硫化物矿物原电池腐蚀实验研究与应用启示

作为自然界最常见、可开发的矿物之一，硫化物矿物通常具有半导体性质，在溶液的作用下，必然发生原电池腐蚀。硫化物矿物原电池效应广泛存在并影响湿法冶金(如磨矿、浮选和浸出)、次生硫化物矿物过程、地电化学勘探、重金属离子污染和酸性矿山排水污染和治理等方面。 以前对硫化物矿物腐蚀研究多见于静止的溶液体系，少见于流动溶液体系，而实际情况是硫化物矿物经常处于流动溶液体系中。以矿山环境为例，硫化物矿物经常处于流动的地表水，地下水和雨水淋漓的环境体系中。因此，在流动体系中进行硫化物矿物原电池腐蚀实验研究，无疑对矿山环境治理有着直接的指导作用。另一方面，以前对于硫化物矿物原电池腐蚀的研究多是在无应力作用的条件下进行的，而事实上，无论是人类在开采利用硫化物矿物资源上，还是硫化物矿物本身在自然界的演化进程中，应力作用无时不在，无处不有。硫化物矿物应力原电池也无时不在，无处不有。应力作用下，应变能转化为电化学能，从而改变硫化物矿物的电极电位，必将进一步对硫化物矿物的原电池腐蚀产生重要影响。考察应力作用下的硫化物矿物原电池腐蚀，一方面可以为硫化物矿物的湿法冶金提供实验依据；另一方面，它将为硫化物矿物的元素活化、迁移、浓集和定位等各种地球化学作用解释提供理论指导。 鉴于硫化物矿物原电池腐蚀实验研究的重要意义以及前人对硫化物矿物原电池腐蚀研究在流动体系和应力作用等领域的研究空白，本论文展开了对上述领域的原电池腐蚀实验研究。 在本工作中，我们设计了一套用于溶液静止和溶液流动条件下的硫化物矿物原电池腐蚀实验装置。在流动条件下，对处在不同溶液组分(Na+、Cu2+、Fe3+)、浓度和流速的黄铁矿-黄铜矿、黄铁矿-方铅矿及应力残余黄铁矿-方铅矿原电池腐蚀进行了实验研究；设计了一套用于溶液静止条件下的硫化物矿物应力原电池腐蚀实验装置。展开了在不同溶液组分(Na+、Fe3+)及弹性轴压应力条件黄铁矿和黄铜矿腐蚀电位下的Tafel曲线及交流阻抗谱实验；在不同溶液组分(Na+、Fe3+)及差应力条件下黄铁矿-黄铜矿原电池混合电位下的Tafel曲线及交流阻抗谱实验。 实验结果表明： (1) 溶液中惰性离子(Na+)浓度的改变对原电池腐蚀电流密度和混合电位无明显影响；溶液中氧化性离子(Cu2+、Fe3+)浓度增大，原电池的腐蚀电流密度和混合电位增大。但是，当黄铁矿-黄铜矿原电池中氧化性离子为Cu2+时，增大Cu2+浓度，腐蚀电流密度先增大后减小，最后增大。 (2) 本实验条件下，溶液流速越大，腐蚀电流密度越大，混合电位增大。 (3) 应力残余黄铁矿由于残余应变能的缘故，其电极电位比处在相同条件的溶液下的方铅矿电极电位更低，应力残余黄铁矿-方铅矿原电池腐蚀情况与无应力的黄铁矿-方铅矿原电池腐蚀情况不同。 (4) 弹性轴压应力下，黄铁矿、黄铜矿电极电位和弹性轴压应力呈较好的负线性关系；黄铁矿、黄铜矿弹性轴压应力越大，腐蚀电位越小，腐蚀电流密度越大；电化学阻抗谱测试等效电路拟合的电极电荷传递电阻越小，极化电阻越小，双电层的离子迁移电阻越小，弥散效应越严重。 (5) 差应力作用下的黄铁矿-黄铜矿原电池腐蚀： 黄铜矿阳极弹性轴压应力越大，腐蚀电位越小，腐蚀电流密度越大；电化学阻抗谱测试等效电路拟合的电极电荷传递电阻越小，极化电阻越小，双电层的离子迁移电阻越小，弥散效应越严重。 黄铁矿阴极弹性轴压应力越大，腐蚀电位越大，腐蚀电流密度越小；电化学阻抗谱测试等效电路拟合的反应电阻越大，极化电阻越大，双电层的离子迁移电阻越大，弥散效应越轻微。 上述流动体系下的硫化物矿物原电池腐蚀结果可用Butler-Volmer方程结合原电池模型和双电层结构很好地解释；应力原电池腐蚀结果可用硫化物矿物半导体的热力学势、电化学势、力学应变能、结合原电池模型和双电层结构很好地解释。