电化学活化石灰石系统：从酸性矿山废水中高效回收重金属与CO2封存的双赢策略

研究人员针对酸性矿山废水(AMD)中重金属污染治理与资源回收难题，创新设计电化学活化石灰石(EAL)系统，通过电还原与局部高pH介导的沉淀机制，实现Cu、Cd、Zn等金属82.3-100%的高效提取（纯度达81.3 wt%），同时赋予处理废水CO2封存潜力。该技术较传统石灰中和法降低成本17.9%、减少60.1%碳排放，为AMD可持续治理提供新范式。

　　

矿山开采在为现代社会提供金属资源的同时，也产生了大量酸性矿山废水（Acid Mine Drainage, AMD）。这种富含硫酸和重金属（如Cu、Cd、Zn）的废水，不仅造成河流污染和土壤退化，还浪费了可回收的战略金属资源。传统石灰中和法虽能快速提升pH值，但会产生含重金属的危险污泥，且难以分离有价值的金属。更棘手的是，现有电化学技术因需消耗大量能量中和酸性环境，实际应用受限。如何实现AMD治理与资源回收的双赢，成为环境工程领域的重大挑战。

针对这一难题，南方科技大学的研究团队在《Nature Communications》发表创新成果。他们巧妙结合电化学与石灰石中和的优势，开发出电化学活化石灰石（Electrochemically Activated Limestone, EAL）系统。该系统通过阳极区填充石灰石选择性消耗质子，协同阴极局部高pH介导的金属沉积，成功从模拟和真实AMD中提取82.3-100%的重金属（纯度达81.3 wt%），能耗仅0.006-0.180 kW·h g^-1金属。更令人惊喜的是，处理后的废水因富含Ca²⁺和碱度，展现出CO₂封存潜力，实现环境修复与气候应对的双重效益。

研究团队采用多学科技术验证系统效能：1）构建三电极反应器监测电位变化；2）利用ICP-OES和XPS分析金属形态；3）通过SEM-EDS和XRD表征沉积产物；4）基于实际AMD样本（采自广东韶关铜硫尾矿）进行验证；5）采用HSC Chemistry 6.0模拟金属电化学行为。

系统设计与性能验证

EAL系统的核心创新在于阳极区填充石灰石颗粒，通过反应CaCO₃+2H⁺→Ca²⁺+CO₂+H₂O选择性消耗电解产生的H⁺，避免其干扰阴极反应。实验显示，EAL处理5小时后溶液pH从3.0升至9.7，而单纯石灰石处理仅达7.5。阴极区则通过水还原反应（2H₂O+2e^-→H₂+2OH^-）形成局部高pH环境，促使重金属沉积。

金属提取机制

XPS和XRD分析揭示：高还原电位金属（如Cu²⁺/Cu⁰, E=+0.342 V）直接电沉积为单质；低电位金属（Cd²⁺/Cd⁰, E=-0.403 V；Zn²⁺/Zn⁰, E=-0.762 V）则通过局部OH^-形成CdCO₃或Zn₅(OH)₆(CO₃)₂沉淀。处理含200 mg L^-1 Fe²⁺的复杂AMD时，系统仍能提取94.3% Zn和44.5% Fe，且重金属富集于阴极（占总提取量96.8%），与铁污泥（45.9% Fe）自然分离。

环境与经济价值
生命周期评估显示，EAL较传统石灰法降低60.1% CO₂排放和13.7%生态毒性。处理后的废水在开放环境中可自发捕获CO₂形成文石（CaCO₃），DIC浓度提升67.3%。技术经济分析表明，以190 m³ h^-1处理规模计算，20年运营周期可节约成本17.9%。

这项研究突破了AMD治理与资源回收难以兼得的瓶颈，为矿业可持续发展提供新思路。通过电化学与矿物化学的巧妙耦合，不仅实现重金属的高效回收（纯度达工业级），还创造性地开发出废水碳封存功能，完美呼应联合国可持续发展目标（SDG 6清洁水与SDG 12负责任生产）。未来通过电极材料优化和反应器设计，该技术有望在更复杂环境中推广应用。