矿表面上的平衡吸附构型

    Figure 3. 

    图 4  水分子在煤表面上的平衡吸附构型

    Figure 4. 

    图 5  黄铁矿和煤表面吸附水分子的电子密度

    Figure 5. 

    图 6  氧气分子在已吸附水分子的黄铁矿表面的平衡吸附构型

    Figure 6. 

    图 7  氧气分子在已吸附水分子煤表面的平衡吸附构型

    Figure 7. 

    图 8  氧气-水分子竞争吸附的电子密度

    Figure 8. 

    表 1  黄铁矿和煤表面原子位移和配位数

    Table 1.  Atomic displacement and coordination on the surface of pyrite and coal

    矿物原子配位数原子位移/Å
    Δx△y△Z
    黄铁矿 Fe1 5 −0.362 −0.005 −0.122
    Fe2 5 0.036 −0.004 −0.121
    S1 4 −0.003 0.024 0.007
    S2 4 0.003 0.024 0.007
    S3 3 0.029 0.089 −0.044
    S4 3 −0.03 0.089 −0.045
    C1 3 −0.015 0.008 0.062
    C2 3 −0.015 0.007 0.063
    C3 3 −0.015 0.008 0.062
    C4 3 −0.014 0.007 0.063
    C5 3 −0.015 0.008 0.062
    C6 3 −0.014 0.007 0.063
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    表 2  水分子在黄铁矿和煤表面上的吸附能

    Table 2.  Adsorption energy of water molecule on pyrite and coal

    矿物吸附位吸附能/(kJ·mol−1)
    黄铁矿硫顶位−9.17
    铁顶位−38.79
    底部对硫穴位−87.42
    顶部对硫穴位−6.95
    对碳穴位26.85
    碳顶位27.44
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    表 3  氧分子在已吸附水分子的矿物表面上的吸附能

    Table 3.  Adsorption energy of oxygen molecule on the mineral surface adsorbed by water molecule

    矿物吸附位吸附能/(kJ·mol−1)
    黄铁矿底部对硫穴位−224.71
    平行硫铁键−187.47
    对铁穴位−499.31
    邻碳位87.24
    间碳穴位−26.75
    对碳穴位−24.69
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出版历程
收稿日期:  2020-04-13
修回日期:  2020-05-18
刊出日期:  2022-02-25

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