固液界面是浮选化学反应和药剂吸附发生的主要地方,由于水分子的吸附,硫化矿物表面结构会发生重构,形成不同于理想硫化矿物表面的固液界面体系。固液界面的结构及性质决定了硫化矿物基本浮选行为。本文采用基于密度泛函理论的量子化学方法,研究了水分子吸附对硫化矿物表面结构和性质的影响,水分子在亲水和疏水矿物表面的吸附行为,以及固液界面体系下水分子对硫化矿物表面氧化和捕收剂分子吸附的影响。主要研究结果如下:(1)硫化矿物表面构型和表面原子弛豫黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、辉钼矿、辉锑矿和辉铜矿的表面模型分别由9层,10层,8层,4层,4层和7层原子构成,所有表面模型真空层都是15 A。六种硫化矿物表面都有不同程度的弛豫,但没有发生表面重构现象。矿物表面都发现悬挂键及不饱和化学键。(2)水分子吸附对硫化矿物表面结构弛豫和电子性质的影响水分子吸附能够导致硫化矿物表面原子发生不同程度的弛豫。水分子吸附硫化矿表面对于天然可浮性较好的辉钼矿和辉锑矿表面原子态密度几乎没有影响,辉铜矿表面原子态密度有一定影响;方铅矿、闪锌矿和黄铁矿吸附水分子后,表面原子态密度在费米能级附近都发生了的变化,其中以黄铁矿的变化最大,表明水分子吸附对天然可浮性较差的硫化矿物表面电子性质影响比较大。疏水性矿物(如辉钼矿和辉锑矿)表面原子与水分子之间几乎没有电子转移,Mulliken电荷变化较小;亲水性矿物(如闪锌矿和黄铁矿)表面原子Mulliken电荷变化较大,水分子和矿物表面原子之间存在电子转移,导致矿物表面电子的不平衡和重新分布。水分子吸附后疏水矿物表面原子共价性变强,与水分子作用变弱,在水中矿物表面原子键不易断裂,矿物表面原子不易溶出;亲水矿物表面吸附水分子后原子键的离子性增强,矿物表面在水中原子键容易断裂,导致矿物表面金属离子容易溶出,这与实践结果相吻合。(3)硫化矿物表面亲水性/疏水性和润湿性热动力学行为硫化矿物润湿热的测量结果表明黄铁矿具有亲水性,方铅矿的疏水性比闪锌矿要好,辉钼矿表面强烈疏水,具有很好的天然可浮性。硫化矿物润湿过程动力学参数表明,亲水性矿物(如黄铁矿)的润湿过程比疏水性矿物(如辉钼矿和方铅矿)的润湿过程要慢。亲水性硫化矿物和水分子之间能够发生电子转移,属于化学作用;而疏水性硫化矿物和水分子之间主要以氢键来进行相互作用,属于物理作用。吸附过程中物理吸附明显快于化学吸附,因此以化学作用为主的黄铁矿润湿过程明显比以物理作用为主的辉钼矿润湿过程要慢。(4)二维和三维氢键对硫化矿物表面吸附水分子的影响疏水的方铅矿表面,水分子主要通过H原子与表面的S原子之间形成较强的氢键来进行相互作用,属于物理吸附;而在亲水的黄铁矿表面,水分子则是通过O原子与表面Fe原子相互作用形成Fe-O键来进行相互作用,属于化学吸附。单层水分子吸附在方铅矿(100)表面,形成的二维氢键增强了S...H之间的相互作用,使得S和H之间形成了强氢键作用;多层水分子吸附后,沿着z轴方向水分子之间所形成的三维氢键作用比水分子与方铅矿表面间形成的S...H键作用要强,水分子与方铅矿表面间的相互作用受到了削弱。在黄铁矿(100)表面,无论是单层水吸附形成二维氢键,还是多层水吸附所形成的三维氢键,都使得水分子中O原子的2p轨道活性增强,因而促进了水分子中O 2轨道和黄铁矿表面Fe原子3deg轨道的相互作用。(5)硫化矿物表面氧化作用水氧共吸附模型能使水分子和氧气分子发生解离,进而在方铅矿表面发生氧化作用。氧气分子解离后的两个O和水分子解离后的两个H分别形成了两个OH-,并与方铅矿表面Pb原子相互作用,生成了氧化中间产物Pb-OH;水分子解离后剩下的O原子吸附在方铅矿表面S原子上,形成硫氧化合物S-O。模拟结果与同位素标定实验的硫化产物中O原子大部分主要来自于水分子这一结论相吻合。水氧分子共同吸附在黄铁矿表面的构型,能够非常彻底得解离水分子和氧分子,在黄铁矿表面生成了铁氢氧化物Fe-OH和硫氧化物S-O,计算结果与同位素标定实验结果一致。共吸附构型更利于黄铁矿表面氧化作用的进行,所形成的氧化产物也更稳定。(6)水分子对硫化矿物表面捕收剂分子吸附的影响水分子的存在会影响电子结构,共价键,福井函数以及表面原子活性,从而影响硫化矿物表面与捕收剂分子的相互作用。水分子吸附降低了闪锌矿表面Zn原子与捕收剂分子作用的活性,对方铅矿的影响则较小。无水条件下,清洁的闪锌矿表面都能吸附捕收剂分子,但这与实际浮选实验不符。考虑水分子吸附后,清洁的闪锌矿表面与捕收剂分子则几乎不发生相互作用。水分子存在时,黄药、黑药和硫氮三种捕收剂分子吸附在方铅矿表面的吸附能都比较负,没有出现闪锌矿完全不作用的情况。吸附能数据表明方铅矿表面水分子的存在,增强了硫氮分子的吸附作用,减弱黄药分子的吸附作用,对黑药吸附影响不大。铜活化后,闪锌矿表面的带隙明显变小,且在带隙中出现了杂质能级的,铜活化后的闪锌矿表面比清洁的闪锌矿表面更有活性;铜活化后的闪锌矿表面改变了水分子的吸附作用,闪锌矿表面由铜活化前较强的亲水性变为铜活化后的疏水性,对后续黄药分子的吸附具有重大影响。没有吸附水分子时,黄药吸附在铜活化后闪锌矿表面,是通过表面两个Cu原子和黄药分子的两个S原子来实现相互作用的。而吸附水分子后,黄药分子的一个S原子仍旧吸附在表面的Cu原子上,但另一个S原子则与矿物表面的S原子相互作用。在固液界面体系下,铜活化后的闪锌矿表面,黄药分子具有形成双黄药的倾向。