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Minerals：墨尔本大学及昆士兰大学研究团队——溶解与沉淀络合反应及其对硫化铜矿物表面积和溶解速率的影响

已有 136 次阅读 2026-4-17 08:36 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

研究背景

铜，作为风力涡轮机和太阳能电池等绿色能源技术中不可或缺的金属，其供应正面临挑战。问题主要出在从最普通的原生铜矿物——黄铜矿中提取铜的过程并不顺利，因为在提取过程中，矿石表面会形成一层“钝化膜”，阻碍铜的进一步溶解。为了破解这一难题，来自墨尔本大学和昆士兰大学的研究团队在Minerals期刊发表文章，深入探讨了在酸性含氯溶液 (如氯化铁、氯化钠、氯化钙和氯化铝溶液) 中，原生铜硫化物 (黄铜矿和斑铜矿) 在溶解并伴随有新物质沉淀的过程中的表面变化。研究发现，使用富含铝离子的溶液，能显著提高铜的浸出效率，为从低品位矿石中更有效、更可持续地提取铜提供了新思路。

研究过程与结果

该研究的核心目标是探究不同成分的浸出剂对铜硫化物溶解行为的影响，特别是表面钝化层的形成与抑制作用。研究团队选取了来自澳大利亚某铜金矿的低品位矿石，其中含有黄铜矿、斑铜矿以及石英、长石等脉石矿物。他们设计了一系列精密的实验：

研究对象与准备：将矿石样品切割、抛光成统一规格的薄片，并利用反射显微镜和电子探针显微分析仪对样品表面进行详尽的“体检”，精确记录下实验前各种矿物的形貌、分布和化学成分。这就好比在治疗前，先对“患者”进行全方位的扫描，以便后续对比。

实验过程：研究人员准备了五种不同的酸性浸出剂，分别是：纯硫酸、氯化铁溶液、富含氯化钠的酸溶液、富含氯化钙的酸溶液、富含氯化铝的溶液。将准备好的矿石薄片和颗粒分别放入这些溶液中，在恒定温度下持续搅拌，进行了为期30天的浸泡实验。期间竞争络合/沉淀，定期监测溶液的pH值、氧化还原电位以及铜、铁、硫等元素的浓度变化。实验结束后，再次使用显微镜和电子探针对矿石表面的同一区域进行“复查”，与初始状态进行精确对比。

关键结果：通过对比实验前后的矿石表面，研究团队获得了令人振奋的发现：1) 钝化层的形成：在纯硫酸、氯化铁、氯化钠和氯化钙溶液中，矿石表面的斑铜矿虽然发生了溶解，但黄铜矿的溶解非常有限。分析显示，这些条件下，黄铜矿表面形成了主要由铁的硫酸盐 (如黄钾铁矾) 组成的钝化层，阻挡了反应的继续进行。就像给黄铜矿穿上了一件致密的“雨衣”，外面的溶液进不来，里面的铜也出不去。2) AlCl₃的“神奇”效果：然而，在富含氯化铝的溶液中，情况截然不同。黄铜矿和斑铜矿都发生了明显的溶解。研究发现，铝离子的存在起到了关键作用：“竞争络合/沉淀”抑制钝化。铝离子优先与溶液中的硫酸根结合，生成了无定形且多孔的铝-硫酸盐相。这大大降低了硫酸根的活度，从而抑制了致密的铁-硫酸盐钝化层 (如黄钾铁矾) 的形成；维持高效浸出环境。由于钝化层被抑制，溶液中的三价铁离子可以持续、高效地到达矿物表面，发挥其氧化作用，促进铜的溶解。同时，溶液在整个过程中保持了较高的氧化还原电位和酸度，为铜的持续浸出创造了有利条件。

3) 数据支持：溶液化学分析也印证了显微观察的结果。在氯化铝体系中，溶液中的铜浓度最高，而铁和硫酸根的消耗最快，表明它们参与了沉淀反应但并未形成致密钝化层。通过计算，在氯化铝溶液中，铁离子 (主要的氧化剂) 的传质效率在25°C下可维持近500天才会下降到影响反应的水平，远高于其他体系。

研究总结

这项研究通过精细的实验设计，直观地揭示了不同浸出剂作用下铜硫化物表面的微观世界变化。其核心结论是：富含铝离子的酸性氯化物溶液能有效防止黄铜矿表面形成顽固的钝化层，从而同时促进黄铜矿和斑铜矿的溶解，显著提升铜的浸出效率。

这一发现具有重要的理论和应用价值。它挑战了传统认知中黄铜矿难以浸出的固有观念，并为工业实践指明了新方向：在堆浸等工艺中，通过添加铝离子来调控浸出剂化学，可能是解锁低品位铜矿资源、实现更高效、更环保铜提取的关键。未来，这一策略有望帮助矿产行业以更低的成本和环境影响，获取更多支撑绿色能源转型所必需的铜资源。

原文链接：https://www.mdpi.com/2075-163X/15/3/214