温和水热条件下黄铜矿向铜蓝转化的机制与动力学研究及其在铜矿加工中的应用

本研究针对黄铜矿(Ccp)在低温湿法冶金中难溶解的行业难题，通过140-200°C水热实验揭示了酸性(pH 0.7-3)条件下Ccp经溶解-再沉淀转化为铜蓝(Cv)的界面反应机制，测得pH 0.7-1.5时活化能(Ea )为27-90 kJ/mol，发现反应控制模式随pH变化的规律，为优化铜矿浸出工艺提供理论支撑。

　　

在地球深处的高温高压环境中，黄铜矿(CuFeS₂
, Ccp)作为最主要的铜矿物，却因其顽固的晶体结构成为铜矿开采中的"硬骨头"。传统湿法冶金在低温堆浸时，Ccp的溶解效率往往不足20%，每年造成数百万吨铜资源的浪费。更令人困惑的是，自然界中常发现Ccp被铜蓝(CuS, Cv)等次生矿物替代的现象——这种自发发生的"矿物变身"过程，能否为人工铜矿加工提供新思路？

澳大利亚研究理事会与必和必拓联合资助的研究团队在《Geochimica et Cosmochimica Acta》发表的研究，首次系统揭示了Ccp向Cv转化的秘密。研究人员采用多尺度表征技术组合拳：通过水热反应釜模拟120-200°C的地质环境，利用X射线光电子能谱(XPS)捕捉硫化学态演变，结合扫描电镜(SEM)观察反应界面形貌，并运用阿夫拉米-阿伦尼乌斯(Avrami-Arrhenius)模型计算动力学参数。

反应机制方面，电镜图像清晰显示Ccp与Cv之间存在5-10μm的反应间隙，证实这是典型的溶解-再沉淀反应而非固态扩散。XPS检测到反应初期生成的单质硫(S⁰
)中间体，揭示Ccp溶解经历Fe²⁺
优先溶出的非化学计量过程。在pH 0.7-2的酸性环境中，H₂
O₂
作为氧化剂时，140-200°C范围内成功实现Ccp向Cv的完全转化。

动力学研究获得突破性发现：活化能E_a
随pH降低呈现反常升高趋势，pH 1.5时仅27±7 kJ/mol（符合扩散控制特征），而pH 0.7时跃升至90±21 kJ/mol（转为界面控制）。这种"控制模式转换"现象首次被定量证实，暗示强酸性条件下Cv产物层的致密化会阻碍离子传输。

该研究对理解矿床次生富集机制和优化湿法冶金工艺具有双重意义。地质上，解释了为何低温热液系统（如斑岩铜矿）中Cv常以多孔结构存在；工业上，提出通过调控pH在1.5附近可实现低温（<100°C）高效浸铜，相比传统工艺预计节能30%。研究团队特别指出，未来可借鉴自然界"先转化后溶解"的智慧，开发Ccp-Cv定向转化协同生物浸出的新技术路线。

值得注意的是，在120°C实验中观察到Cv会进一步转变为单质硫，这一发现为解释某些矿床中硫磺伴生现象提供了实验依据。作者Zhen He等强调，矿物表面Cu⁺
/Cu²⁺
比值的变化很可能是控制反应速率的"隐形开关"，这将成为后续研究的关键靶点。