基于铁、氧组分和多因素影响下的溶液电位对黄铜矿生物浸出的作用机制研究

Chalcopyrite (CuFeS2) is the most abundant copper-containing resource in the earth, and is also widely distributed in solid wastes and secondary resources. Bio-hydrometallurgy (bioleaching) is considered as one promising mineral processing technology due to its environmental and economic advantages over the conventional pyrometallurgy process, and bioleaching of chalcopyrite is always a challenge and hot research topic. Redox potential is considered as a vital factor in chalcopyrite bioleaching but its detailed action mechanism and corresponding affecting factors are still not clear. In this project, in situ synchrotron X-ray techniques will be mainly used to study the dissolution and passivation mechanism of chalcopyrite at different applied potentials, and to reveal the optimum dissolution pathway and the corresponding critical potentials. The transformations of iron-containing species and reactive oxygen species, and the effects of multiple components and factors on redox potential in chalcopyrite bioleaching will be studied. Finally, the action mechanism of redox potential in chalcopyrite bioleaching based on the influences of iron, oxygen containing species and multiple factors will be illustrated. This project will be potentially useful in providing theoretical foundations for promoting chalcopyrite bioleaching through controlling redox potential, and will also be useful in deeply understanding the bioleaching mechanism of sulfides bioleaching. The obtained results and methods would be expanded to the other bioleaching and biodeterioration systems.

黄铜矿是地球中储量最丰富的含铜矿物资源，且广泛分布于工业固废与二次资源中。生物冶金技术因其生产成本低、设备简单、工艺流程短、反应过程温和、环境友好等优点，利用其提取黄铜矿是研究的难点和热点。溶液电位是黄铜矿生物浸出过程的关键因素，但是关于溶液电位作用机制及其影响因素仍不明确。本项目利用电化学原位同步辐射等技术，研究不同电位条件下黄铜矿电化学溶解途径及钝化机制，查明黄铜矿最优溶解途径及其对应的临界电位。通过研究浸出体系铁离子物种和活性氧物种的迁移、转化机制，揭示铁离子物种和活性氧物种对溶液电位的影响规律。查明pH等多因素对溶液电位的直接与间接影响规律。最终阐明基于铁、氧组分和多因素影响下的溶液电位对黄铜矿生物浸出的作用机制。一方面为通过溶液电位调控强化黄铜矿生物浸出提供理论依据，另一方面可加深对硫化矿物生物冶金机理的认识，并可将研究成果与方法推广到其它对象的生物冶金和生物腐蚀体系。

电位是黄铜矿（生物）氧化溶解过程的关键控制因素。在小于700 mV条件下黄铜矿表面表现出明显的钝化，可能与铁元素的优先溶出有关。在700 mV极化条件下，黄铜矿溶解明显，达过钝化状态。250-700 mV极化条件下黄铜矿氧化溶解的适宜极化电位由易到难排序为：无处理 > 700 mV > 500 mV左右（450~550 mV）>其它。造成黄铜矿钝化的主要氧化合物为FeOOH，硫化合物为Sn2-/S0。.另外发现，在黄铜矿氧化过程中，S22-作为S2-至Sn2-/S0的中间产物而处于产生和消耗的动态平衡之中。500 mV极化条件下黄铜矿相对较易溶解可能与Sn2-/S0向SO42-的快速转化有关，这进一步印证了电化学氧化研究结果，即在500 mV左右条件下较活泼的表面电化学性质促进了Sn2-/S0的快速消耗。随极化电位的升高黄铜矿电极表面粗糙度与高差逐渐增大，划痕处氧化溶解明显。在700 mV极化条件下，黄铜矿表面虽然产生了大量的钝化物质，但其结构应较为疏松，不会妨碍未氧化黄铜矿的继续氧化溶解；表面润湿性及表面能分析结果推测，浸矿菌在黄铜矿表面的吸附能力，即（一定程度上反映）黄铜矿生物浸出难易程度（黄铜矿润湿性）从大到小排序为：无处理> 700 mV > 500 mV > 400 mV > 600 mV。润湿性和细菌吸附难易程度也与黄铜矿不同电位条件下溶解的难易程度相似，通过这个结果可知，在700 mV和500 mV左右，黄铜矿不仅具有活泼的表面电化学性质，也可能利于浸矿微生物的吸附，将进一步有利于其生物作用下的氧化溶解。.常压条件下，当O2与Fe3+共存时，Fe3+是黄铜矿浸出体系的主要氧化剂。黄铜矿生物浸出体系溶液电位主要由Fe3+/Fe2+值和温度决定，溶液电位符合能斯特方程式。项目初步阐明了基于电位影响下的黄铜矿氧化溶解机制，可为强化黄铜矿生物浸出提供理论基础。