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本论文的主要研究内容:(1)磁黄铁矿物理、化学及矿物学性质的测定与表征,从微观角度考察样品性质与反应性的关系。(2)研究磁黄铁矿在稀H2O2中的氧化过程,初步确定氧化速率、产物和速率影响因素。(3)系统研究磁黄铁矿在H2O2、FeCl3和空气中的氧化动力学过程,计算氧化速率和反应活化能数值,确定氧化机理。(4)考察磁黄铁矿在AcidiAcidithiobacillusferrooxidans作用下的氧化动力学过程,明确磁黄铁矿的生物氧化机理。(5)评价三乙烯四胺(TETA)抑制磁黄铁矿化学和生物氧化的可行性,探索氧化抑制机理。
采用稀H2O2作为氧化剂可以预测磁黄铁矿的氧化过程,它与样品在空气中的氧化结果具有对比性,Garson、McCreedy、Po-97在H2O2(3%,w/w)中氧化5h的氧化程度分别相当于它们在空气中氧化2周、3月和2月。样品在稀的H2O2氧化下,产生的Fe和SO42-有着明显的相关性,而且,存在Fe被优先氧化或者S有中间氧化产物的可能。磁黄铁矿样品中含有的微量元素,如Ni、Cu、Co等会伴随氧化过程而释放出来,造成矿区环境的重金属污染。
除了稀的H2O2,样品在FeCl3溶液以及潮湿空气中也能发生快速的氧化反应,氧化速率受氧化剂浓度、反应体系pH和反应温度的影响很大,增加氧化剂浓度、降低反应介质pH或升高反应温度都能大大加快反应进程。样品在稀的H2O2或FeCl3溶液中的氧化产物主要为Fe2+和SO42-,在潮湿空气中的氧化产物主要为FeSO4、Fe2(SO4)3、FeO(OH),而且两者的氧化机理不同。从样品的反应活化能数值可推断出,磁黄铁矿的氧化反应不是扩散控制韵反应,而是包括化学键生成或断裂的化学反应。
酸性矿山废水中常见的Acidithiobacillusferrooxidans细菌能加速磁黄铁矿的氧化过程,它的这种作用是通过将样品溶解出来的Fe2+迅速转化成Fe3+,消除了在无菌情况下氧气将Fe2+氧化为Fe3+这一反应受限步骤,因此,不但增强了反应体系的氧化条件而且所产生的Fe3+在酸性条件下也是磁黄铁矿的重要氧化剂,能将更多的样品氧化溶解,从而加速整个氧化反应,这也说明T.f.细菌是通过间接作用来氧化磁黄铁矿样品的。
采取三乙烯四胺(TETA)直接喷洒在磁黄铁矿样品表面的简单包膜处理后,样品在稀H2O2、85~90%湿度空气和1x10-3MFeCl3溶液中的化学氧化以及在T.f.菌溶液中的生物氧化程度分别降低了47.71%、54.7%、79%和82.07%(以McCreedy样品的总铁生成量为例),在85~90%湿度的空气中,TETA有效抑制磁黄铁矿样品氧化的持续时间大于90天;在T.f.细菌存在的情况下,膜处理有效的持续时间大于42天。TETA抑制磁黄铁矿样品在空气中的氧化是通过隔绝样品和氧气的接触实现,抑制磁黄铁矿样品在1x10-3MFeCl3溶液中的反应是通过提高反应体系的pH实现,而抑制磁黄铁矿样品的生物氧化则是通过提高反应体系的pH和降低Eh,恶化嗜酸T.f.细菌的生存环境来实现的。与其他包膜处理方法相比,TETA包膜处理不但能同时抑制磁黄铁矿的化学和生物氧化,还具有操作简单、费用低、实际应用价值高等优点。