5.1. Квантово-химический метод выбора реагентов-собирателей для флотационного извлечения катионов меди (II) и цинка из техногенных вод горных предприятий

При выборе реагентов-собирателей для флотационного извлечения катионов тяжелых металлов перспективной представляется предварительная оценка их свойств на основании расчёта квантово-химических параметров реакционной способности – ПРС, к важнейшим из которых относятся энергии верхней занятой (Е_HOMO) и нижней свободной (E_LUMO) молекулярных орбиталей извлекающих агентов (реагентов-собирателей), значения абсолютной жёсткости η и мягкости S, химического потенциала χ, глобальной (общей) и локальной нуклеофильности реагентов I_N и I_N^-, молекулярного электростатического потенциала МЕР, а также степени переноса заряда ∆N, энергии комплексообразования ∆Е_комп и числа водородных связей в образующихся в процессе ионной флотации молекулярных систем «субстрат-реагент». Методика проведения квантово-химических расчётов рассмотрена в главе 2. Результаты расчётов ПРС для субстратов меди (II) и цинка в эффективных извлекаемых формах приведены в главе 4.

Ранее в работах [21, 100, 202] было теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что квантово-химический метод, впервые использованный при выборе эффективных реагентов-собирателей для флотации углей различной стадии метаморфизма (Патент РФ № 2019300), применим при установлении флотационной активности органических реагентов для извлечения тяжелых металлов из гидротехногенного минерального сырья горных предприятий [34, 194, 195].

Квантово-химические методы исследования являются надежным инструментарием для установления геометрии молекул реагентов, изучения особенностей межмолекулярных взаимодействий, анализа структуры сложных смесей веществ различного происхождения, моделирования флотационных процессов.

Квантово-химические методы исследования в настоящее время широко используются при прогнозировании региоселективности различных соединений для химической промышленности и синтезе лекарственных препаратов в фармацевтике [213, 337].

Актуальность применения квантово-химических методов при выборе реагентов также обусловлена тем, что экспериментальное определение физико-химических свойств различных соединений нередко сопряжено со значительными трудностями, связанными как с техникой измерения, так и с синтезом данных соединений, их очисткой, возможной нестойкостью, токсичностью, агрессивностью и т.п., что требует больших затрат материальных средств, квалифицированного труда и времени. В то же время расчетные квантово-химические методы исследования позволяют определять параметры реакционной способности извлекаемых субстратов металлов и реагентов-собирателей (прежде, чем реагенты синтезированы, а их свойства измерены), и выбрать из многих ещё не изученных и даже не полученных соединений те, которые, согласно прогнозу, будут удовлетворять выдвинутым требованиям. Кроме того, учитывая значительную роль стерического и энергетического факторов при взаимодействии субстрата и реагента-собирателя, методами квантово-химического моделирования с привлечением современного программного комплекса HyperChem 7,5 Рro [11] возможно проведение оптимизации геометрии молекул с выявлением наиболее конформационно устойчивых и термодинамически выгодных структур.