铜冶炼渣(CSS)的复合铁氧体材料化与无害化处理：重金属固化机制与电磁波吸收性能提升

为解决铜冶炼渣(CSS)资源化利用率低和重金属污染风险问题，研究人员通过氧化焙烧工艺将难处理的Fe2SiO4型CSS转化为复合铁氧体材料。研究发现Cu/Zn可掺杂至尖晶石结构的四面体位点，既提升电磁波吸收性能，又实现重金属稳定固化，为工业固废高值化利用提供新思路。

　　

全球每年产生数千万吨铜冶炼渣(CSS)，这种富含铁橄榄石(Fe₂SiO₄)的工业固废长期堆存不仅占用土地，更存在铜锌等重金属的浸出风险。传统处理方法如浮选、湿法冶金虽能回收部分金属，但会产生二次废渣；而将CSS用于建材制备时，其核心组分Fe₂SiO₄却难以被充分利用。与此同时，电子设备普及带来的电磁污染问题日益严重，亟需开发高性能电磁波吸收材料。

针对这一双重挑战，河南理工大学的研究团队创新性地提出将CSS转化为复合铁氧体材料。这种尖晶石结构(spinel)材料不仅可实现重金属的原子级固化，还能赋予产物优异的电磁功能特性。相关成果发表在《Process Safety and Environmental Protection》上，为工业固废的高值化利用开辟了新路径。

研究采用氧化焙烧结合MnO₂添加的技术路线，通过热力学计算明确了Fe₂SiO₄-MnO₂体系在氧化气氛下的反应路径。借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等技术追踪了相变过程，并采用振动样品磁强计(VSM)和矢量网络分析仪测试电磁性能。所有实验均采用中国某铜冶炼厂的CSS样本，其典型成分包含38.7% Fe、28.3% Si及1.2% Cu、0.8% Zn。

热力学基础
通过吉布斯自由能计算证实：低于1000℃时Fe₂SiO₄优先氧化为Fe₃O₄，而MnO₂分解为Mn₂O₃；高于1000℃后，Fe₂O₃与Mn₃O₄反应生成MnFe₂O₄。SiO₂则与Al₂O₃等形成(Mn,Ca,Al)SiO₃硅酸盐相。

相变与微观结构
1200℃焙烧2小时后，CSS中Fe₂SiO₄完全转化为MnFe_O4尖晶石相。电镜观测显示产物呈多孔结构，元素面扫描证实Cu/Zn取代了尖晶石中Mn(II)的四面体配位位点。这种原子级掺杂使晶格常数从8.43?增至8.49?。

功能特性提升
掺杂Cu/Zn的复合铁氧体展现出优异电磁性能：饱和磁化强度达48.2 emu/g，矫顽力为98.5 Oe。在2-18 GHz频段，最小反射损耗达-42.3 dB（厚度2.5 mm），优于未掺杂样品。重金属浸出测试显示Cu/Zn浸出浓度分别降低98.7%和99.2%。

该研究实现了CSS处理的双重突破：一方面通过尖晶石晶格锁定重金属，解决环境风险；另一方面赋予废渣电磁功能特性。特别值得注意的是，Cu/Zn掺杂不仅无害化，反而成为提升材料性能的关键因素。这为Fe₂SiO₄型难处理铁矿的资源化提供了普适性方法，对推动循环经济发展具有重要意义。