黃鐵礦是地殼中分布最廣的硫化物,形成于多種不同地質條件下,蘊藏著豐富的地質信息,是最重要的成因指示礦物之一。但是作為礦物,其自身的價值還沒有得到充分的挖掘。多數時候作為廢礦被拋棄,生成礦山酸性排水,嚴重污染環(huán)境。隨著礦物法治理環(huán)境污染的興盛,黃鐵礦的環(huán)境屬性也日益受到關注。因此,根據環(huán)境污染治理的需要,對黃鐵礦進行深入系統的實驗研究是十分必要和緊迫的。前人圍繞黃鐵礦的氧化、鐵硫化物處理水中各類污染物開展了廣泛的研究,取得了很多的成果。但這些研究都較分散,缺乏系統性的研究。另外,對于熱改性黃鐵礦關注較少,對黃鐵礦熱處理過程中結構和物性的演化規(guī)律及其變化的本質缺少深入系統地理解。而搞清楚熱處理黃鐵礦晶體結構、形貌、物理化學特性演化規(guī)律,理解黃鐵礦的熱處理改性的本質,以及黃鐵礦的加工和應用是十分重要的。因此,本文利用X射線粉末衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、原子熒光光譜(XRF)、X光電子能譜(XPS)、離子色譜、熱重—差熱分析(TG/DTA)、磁性測量系統和比表面積分析儀等現代分析測試手段對不同成因的黃鐵礦進行了系統研究,認識了不同成因黃鐵礦在不同溫度、不同氛圍熱處理前后晶體結構、物性和微觀形貌變化;研究了黃鐵礦及其熱處理產物在水中的氧化過程;研究了黃鐵礦及其熱處理產物除磷、除鎘作用和機理。完成的主要研究工作和成果總結如下:(1)無氧條件下黃鐵礦熱改性過程研究。對采自銅陵新橋膠狀黃鐵礦和普通黃鐵礦在氮氣保護下不同溫度熱處理物相、微觀形貌、磁化率、砷含量演變規(guī)律進行了對比研究。發(fā)現不同成因、雜質,會導致黃鐵礦受熱相變溫度、微觀形貌、磁化率和砷含量等都存在差異。熱處理過程中膠狀黃鐵礦與普通黃鐵礦在相變溫度和特性方面的差異表明納米到亞微米晶體大小的膠狀黃鐵礦在煅燒過程中體現出明顯的納米效應。(2)有氧條件下熱處理產物微結構和物性研究。對沸騰爐焙燒硫酸燒渣和天然黃鐵礦精礦粉進行了對比研究,發(fā)現沸騰爐焙燒硫酸燒渣是由納米-亞微米粒徑的磁鐵礦、磁赤鐵礦和赤鐵礦晶體組成,粒間存在納米-亞微米孔隙。燒渣結構特性表明硫精礦粉中10-100μm粒徑的黃鐵礦在焙燒過程中由于快速分解、氧化、相變發(fā)生了多晶化、部分納米化,形成納米-微米孔徑的多孔結構磁性材料。(3)鐵硫化物在水中的氧化過程研究。對不同鐵硫化物及其熱處理產物在水中的氧化過程進行了對比研究,結果表明不同鐵硫化物在水中的氧化反應活性不同,熱處理可以改變黃鐵礦的反應活性,熱處理黃鐵礦晶體結構和礦物成分上的變化是影響其在水中反應活性的主要因素。鐵硫化物在水中氧化過程符合零級反應動力學方程。膠狀黃鐵礦的氧化速率遠大于其他鐵硫化物,在合適的溫度下煅燒可以顯著提升膠狀黃鐵礦的氧化速率。不同的氧化物是影響膠狀黃鐵礦及其煅燒產物宏觀氧化速率的主要因素,而表面能則是影響其微觀氧化速率的主要因素。(4)黃鐵礦除磷過程和機理研究。對不同黃鐵礦及其鍛燒產物靜態(tài)和動態(tài)除磷進行了對比研究,結果表明天然黃鐵礦和煅燒產物對于低濃度磷的去除效果都很好,都有很寬的pH值適應范圍,常見陰離子對其除磷效果的影響都較小。但是,鍛燒黃鐵礦產物的除磷效率要遠大于天然黃鐵礦,其除磷速度、吸附總量都要優(yōu)于天然黃鐵礦;氧是影響煅燒黃鐵礦除磷的關鍵因素。其除磷的主要反應是氧化生成的三價鐵離子與磷酸根離子結合形成磷酸鐵。(5)黃鐵礦除鎘過程和機理研究。對膠狀黃鐵礦及其煅燒產物除鎘過程進行了對比研究,發(fā)現煅燒溫度、反應pH值以及溶解氧均對除Cd(Ⅱ)效果有顯著影響。在弱酸性無氧溶液中煅燒產物多孔結構化單斜磁黃鐵礦除Cd(Ⅱ)機理主要是Fe1-xS與Cd2+交換反應形成CdS,是Fe1-xS與CdS溶度積差異推動的溶解-沉淀反應,多孔結構化單斜磁黃鐵礦表面與Cd(Ⅱ)發(fā)生絡合以及鐵離子水解形成鐵的氫氧化物對Cd(Ⅱ)的滯留是次要的作用。
【學位單位】：合肥工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TD981;X751
【部分圖文】：

