An investigation of the molecular-level mineral chemistry of metal-bearing pyrite and its electrochemical behaviour under flotation related conditions
Date
2023-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Pyrite (FeS₂) is an iron disulphide mineral found in hydrothermal ore deposits, including gold ore
deposits, each having its unique physicochemical conditions (e.g., pH, temperature, salinity) at
the emplacement site. Pyrite can incorporate several trace elements into lattice sites, making it
an n- or p-type semiconductor in nature. Due to this semiconducting variance, numerous
investigations have observed diverse flotation responses for pyrite from different ore sources.
This study investigates how lattice-incorporated metals (As, Au, Co, and Ni) affect electronic
structure and flotation collector (xanthate) response in an alkaline media. This is done by
compiling a global dataset of pyrite trace element data to understand its trace element signatures
and then utilizing these signatures to guide chemical vapour transport synthesis of high-purity
crystals. This work uses X-ray photoelectron spectroscopy and rest potential analysis to
investigate the impact of metal geochemical type and concentration on pyrite valence bands and
reactivity. Valence band assessments demonstrate that metals in the pyrite lattice shift orbital
contributions and Fermi levels depending on geochemical origin and concentration. The metal's
nature dictates whether it effects valence band contributions around the Fermi level (Au, Co, Ni)
or deeper ones (As). Pyrite's changing chemistry affects its oxidation and interaction with
xanthate collector under alkaline conditions. Pyrites (pure, Co, Ni, and Au + Co-bearing) are noble
and do not induce mineral surface oxidation, while As- bearing pyrite is the least noble and
promotes oxidation. Noble pyrites (pure, Co, and Ni) associated with n-type semiconducting have a
weaker collector interaction than the least noble (As-bearing) associated with p-type. The lack of
dixanthogen on As-bearing pyrite compared to Co- and Ni-bearing pyrite shows that a greater
collector-mineral interaction does not oxidize the collector on the mineral surface. Dixanthogen is
present at low Ni concentrations but absent at higher concentrations, showing that collector
oxidation on the mineral surface depends on metal concentration. Reactivity and electronic
structural trends are correlated. The potency of collector-mineral interactions and the size of
Fermi level variations as a function of metal concentration and geochemical nature are comparable.
This thesis shows how synthetic minerals grown experimentally may answer important questions
regarding the molecular chemistry and reactivity of sulphide minerals like pyrite. This study shows
how metals impact pyrite's valence band contributions and how they affect the collector
interaction. The behavior of pyrite with a xanthate collector gives important knowledge that may be
used to adjust flotation collectors to best show minerals' selectivity and reactivity independent
of
their semiconducting qualities controlled by chemistry.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Piriet (FeS₂) is 'n ysterdisulfiedmineraal wat in hidrotermiese ertsafsettings voorkom, insluitend goudertsafsettings, wat elk sy unieke fisies-chemiese toestande (bv. pH, temperatuur, soutgehalte) by die plek waar dit geplaas word, het. Piriet kan verskeie spoorelemente in roosterplekke inkorporeer, wat dit 'n n- of p-tipe halfgeleier van aard maak. As gevolg van hierdie halfgeleidende variansie, het talle ondersoeke uiteenlopende flotasiereaksies vir piriet uit verskillende ertsbronne waargeneem. Hierdie studie ondersoek hoe rooster-geïnkorporeerde metale (As, Au, Co en Ni) elektroniese struktuur en flotasieversamelaar (xanthaat) reaksie in 'n alkaliese media beïnvloed. Dit word gedoen deur 'n globale datastel van piriet-spoorelementdata saam te stel om sy spoorelement- handtekeninge te verstaan en dan hierdie handtekeninge te gebruik om chemiese dampvervoersintese van hoë-suiwer kristalle te lei. Hierdie werk gebruik X-straalfoto- elektronspektroskopie en ruspotensiaalanalise om die impak van metaal geochemiese tipe en konsentrasie op pirietvalensbande en reaktiwiteit te ondersoek. Valensiebandbepalings toon dat metale in die pirietrooster orbitale bydraes en Fermi-vlakke verskuif, afhangende van geochemiese oorsprong en konsentrasie. Die metaal se aard bepaal of dit valensiebandbydraes rondom die Fermi-vlak (Au, Co, Ni) of dieper (As) beïnvloed. Piriet se veranderende chemie beïnvloed sy oksidasie en interaksie met xanthaat versamelaar onder alkaliese