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硫化铜矿物是铜矿资源的主要来源,常见的硫化铜矿物有黄铜矿、辉铜矿、铜蓝和斑铜矿。硫化铜矿物的选别方法主要为浮选法,在硫化铜矿物浮选实践中,这几种矿石一般都比较好选,但由于一种铜矿石中常常含有几种硫化铜矿物,由于这些铜矿物具有不同的晶体结构,同种硫化铜矿物又含有不同的晶格缺陷,导致它们在铜含量、与氧和捕收剂的相互作用机理以及浮选最佳pH的要求等方面都存在着一定的差异,矿石中铜矿物种类对选矿指标有一定的影响,有时甚至影响很大。研究硫化铜矿物电子结构,对于进一步查清电子结构对硫化铜浮选行为影响的本质具有重要意义。本文使用基于密度泛函理论的CASTEP软件,采用平面波赝势方法,计算了理想黄铜矿、辉铜矿、铜蓝、斑铜矿以及辉铜矿和铜蓝晶格缺陷的电子结,构性质,分别从能带结构、电子态密度、差分电荷密度、Mulliken布居、费米能级、前线轨道等几个方面研究四种硫化铜矿物电子结构,并讨论了硫化铜矿物电子结构与其可浮性之间的关系。计算结果表明:
(1)黄铜矿为直接带隙p型半导体,禁带宽度0.99eV,而辉铜矿、铜蓝、斑铜矿价带和导带相交,具有金属导电性。
(2)铁原子在辉铜矿和铜蓝中的形成能低于银原子在这两种矿物中的形成能,说明铁杂质比银杂质更容易在这两种矿物中形成。掺入银杂质使辉铜矿和铜蓝的晶格常数变大,而铁杂质使辉铜矿和铜蓝的晶格常数变小。
(3)铁和银原子掺杂对辉铜矿和铜蓝能带结构形状都无明显影响,含银辉铜矿的杂质能级出现在-7.0eV附近,含银铜蓝杂质能级出现在-3.5eV附近,辉铜矿和铜蓝的铁杂质能级主要出现在费米能级附近。
(4)在掺杂辉铜矿和铜蓝中Fe-S键的电荷密度高于Cu-S键,电荷密度重叠区增强,布居数增大,键长变短;而在掺杂辉铜矿和铜蓝中Ag-S键电荷密度低于Cu-S键,电荷密度重叠区减弱,布居数减小,键长变大。
(5)黄药的费米能级高于黄铜矿,电子可以传递到黄铜矿表面,在黄铜矿表面被氧化为双黄药;黄药的费米能级低于辉铜矿、铜蓝、斑铜矿,电子不能传递到矿物表面,黄药在辉铜矿、铜蓝、斑铜矿表面生成黄原酸铜。
(6)黄铜矿费米能级附近主要由Fe原子和S原子贡献组成,Fe原子和S原子具有较高活性;辉铜矿、铜蓝、斑铜费米能级附近主要由Cu原子和S原子贡献组成,这三种矿物Cu原子和S原子的活性较高。
(7)用前线轨道理理论解释了硫化铜矿物被氧化难易的差别。氧化性从易到难的顺序为:辉铜矿>斑铜矿>黄铜矿>铜蓝。