黄铁矿(FeS2)是地壳中存在最为广泛的硫化矿,常常与有色金属硫化矿共伴生,是铁硫资源的重要矿物,也是一些贵金属或稀有金属资源的主要载体矿物。因此,黄铁矿与其它矿物的分离(抑制)和其中有价资源的综合利用(上浮)问题一直是矿物加工工程领域的研究热点。然而浮选实践证明,不同矿床黄铁矿的可浮性往往不一样,这种可浮性差异的存在往往会导致黄铁矿的分离或浮选指标不尽如人意。由于浮选体系的复杂性,以及分析测试技术的局限性,使得人们对造成这种可浮性差异的原因还没有获得比较全面和统一的认识,依然存在着许多未解决的问题。致使黄铁矿的高效分离和资源综合利用受到制约。晶体化学理论认为,黄铁矿晶体在生长的过程中,不可能按理想晶型的点阵排列规则地发育,在晶体内部出现各种缺陷。微观方面,晶格点阵中的原子取代、间隙原子、原子对称性变化将会改变黄铁矿的晶体性质,进而影响其浮选行为,特别是多种缺陷同时存在,会造成相互影响；从宏观角度,黄铁矿晶体在成岩作用中会形成错位、微裂隙、空洞等宏观缺陷,这些缺陷在形成的过程中会捕获成矿流体,而成矿流体的释放将会向矿浆引入“难免离子”,进而影响黄铁矿的可浮性。不同矿床由于成矿环境不同,造成黄铁矿晶体中的缺陷不一样,进而导致对黄铁矿可浮性的影响程度不同。因此,黄铁矿晶体缺陷的存在是造成不同矿床黄铁矿存在可浮性差异的关键因素之一。而这些方面的研究都是非常缺乏的。此外,对于了解黄铁矿的这种可浮性差异,深入研究黄铁矿的表面性质以及其表面与浮选药剂作用过程是极其重要的。至今硫化矿浮选理论已得到长足的发展,能够对硫化矿的浮选行为做出很好宏观的解释。但在微观原子级层面,对于矿物表面与浮选药剂的作用过程并不是很清楚,这些细节对于研究黄铁矿存在不同浮选行为的原因至关重要。根据以上缘由,本论文将试验和基于密度泛函理论(DFT)的量子化学计算方法相结合,对黄铁矿晶体缺陷及其表面吸附特性进行深入研究,从新的角度探讨了不同矿床黄铁矿存在可浮性差异的致因,对提高黄铁矿浮选技术水平和丰富浮选基础理论具有十分重要的理论和实践意义。论文应用DFT原理研究了黄铁矿晶体中的微观缺陷对其晶体性质的影响,并深入讨论了对其浮选行为的影响。通过红外紫外显微成像、扫描电子显微分析、高分辨率三维成像分析研究了黄铁矿晶体中宏观缺陷的特征,同时采用ICP-MS和IC等测试方法测定了缺陷中填充物的组份。借助DFT原理和表面原子相表征方法,研究黄铁矿晶体的表面态,包括表面原子的电子结构以及表面特性。最后应用Zeta电位测定、EDTA萃取、吸附量测定、浮选试验以及量子化学计算等手段和方法,研究了黄铁矿表面对溶液中活性组份的吸附特性及其浮选行为的变化规律。主要得出以下结论：研究表明微观缺陷对黄铁矿的晶体性质产生了显著的影响。相对于理想晶型的黄铁矿,As取代使得黄铁矿的半导性和稳定性减弱；而Co取代或间隙Au的黄铁矿半导性和稳定性明显增强。黄铁矿的抑制难度及表面生成双黄药的容易程度呈现出As取代<理想晶型<Co取代<间隙Au的趋势。对含两种或者两种以上微观缺陷的黄铁矿的晶体性质进行了研究。结合之前单一缺陷的研究结果,得到黄铁矿的抑制难度及表面生成双黄药的容易程度呈如下趋势：As取代<理想晶型<As取代和Co取代<Co取代黄铁矿<As取代和间隙Au<间隙Au<As、Co取代和间隙Au<Co取代和间隙Au。