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Type: Tese de Doutorado
Title: Computational simulation of the pyrite/arsenopyrite interface- galvanic effects in chemical reactivity of minerals = Simulação computacional da interface pirita/arsenopirita- efeitos galvânicos na reatividade química de minerais
Authors: Egon Campos dos Santos
First Advisor: Helio Anderson Duarte
First Referee: Alfredo Mayall Simas
Second Referee: Alexandre Braga da Rocha
Third Referee: Virginia Sampaio T Ciminelli
metadata.dc.contributor.referee4: Willian Ricardo Rocha
Abstract: Efeitos galvânicos desempenham um papel importante no mecanismo de oxidação de sulfetos minerais. A pirita (FeS2) é o sulfeto mineral mais abundante na Terra e, na presença de arsenopirita (FeAsS), sua oxidação diminui. Consequentemente, a taxa de oxidação de arsenopirita é aumentada, liberando as espécies As(III) e As(V) no meio. Estas espécies são um perigo para o meio ambiente e podem se tornar um problema de saúde nas regiões de mineração. Nesta tese reportamos a investigação do par galvânico gerado pela interface pirita/arsenopirita a partir de cálculos DFT/ondas planas (Capítulo 3). Para construir os modelos de interface, inicialmente testou-se a comensurabilidade entre a superfície (100) de pirita (superfície de pirita com maior ocorrência na natureza) com as doze superfícies de arsenopirita relatadas na literatura. Dentre todas as superfícies avaliadas, foram construídas as interfaces mais estáveis e avaliadas a sua estabilidade junto com suas propriedades eletrônicas. Como a pirita e arsenopirita apresentam diferentes (i) distâncias de ligação e (ii) parâmetros das redes cristalinas, não é possível combinar perfeitamente as fases. Como consequência, sítios octaédricos distorcidos e tensões estruturais são formados na região interfacial. Esta observação está de acordo com a análise do trabalho de adesão estimado e com os cálculos de energia de formação. Ambos os parâmetros sugerem que a formação da interface pirita/arsenopirita não é termodinamicamente favorável. Isto está de acordo com o que é observado em amostras naturais. A reatividade local das interfaces foi avaliada a partir da adsorção de água (Capítulo 4). Foram encontrados valores de adsorção comparáveis entre as três interfaces FeS2/FeAsS e as fases isoladas (FeS2 e FeAsS). Isto sugere que a possível formação da interface ocorre sem modificar as propriedades ácido-base de Lewis dos sítios ativos na ruptura do material. Cálculos de Band Offset (Capítulo 5) mostraram que seus valores de band gap das interfaces são pelo menos três vezes menores que os valores encontrados para a pirita ou a arsenopirita isoladas. Uma vez que os sulfetos minerais são materiais semicondutores que podem participar de reações eletroquímicas, a diminuição do band gap facilita a transferência de elétrons ao longo de sua estrutura. Este fato contribui para explicar por que as interações galvânicas aumentam a oxidação de arsenopirita na presença de pirita. O presente estudo ressalta a importância de efeitos galvânicos para entender o mecanismo de oxidação da arsenopirita na presença de pirita.xviii Foi desenvolvida uma metodologia capaz de simular a interface água/pirita (capítulo 6). É sabido na literatura que o método DFTB2 não descreve bem propriedades estáticas e dinâmicas da água líquida. Por isso foi feito a reparametrização dos parâmetros DFTB2 a partir de uma correção empírica da energia de repulsão DFTB2 construindo os parâmetros nomeados nesta tese como water-matsci. Funções radiais do tipo O-O e O-H foram descritas com ótimo acordo com dados experimentais. Além disso, os novos parâmetros são capazes de descrever a tetraedralidade das moléculas de água nas temperaturas de 298 e 254 K. Finalmente, foi observado que a modificação dos parâmetros não modifica a energia de adsorção de água na superfície (100) da pirita. Os cálculos de uma nova rota para a oxidação da espécie adsorvida SO2 amplia a compreensão do mecanismo de oxidação da pirita (Capítulo 7). Até o momento apenas as etapas iniciais do processo de oxidação da pirita foram feitas a partir de cálculos teóricos. De acordo com os nossos cálculos, observa-se que a dissociação da espécie SO2 pode ocorrer sobre a superfície (100) da pirita. A energia de ativação (0.44 eV) foi estimada em aproximadamente metade do valor da energia de ativação da etapa limitante da reação global (0.80 eV), o que sugere que esta espécie pode ser formada na superfície da pirita. Além do mais, a espécie SO2 leva a formação dos intermediários SO3 e SO4 com energias de ativação menores que 0.16 eV (valor 5 vezes menor que a etapa limitante). Outro aspecto importante do mecanismo proposto por nossos cálculos é o fato que a molécula de oxigênio é capaz de reagir com a espécie SO2 na superfície. Esse tipo de reação sobre a superfície da pirita ainda não tinha sido explorado por cálculos teóricos, porém já tinha sido sugerido com análises experimentais. A rota investigada de oxidação do SO2 adsorvido pelo oxigênio molecular foi denominada reações do Tipo III que ocorrem na superfície da pirita.  