第一章緒論逡逑如圖１．１所示為黃鐵礦晶體結構圖，Ｆｅ原子位于立方體晶胞的角頂和面心，逡逑兩個Ｓ原子形成啞鈴狀的對硫［Ｓ２］２－嵌入其中，其中心位于晶胞棱的中心和體心，逡逑［Ｓ２］２？的軸向與相當晶胞１／８的小立方體的對角線方向相同，但彼此并不相交。Ｓ－Ｓ逡逑間距為０．２１０邋ｎｍ，共價鍵，小于兩倍的硫離子半徑之和0．３５邋ｎｍ。由于對硫離子逡逑的存在及其分布特征，較之典型的ＮａＣｌ型晶體結構，黃鐵礦結構對稱性有所降逡逑低，但硬度增大，解理不完全。逡逑０．０邋０．１邋０．２邋０．３邋０．４邋０．５邋腿0Ｆｅ邋0Ｓ逡逑圖１．１黃鐵礦晶體結構［３３］逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｃｒｙｓｔａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｏｆ邋ｐｙｒｉｔｅ逡逑１．２．３電子結構逡逑Ｆｅ的電負性為１．８３，硫的電負性為２．５８。通過Ｆｅ和Ｓ的電負性差可以明顯逡逑的看出，Ｆｅ和Ｓ之間是共價鍵，Ａｂｒａｉｔｉｓ等通過研宄發(fā)現是Ｆｅ的３ｄ價電子與Ｓ逡逑的３ｄ價電子重疊［３４］。由表１．３可以看出

圖２．８為普通黃鐵礦的ＴＧ－ＤＴＡ曲線。由圖２．８可以看到，ＤＴＡ曲線只６３４邋右存在較明顯的吸熱谷，結合圖２的ＸＲＤ譜，認為該吸熱谷應該是普通黃脫硫轉變?yōu)閱涡贝劈S鐵礦的峰值溫度。ＴＧ曲線也僅有１個明顯下降的階段，５７３？６４９邋°Ｃ左右，這個階段應該是普通黃鐵礦脫硫轉變?yōu)閱涡贝劈S鐵礦的。逡逑對比圖２．７和圖２．８可以看出，兩種黃鐵礦的ＤＴＡ和ＴＧ曲線的變化規(guī)律一致，但也存在明顯的差別，膠狀黃鐵礦曲線更為復雜，其煅燒過程階段更２９逡逑

其中：Ｍ為磁鐵礦＋磁赤鐵礦；Ｈ為赤鐵礦；Ｑ為石英逡逑３．２．３邋ＦＥ－ＳＥＭ分析結果逡逑圖３．２為焙燒原料黃鐵礦和硫酸燒渣的ＦＥ－ＳＥＭ圖像。由圖３．２－ａ可以看出，逡逑黃鐵礦斷口表現為平坦狀，表面由于表面張力粘附細小顆粒物。圖３．２－ｂ為硫酸逡逑燒渣低倍圖像，可以看到顆粒粒徑基本在ｌ0－ｌ00Ｈｍ之間，多數在５０ｐｍ左右，基逡逑本與硫精礦粉體粒徑一致，說明黃鐵礦顆粒在焙燒相變過程中既沒有發(fā)生很大的逡逑體積收縮，也沒有很強烈的體積膨脹。圖３．２－ｃ和３．２－ｄ為硫酸燒渣顆粒的放大圖逡逑像，顯示出由納米－亞微米顆粒構成的多孔集合體，根據ＸＲＤ分析結果可以推測逡逑這些顆粒主要是赤鐵礦、磁鐵礦和磁赤鐵礦。通過對比圖３．２－ａ和圖３．２－ｄ不難看逡逑出，黃鐵礦和焙燒產物硫酸燒渣的形貌差異巨大。說明黃鐵礦在沸騰爐焙燒過程逡逑中由于氧化、相變發(fā)生了多晶化、部分納米化，形成納米－亞微米孔結構物質。逡逑３３逡逑

【參考文獻】

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1 何宏平;吳德禮;馬魯銘;呂亞平;;改性黃鐵礦燒渣催化臭氧氧化水中活性黑5[J];同濟大學學報(自然科學版);2015年11期

2 胡俊松;李睿華;孫茜茜;劉卓;張小梅;;天然黃鐵礦對草甘膦的吸附性能[J];環(huán)境工程學報;2015年11期

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本文編號：2818913