活性炭在礦物氧化中的催化活性

　　銅是繼鐵和鋁之后全球產量第三位的金屬，是電動汽車、光伏電池板和風力發電機等新興技術的重要材料，這將增加銅的需求。黃銅礦是銅含量最高的資源，約占世界已知銅儲量的70-80%。與其他硫化銅類似，這種礦物通常在銅品位低至0.4-0.5%的礦床中開采。這些儲量的開采在使用傳統火法冶金處理硫化物精礦的經濟可行性范圍內。然而，黃銅礦在酸性介質中是難熔的，溶解速率低，阻礙了濕法冶金路線。本次研究提高在黃銅礦氧化中使用活性炭作為催化劑，將兩種不同的活性炭以三種重量比添加到黃銅礦礦石中來提高銅萃取效率。

　　黃銅浸出測試

　　浸出劑為硫酸和水合硫酸鐵(III)的純度分別為97%和99.5%。在每個實驗中，將大約5g黃銅礦礦石樣品與100mL浸出劑溶液混合，并添加到500mL玻璃燒瓶中。黃礦:活性炭重量比為1:1、1:0.5和1:0.25，除了對照。將玻璃燒瓶引入帶有磁力攪拌和玻璃燒瓶內溫度控制的加熱套中。實驗在90℃下以250rpm的攪拌速度進行。在不同時間(2、4、24、48、72和96小時)，每次浸取實驗取上清液1mL。為了實現這一點，每次停止攪拌以使樣品靜置并有利于其傾析。取出1mL上清液，過濾，轉移至25mL量筒中，其余部分用蒸餾水填充。為了保持相同的系統條件，每次萃取后加入1mL浸出劑溶液。

　　浸出后總銅提取率

　　浸出過程在96小時后從黃銅礦礦石中提取的總銅量。從礦石中提取的總銅(不添加活性炭)為36.98%。根據黃銅礦的耐火度，該值與以往研究的結果相似，但低于復雜硫化物礦物浸出中獲得的值(63%)。添加活性炭后，銅的提取率提高了51.34%以上，礦石活性炭(1:1)比例達到了99.1%。此外，添加生物炭將銅提取率從53.5%(比例1:0.5)提高到91.1%(比例1:0.25)，圖1顯示了銅提取率(%)隨時間的變化，期間氧化還原電位在礦物提取的前2小時后下降，并且在2到96小時(在497到521mV之間)保持相對不變。

　　圖1：浸出液中銅萃取的演變(a)活性炭和(b)生物炭。

　　浸出實驗后的固體殘留分析

　　通過SEM-EDS(圖2和圖3)對添加和不添加兩種碳材料(活性炭和生物炭)以1:1和1:0.25的比例進行的礦物浸出后獲得的固體殘留物進行表征)。礦物浸出的固體殘渣中含有黃鐵礦(35%)和黃銅礦(54%)以及少量的銅藍(8%)、硫(2%)、石英(1%)和方解石(0.6%)。然而，1:1比例的礦物:活性炭的固體殘渣主要由黃鐵礦(89%)和少量石英(7.6%)和方解石(3.8%)組成。由于銅的高萃取率(99.1%)，沒有觀察到銅礦物的存在。有趣的是，在比例為1:0.25的活性炭浸出系統的固體殘渣中觀察到高CuS含量(51.8%)和沒有黃銅礦。

　　圖2：浸出96小時后獲得的最終殘留物的SEM-EDS圖像(a)黃銅礦礦石，(b)礦物:活性炭1:1，(c)礦物:活性炭1:0.25，(d)礦物:生物炭1:1，(e)礦物:生物炭1:0.25。

　　最終殘留物的SEM-EDS圖像在圖2顯示，并證實了通過XRD獲得的結果。圖2a顯示了礦物浸出后固體殘渣的SEM圖像。可以觀察到大的黃銅礦顆粒的存在(點1)，黃鐵礦的小顆粒具有不同的氧化礦物(點2、3和4)。樣品活性炭浸出后的固體殘留物圖像(圖2b)顯示活性炭的存在，其表面具有硫原子和一些Fe(點5、6和7)和黃鐵礦(點8)。沒有觀察到銅的存在，這與其高提取值(99.1%)一致。圖2c顯示了樣品活性炭1:0.25浸出后獲得的固體殘留物的圖像。在活性炭的表面上可以觀察到硫和銅的存在，可能是由于CuS(點9-12)。用生物炭浸出礦物后的固體殘渣分析見圖2d(比例1:1)和(比例1:0.25)。根據XRD分析，有黃銅礦顆粒(點13)類似于沒有生物炭的礦物浸出的固體殘渣。與添加活性炭相比，生物炭顆粒的表面硫含量較低(點14和15)，表明生物炭吸附能力較低，這與生物炭的較低表面積一致。生物炭表面上存在的一些硫可能是由于與浸出劑的反應和硫物質的低吸附性。最后，觀察到不同礦物的聚集體(第16點)。關于生物炭比例為1:0.25的固體殘留物，黃鐵礦的存在(第17點)，生物炭與少量S、Cu和Fe結合(第18點)，可以觀察到不同礦物和碳顆粒的小顆粒混合物(第19點和第20點)。

　　浸出實驗后活性炭和生物炭的SEM-EDS圖像在圖3顯示。在活性炭的情況下，硫均勻分布在活性炭顆粒的整個表面上(圖3a)。在生物炭的情況下，硫的吸附量較低，大部分硫與鐵結合。此外，可以觀察到元素硫的形成(A點)。最后，值得注意的是，在活性炭的表面發現了大量的鐵，而在生物炭的情況下，生物炭表面的鐵含量較低。

　　圖3：活性炭(a)和生物炭(b)的SEM-EDS圖像。

　　活性炭在礦物氧化中的催化活性的測試中發現，適當比例的商業活性炭或生物炭盡管性質不同，但可以增加黃銅礦硫酸/鐵氧化過程中銅的提取率。盡管存在碳的情況下氧化還原電位普遍降低，但對于每種碳材料，在提供最高氧化還原電位值的混合物中實現最高的銅提取。活性炭和生物炭在硫酸/鐵溶液處理過程中被氧化，生物炭可能在浸出介質中表現出催化性能。黃銅礦在1：1比例的活性炭存在下浸出的最終殘留物主要由黃鐵礦和石英組成，活性炭顆粒表面具有硫化合物。這一結果對于未來工業化實施這種用于處理黃銅礦的濕法冶金工藝具有重要意義，因為它可以提高銅的提取率并促進從固體殘渣中回收黃鐵礦和硫。使用的碳催化劑具有成本效益，并且可以以負碳方式合成。

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