活性炭国家专精特新“小巨人”企业活性炭产学研合作

　　活性炭在矿物氧化中的催化活性

　　铜是继铁和铝之后全球产量第三位的金属，是电动汽车、光伏电池板和风力发电机等新兴技术的重要材料，这将增加铜的需求。黄铜矿是铜含量最高的资源，约占世界已知铜储量的70-80%。与其他硫化铜类似，这种矿物通常在铜品位低至0.4-0.5%的矿床中开采。这些储量的开采在使用传统火法冶金处理硫化物精矿的经济可行性范围内。然而，黄铜矿在酸性介质中是难熔的，溶解速率低，阻碍了湿法冶金路线。本次研究提高在黄铜矿氧化中使用活性炭作为催化剂，将两种不同的活性炭以三种重量比添加到黄铜矿矿石中来提高铜萃取效率。

　　黄铜浸出测试

　　浸出剂为硫酸和水合硫酸铁(III)的纯度分别为97%和99.5%。在每个实验中，将大约5g黄铜矿矿石样品与100mL浸出剂溶液混合，并添加到500mL玻璃烧瓶中。黄矿:活性炭重量比为1:1、1:0.5和1:0.25，除了对照。将玻璃烧瓶引入带有磁力搅拌和玻璃烧瓶内温度控制的加热套中。实验在90℃下以250rpm的搅拌速度进行。在不同时间(2、4、24、48、72和96小时)，每次浸取实验取上清液1mL。为了实现这一点，每次停止搅拌以使样品静置并有利于其倾析。取出1mL上清液，过滤，转移至25mL量筒中，其余部分用蒸馏水填充。为了保持相同的系统条件，每次萃取后加入1mL浸出剂溶液。

　　浸出后总铜提取率

　　浸出过程在96小时后从黄铜矿矿石中提取的总铜量。从矿石中提取的总铜(不添加活性炭)为36.98%。根据黄铜矿的耐火度，该值与以往研究的结果相似，但低于复杂硫化物矿物浸出中获得的值(63%)。添加活性炭后，铜的提取率提高了51.34%以上，矿石活性炭(1:1)比例达到了99.1%。此外，添加生物炭将铜提取率从53.5%(比例1:0.5)提高到91.1%(比例1:0.25)，图1显示了铜提取率(%)随时间的变化，期间氧化还原电位在矿物提取的前2小时后下降，并且在2到96小时(在497到521mV之间)保持相对不变。

　　图1：浸出液中铜萃取的演变(a)活性炭和(b)生物炭。

　　浸出实验后的固体残留分析

　　通过SEM-EDS(图2和图3)对添加和不添加两种碳材料(活性炭和生物炭)以1:1和1:0.25的比例进行的矿物浸出后获得的固体残留物进行表征)。矿物浸出的固体残渣中含有黄铁矿(35%)和黄铜矿(54%)以及少量的铜蓝(8%)、硫(2%)、石英(1%)和方解石(0.6%)。然而，1:1比例的矿物:活性炭的固体残渣主要由黄铁矿(89%)和少量石英(7.6%)和方解石(3.8%)组成。由于铜的高萃取率(99.1%)，没有观察到铜矿物的存在。有趣的是，在比例为1:0.25的活性炭浸出系统的固体残渣中观察到高CuS含量(51.8%)和没有黄铜矿。

　　图2：浸出96小时后获得的最终残留物的SEM-EDS图像(a)黄铜矿矿石，(b)矿物:活性炭1:1，(c)矿物:活性炭1:0.25，(d)矿物:生物炭1:1，(e)矿物:生物炭1:0.25。

　　最终残留物的SEM-EDS图像在图2显示，并证实了通过XRD获得的结果。图2a显示了矿物浸出后固体残渣的SEM图像。可以观察到大的黄铜矿颗粒的存在(点1)，黄铁矿的小颗粒具有不同的氧化矿物(点2、3和4)。样品活性炭浸出后的固体残留物图像(图2b)显示活性炭的存在，其表面具有硫原子和一些Fe(点5、6和7)和黄铁矿(点8)。没有观察到铜的存在，这与其高提取值(99.1%)一致。图2c显示了样品活性炭1:0.25浸出后获得的固体残留物的图像。在活性炭的表面上可以观察到硫和铜的存在，可能是由于CuS(点9-12)。用生物炭浸出矿物后的固体残渣分析见图2d(比例1:1)和(比例1:0.25)。根据XRD分析，有黄铜矿颗粒(点13)类似于没有生物炭的矿物浸出的固体残渣。与添加活性炭相比，生物炭颗粒的表面硫含量较低(点14和15)，表明生物炭吸附能力较低，这与生物炭的较低表面积一致。生物炭表面上存在的一些硫可能是由于与浸出剂的反应和硫物质的低吸附性。最后，观察到不同矿物的聚集体(第16点)。关于生物炭比例为1:0.25的固体残留物，黄铁矿的存在(第17点)，生物炭与少量S、Cu和Fe结合(第18点)，可以观察到不同矿物和碳颗粒的小颗粒混合物(第19点和第20点)。

　　浸出实验后活性炭和生物炭的SEM-EDS图像在图3显示。在活性炭的情况下，硫均匀分布在活性炭颗粒的整个表面上(图3a)。在生物炭的情况下，硫的吸附量较低，大部分硫与铁结合。此外，可以观察到元素硫的形成(A点)。最后，值得注意的是，在活性炭的表面发现了大量的铁，而在生物炭的情况下，生物炭表面的铁含量较低。

　　图3：活性炭(a)和生物炭(b)的SEM-EDS图像。

　　活性炭在矿物氧化中的催化活性的测试中发现，适当比例的商业活性炭或生物炭尽管性质不同，但可以增加黄铜矿硫酸/铁氧化过程中铜的提取率。尽管存在碳的情况下氧化还原电位普遍降低，但对于每种碳材料，在提供最高氧化还原电位值的混合物中实现最高的铜提取。活性炭和生物炭在硫酸/铁溶液处理过程中被氧化，生物炭可能在浸出介质中表现出催化性能。黄铜矿在1：1比例的活性炭存在下浸出的最终残留物主要由黄铁矿和石英组成，活性炭颗粒表面具有硫化合物。这一结果对于未来工业化实施这种用于处理黄铜矿的湿法冶金工艺具有重要意义，因为它可以提高铜的提取率并促进从固体残渣中回收黄铁矿和硫。使用的碳催化剂具有成本效益，并且可以以负碳方式合成。

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