Abstract: Galvanic effects play an important role in the oxidation mechanism of sulfide minerals. Pyrite (FeS2) is the most common sulfide mineral in the Earth, and in the presence of arsenopyrite (FeAsS) its oxidation is delayed and the oxidation rate of arsenopyrite is increased, releasing As(III) and As(V) species in the medium. These arsenic ions are anenvironment hazards and become health problem in the vicinities of the mining regions. We report a DFT/plane waves study of the pyrite/arsenopyrite galvanic cell (Chapter 3). To build the interface models we tested the commensurability of the pyrite (100) surface (the pyrite surface with highest occurrence in the nature) with the twelve arsenopyrite surfaces reported in the literature. Among all evaluated surfaces the most stable interfaces were built, and their structure, stability, and electronic properties were evaluated. As pyrite and arsenopyrite have different (i) bond distances and (ii) crystal lattice parameters, it is not possible to perfectly match the phases, and distorted octahedral sites are formed in the interfacial region. Consequently, strained structures are observed. This structural observation agrees with the word of adhesion and the formation energy analysis. Both parameters suggest that the formation of FeS2/FeAsS interface is not favourable. This is in agreement with what is observed in natural samples. The local reactivity of the interfaces was evaluated by water adsorption energies (Chapter 4). Comparable adsorption values were found among the interfaces (FeS2/FeAsS) and isolated phases (FeS2 and FeAsS). This suggests that the possible interface formation would occur without modifying the Lewis acid-base properties of the active sites in the event of material rupture. Band offset (Chapter 5) calculations for the most stable interfaces showed that their band gap values are at least three times lower than the values found for the pure pyrite or arsenopyrite. Since sulfide minerals are semiconductor materials that can participate in electrochemical reactions, the decrease in the band gap thus facilitates electron transfer at the pyrite/arsenopyrite interface. This fact contributes to explain why the galvanic interactions increase the oxidation of arsenopyrite in the presence of pyrite. The present study underlines the importance of galvanic effects to understand the oxidation mechanism of arsenopyrite in the presence of pyrite. It was developed a methodology capable of simulating the water/pyrite interface (chapter 6). It is known in the literature that the DFTB2 method does not describe well static and dynamic properties of liquid water. Therefore, the DFTB2 parameters were reparametrized from an empirical correction of the DFTB2 repulsion energy by constructing the parameters labelled in this thesis as water-matsci. Radial functions of type gO-O and gO-H were described in agreement with experimental data. In addition, the new parameters are capable of describing the tetrahedrality of the water molecules at temperatures 298 and 254 K. Finally, it was observed that the modification of the parameters does not modify the water adsorption energy at the pyrite surface (100). All calculations of a new route for the adsorbed SO2 oxidation extend the knowlegment about the pyrite oxidation mechanism (Chapter 7) As far as we know, only the initial stages of the pyrite oxidation process have been made from theoretical calculations. According to our calculations, it is observed that the dissociation of SO2 species can occurs on the surface. The activation energy (0.44 eV) was estimated to be approximately two times the activation energy of the limiting step of the global reaction (0.80 eV), suggesting that this species can be formed on the pyrite surface. Moreover, the SO2 species leads to the formation of adsorbed SO3 and SO4 species on the surface with activation energies lower than 0.16 eV (this value is 5 times less than the rate limiting step). Another important aspect of the mechanics proposed by our calculations is the fact that oxygen molecule is capable to react with the SO2 species on the surface as it was suggested by experimental analyses, but up to date, it was not theoretically calculated. The investigated route for the adsorbed SO2 oxidation by the molecular oxygen was labelled as Type IIIreactions that occur on the pyrite surface.
Subject: Sulfetos Metalurgia
Piritas
Quimica de superficie
Química inorgânica
Minas Drenagem
Funcionais de densidade
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/SFSA-BDZNSV
Issue Date: 26-Jun-2019
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