摘要
由于菱锰矿与伴生碳酸盐矿物的晶体结构与表面性质十分相似，其浮选体系组分复杂多元，菱锰矿及其伴生矿物表面趋同，导致菱锰矿与伴生碳酸盐矿物难以有效浮选分离。因此，本文采用量子化学的方法开展菱锰矿及其伴生矿物菱镁矿、方解石等矿物的晶体结构及其表面性质的研究，揭示多组元复杂浮选体系下菱锰矿及其伴生矿物表面性质趋同的机理，为菱锰矿与伴生碳酸盐矿物的有效浮选分离提供理论指导。主要研究内容及结果如下： 采用MS中Castep模块，选取交换关联函数GGA-RPBE、截断能为300eV时采用密度泛函第一性原理对菱锰矿、菱镁矿以及方解石三种矿物晶体结构、能带结构、态密度、布居数等进行研究和比较分析。研究表明，三种矿物均属三方晶系，晶体结构相似，菱锰矿属于半导体矿物，而方解石与菱镁矿则属于绝缘体矿物。菱锰矿晶体结构中，Mn-O键布居值最小、键长较长，具有较强的离子性，易断裂；而方解石与菱镁矿的Ca-O键与Mg-O键离子性较强，易断裂。三种矿物的表面能计算表明，菱锰矿的（110）面、方解石的（104）面以及菱镁矿（104）面表面能最低，易解离，且三种矿物表面断裂键分别为Mn-O键、Mg-O和Ca-O键，解理后表面上的Mn2+、Mg2+以及Ca2+为吸附位点。 采用MS中Castep模块对三种碳酸盐矿物表面与水分子之间的吸附作用进行研究。通过吸附能、态密度以及键布居分析得知，水分子在三种矿物上均具有吸附能力，说明三种矿物均属于亲水性矿物，但水分子的吸附位点却不相同，菱锰矿表面穴位上O原子与水分子中的O原子发生了O-O共价成键作用，成为最稳定的吸附构型；而在菱镁矿与方解石上则主要是在桥位上产生吸附，方解石表面桥位上O原子和Ca原子与水分子中的O原子形成O-O键及O-Ca键，吸附能最小，构型最稳定；菱镁矿表面顶位O原子与水分子中的O原子形成O-O共价键，吸附能最小，构型最稳定。 通过实验和模拟计算，研究了难免离子Mn2+、Ca2+以及Mg2+对三种矿物表面的影响。Mn2+在三种矿物表面形成不稳定的O-Mn键，几乎无影响；而Ca2+、Mg2+与三种矿物表面的O原子形成稳定的O-Ca、O-Mg键，说明Ca2+、Mg2+的存在使得菱锰矿与菱镁矿、方解石矿物表面趋同。 研究了油酸阴离子在三种矿物表面的吸附以及难免离子对矿物表面吸附的影响。在没有难免离子干扰的情况下，油酸阴离子能较好地吸附在三种矿物表面。当添加难免离子后，Ca2+、Mg2+优先与油酸阴离子形成稳定O-Ca键和O-Mg键，而Mn2+则无明显成键作用。态密度分析表明，Ca2+、Mg2+与油酸阴离子的O2p轨道产生重叠，杂化成键，而Mn2+则没有。因此Ca2+、Mg2+消耗油酸阴离子而对菱锰矿浮选有抑制作用，而Mn2+则几乎无抑制作用。计算结果说明，三种难免离子作用存在顺序性，因此在加入合适的抑制剂后能对三种矿物进行两两分离。
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