toestande. Piriete (suiwer, Co, Ni en Au + Mede-draend) is edel en veroorsaak nie minerale oppervlak-oksidasie nie, terwyl As-draende piriet die minste edel is en oksidasie bevorder. Edelpiriete (suiwer, Co en Ni) wat met n-tipe halfgeleier geassosieer word, het 'n swakker versamelaarinteraksie as die minste edel (As-draend) wat met p-tipe geassosieer word. Die gebrek aan diksantogeen op As-draende piriet in vergelyking met Ko- en Ni-draende piriet toon dat 'n groter versamelaar-minerale interaksie nie die versamelaar op die mineraaloppervlak oksideer nie. Dixantogeen is teenwoordig by lae Ni-konsentrasies, maar afwesig by hoër konsentrasies, wat wys dat kollektoroksidasie op die mineraaloppervlak afhang van metaalkonsentrasie. Reaktiwiteit en elektroniese strukturele neigings word gekorreleer. Die sterkte van versamelaar-mineraal-interaksies en die grootte van Fermi- vlakvariasies as 'n funksie van metaalkonsentrasie en geochemiese aard is vergelykbaar. Hierdie tesis wys hoe sintetiese minerale wat eksperimenteel gekweek word belangrike vrae rakende die molekulêre chemie en reaktiwiteit van sulfiedminerale soos piriet kan beantwoord. Hierdie studie toon hoe metale piriet se valensbandbydraes beïnvloed en hoe hulle die versamelaarinteraksie beïnvloed. Die gedrag van piriet met 'n xantaatversamelaar gee belangrike kennis wat gebruik kan word om flotasieversamelaars aan te pas om minerale se selektiwiteit en reaktiwiteit die beste te toon, onafhanklik van hul halfgeleidende eienskappe wat deur chemie beheer word.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Piriet (FeS₂) is 'n ysterdisulfiedmineraal wat in hidrotermiese ertsafsettings voorkom, insluitend goudertsafsettings, wat elk sy unieke fisies-chemiese toestande (bv. pH, temperatuur, soutgehalte) by die plek waar dit geplaas word, het. Piriet kan verskeie spoorelemente in roosterplekke inkorporeer, wat dit 'n n- of p-tipe halfgeleier van aard maak. As gevolg van hierdie halfgeleidende variansie, het talle ondersoeke uiteenlopende flotasiereaksies vir piriet uit verskillende ertsbronne waargeneem. Hierdie studie ondersoek hoe rooster-geïnkorporeerde metale (As, Au, Co en Ni) elektroniese struktuur en flotasieversamelaar (xanthaat) reaksie in 'n alkaliese media beïnvloed. Dit word gedoen deur 'n globale datastel van piriet-spoorelementdata saam te stel om sy spoorelement- handtekeninge te verstaan en dan hierdie handtekeninge te gebruik om chemiese dampvervoersintese van hoë-suiwer kristalle te lei. Hierdie werk gebruik X-straalfoto- elektronspektroskopie en ruspotensiaalanalise om die impak van metaal geochemiese tipe en konsentrasie op pirietvalensbande en reaktiwiteit te ondersoek. Valensiebandbepalings toon dat metale in die pirietrooster orbitale bydraes en Fermi-vlakke verskuif, afhangende van geochemiese oorsprong en konsentrasie. Die metaal se aard bepaal of dit valensiebandbydraes rondom die Fermi-vlak (Au, Co, Ni) of dieper (As) beïnvloed. Piriet se veranderende chemie beïnvloed sy oksidasie en interaksie met xanthaat versamelaar onder alkaliese toestande. Piriete (suiwer, Co, Ni en Au + Mede-draend) is edel en veroorsaak nie minerale oppervlak-oksidasie nie, terwyl As-draende piriet die minste edel is en oksidasie bevorder. Edelpiriete (suiwer, Co en Ni) wat met n-tipe halfgeleier geassosieer word, het 'n swakker versamelaarinteraksie as die minste edel (As-draend) wat met p-tipe geassosieer word. Die gebrek aan diksantogeen op As-draende piriet in vergelyking met Ko- en Ni-draende piriet toon dat 'n groter versamelaar-minerale interaksie nie die versamelaar op die mineraaloppervlak oksideer nie. Dixantogeen is teenwoordig by lae Ni-konsentrasies, maar afwesig by hoër konsentrasies, wat wys dat kollektoroksidasie op die mineraaloppervlak afhang van metaalkonsentrasie. Reaktiwiteit en elektroniese strukturele neigings word gekorreleer. Die sterkte van versamelaar-mineraal-interaksies en die grootte van Fermi- vlakvariasies as 'n funksie van metaalkonsentrasie en geochemiese aard is vergelykbaar. Hierdie tesis wys hoe sintetiese minerale wat eksperimenteel gekweek word belangrike vrae rakende die molekulêre chemie en reaktiwiteit van sulfiedminerale soos piriet kan beantwoord. Hierdie studie toon hoe metale piriet se valensbandbydraes beïnvloed en hoe hulle die versamelaarinteraksie beïnvloed. Die gedrag van piriet met 'n xantaatversamelaar gee belangrike kennis wat gebruik kan word om flotasieversamelaars aan te pas om minerale se selektiwiteit en reaktiwiteit die beste te toon, onafhanklik van hul halfgeleidende eienskappe wat deur chemie beheer word.
Description
Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2023.