结果表明缺陷之间对黄铁矿晶体性质及可浮性的影响存在着交互作用。黄铁矿晶体的原子对称性对其电子结构的影响不大,但对其反应活性有显著影响。研究结果表明空间对称性为Pa3的黄铁矿反应活性强,容易被氧化而被抑制；空间对称性为Pca21黄铁矿反应活性弱,难以被抑制。黄铁矿微观缺陷的存在是导致不同矿床黄铁矿存在可浮性差异的关键因素之一黄铁矿晶体中存在许多圈封的宏观缺陷,例如空洞,位错和显微裂隙。这些缺陷大小从几微米到几十微米不等,或成群分布,或单个产出,形状多为椭圆形、长条形和不规则形状等,向各个方向延伸。宏观缺陷特征显示缺陷中由成矿流体填充。试验证明,矿物在碎磨时,圈封的缺陷也随之被打开,释放其中的成矿流体。经检测流体中广泛存在氯离子和硫酸根离子,而且存在着大量的成矿元素离子。相对于硫化矿自身的溶解,宏观缺陷中流体所释放的离子对矿浆中的难免离子有着优势性的贡献。黄铁矿连生体石英中同样存在的大量大小不同、形状各异和分布不同的宏观缺陷,缺陷中主要被气相和液相的混合相填充。缺陷中流体组份的种类与共生的黄铁矿保持一致。通过对比威信和大坪掌两个地区的黄铁矿及其连生体石英晶体宏观缺陷中流体所释放的组份,得出缺陷中的化学组成与成矿条件(成矿元素)有着紧密联系。黄铁矿新生表面的原子由于其价键的断裂,存在静电效应,产生弛豫现象,其主要是硫原子向表面外弛豫,而铁原子向晶格内部弛豫。弛豫现象使黄铁矿表面呈“富硫”状态。黄铁矿表面Fe原子的3d轨道在晶体场中进一步分裂,产生了两个新的表面态,主要位于价带上部和导带,结合分子轨道理论,得到黄铁矿参与的氧化还原反应主要是在铁位上。此外,黄铁矿表面的半导性与体相有本质的区别,表面的带隙值极小,已接近导体性质。这将决定了其与浮选药剂作用的机理。黄铁矿晶体宏观缺陷中的流体组份,主要是一些阳离子,释放后能改变溶液的pH值,并能吸附在黄铁矿的表面改变其表面电性。由于不同矿床黄铁矿宏观缺陷中流体组份的种类和数量的差异,造成对溶液的pH值和黄铁矿表面电性影响程度有所不同。这将造成不同矿床的黄铁矿可浮性不一样。研究表明水分子在黄铁矿(100)面上的吸附以氧端在铁位上的吸附最为稳定,吸附对表面邻近的硫原子有微弱的氧化作用,使得黄铁矿具有一定的天然疏水性；氢氧根离子在黄铁矿(100)面上的吸附以氧端在铁位上的吸附最为稳定,氢氧根离子中的氧对铁原子的氧化具有重要贡献。黄铁矿表面与铜、铅或钙离子均有相互作用。三种离子在黄铁矿表面的吸附都没有形成取代。铜离子在黄铁矿表面生成了稳定的铜硫化物和氢氧化物；与铜离子不同,铅离子在黄铁矿表面难以生成铅的硫化物,主要以氢氧化物的形式存在；而钙离子在表面的作用为主要为物理吸附。铜、铅或钙离子与黄铁矿表面产生相互作用后对黄铁矿的可浮性产生了影响,尤其在碱性条件下。铜离子或铅离子能在一定程度上活化黄铁矿。一方面,离子吸附后氧化了黄铁矿表面的硫原子,使其有生成硫单质的趋势,同时减少了表面铁氢氧化物的生成量。另一方面,离子吸附后增加了黄铁矿表面黄药吸附层的稳定性；钙离子的存在能促进黄铁矿的抑制,主要是使黄铁矿表面铁氢氧化物的生成量升高,同时降低黄铁矿表面黄药吸附层的稳定性。研究结果说明黄铁矿对矿浆中活性组份的吸附,是改变黄铁矿浮选行为的关键因素之一。