通过电化学增强的Ni-Co共沉积对黄铁矿进行磁改性，以便从矿渣中分离出来

《Journal of Environmental Management》：Magnetic modification of pyrite via galvanically enhanced Ni-Co cementation for separation from mine tailings

本文提出一种利用铝粉与镍/钴溶液进行电化学沉积的新型黄铁矿磁分离方法，通过优化反应条件（如pH 2、温度40℃、金属离子浓度0.2 mol/L、Al与FeS?质量比5:5），使黄铁矿表面沉积Ni/Co，显著增强其磁性响应，最终实现钴100%回收和镍98.7%回收。

　　

作者：Hyunjin Na、Kyoungkeun Yoo、Richard Diaz Alorro

西澳大利亚矿业学院：科廷大学矿物、能源与化学工程学院，卡尔古利，西澳大利亚州，6430，澳大利亚

摘要

本研究提出了一种利用磁选法从矿渣中分离黄铁矿（FeS₂）的新方法。该方法采用电化学增强的镍（Ni）/钴（Co）沉淀工艺，通过铝（Al）在FeS₂表面形成Ni和Co沉积层。这一过程由Ni和Co溶液中的Al与FeS₂之间的电化学反应驱动，从而增强了FeS₂的磁响应性。实验结果证实了Ni和Co的成功沉积，显著提高了FeS₂的磁化率。沉积程度受到溶液参数的影响，如pH值、温度和金属离子浓度。在最佳条件下——反应时间为4小时，Ni或Co浓度为0.2摩尔/升，Al与FeS₂的重量比为5:5，pH值为2，温度为40摄氏度——FeS₂的回收率通过Ni沉淀达到78.60％，通过Co沉淀达到100％。为了提高Ni沉淀效率，对条件进行了调整，例如增加颗粒大小、引入N₂气体、提高温度和增加Ni浓度。最终，通过将Ni浓度提高到0.5摩尔/升并将温度提高到50摄氏度，实现了100％的完全回收率。

引言

黄铁矿（FeS₂）是一种常见的硫化物矿物，在矿场中经常与金（Au）、镍（Ni）、铜（Cu）和钴（Co）等有价值的金属共生（Hoang等人，2022年；Owusu等人，2016年；Valderrama和Rubio，2008年；Sirkeci等人，2006年）。黄铁矿存在于矿渣中，对环境构成重大挑战，因其在接触空气和水后会生成酸性矿井排水（AMD）（Sarker等人，2022年；Park等人，2019年；Lèbre等人，2017年；Craig和Vokes，1993年）。为了减轻AMD的形成，已经实施了各种预防、修复和再处理策略。其中，再处理矿渣同时具有减少环境风险和回收与FeS₂相关的有价值金属的好处（Ozun等人，2019年；Santander和Valderrama，2019年；Adrianto和Pfister，2022年；Kinnunen等人，2022年；Vitti和Arnold，2022年；Na等人，2024年）。

浮选一直是从矿渣中分离硫化物矿物的主要方法（Mankosa等人，2016年；Yin等人，2018年；Santander和Valderrama，2019年；Nuorivaara和Serna-Guerrero，2020年）。然而，矿渣中硫化物矿物的化学和物理性质（如表面氧化和广泛的颗粒尺寸范围）常常使浮选技术的应用变得复杂（Bussiere，2007年；Newell等人，2006年；Farrokhpay等人，2021年；Hoang等人，2022年）。磁选提供了一种基于目标矿物磁性质的选择性分离方法，适用于广泛的颗粒尺寸范围（Wills和Finch，2015年）。

对于磁性强弱或无磁性的矿物（如FeS₂），已经提出了磁涂层技术来增强其磁化率（Hwang等人，1982年；Parsonage，1988年）。这些技术已成功应用于各种非磁性矿物的分离，通过选择性表面吸附或与磁铁矿（Fe₃O₄）的共同絮凝。先前的研究展示了从蛇纹石（Mg₃Si₂O₅(OH)₄）中分离五硫铁矿（((Fe, Ni)₉S₈）（Lu等人，2015年，2019年），从蛇纹石中分离菱镁矿（MgCO₃）（Anastassakis，1999年），以及从石英（SiO₂）中分离铝土矿（Li等人，2015年）。一些研究还探讨了通过化学反应在目标矿物上形成磁性成分（如硫酸锰（MnSO₄·nH₂O）和Fe₃O₄）（Shaikh，1994年；Li等人，2015年）。然而，这些方法需要通过使用化学试剂精确控制表面性质以实现选择性吸附。

关于FeS₂表面涂层的研究主要集中在抑制矿渣管理中的FeS₂氧化（Evangelou和Zhang，1995年；Fytas和Evangelou，1998年；Ji等人，2012年；Seng等人，2019年；Gong等人，2021年；Zhang等人，2021年）。许多研究利用了电化学相互作用，这是一种当两种具有不同电化学势的材料在溶液中形成阴极和阳极电池时发生的众所周知的电化学反应。Seng等人（2019年）利用零价铁（ZVI）的优先氧化效应，在球磨过程中通过电化学相互作用促进FeS₂上的磷酸盐涂层。此外，一些研究还研究了在硫化物矿物混合物中通过电化学相互作用将金（Au）吸附到目标FeS₂上（Moeller和Kersten，1994年；Laird等人，2021年）。

多项研究探讨了电化学相互作用和沉淀法的结合，这可以诱导金属在目标基底上的沉积（Jeon等人，2020年，2022年；Choi等人，2021a，2021b）。沉淀是一种由标准还原电位差异驱动的电化学过程。在这个过程中，当一种标准还原电位低于金属离子（R，还原剂）的金属被引入含有金属离子（M^m+）的溶液中时，该金属会捐赠电子以还原金属离子（见方程式（1），（2）（Djoki?和Cavallotti，2010年；Schlesinger和Paunovic，2014年）。他们结合了沉淀反应和电化学相互作用，通过还原剂之间的电化学相互作用诱导金属在材料上的沉积。

基于电化学相互作用和沉淀法的结合概念，当FeS₂与溶液中更具反应性的金属（还原剂R）共存时，这种金属作为阳极，而FeS₂作为阴极，在电化学相互作用系统中，金属离子通过沉淀反应（方程式（2）从金属的溶解中转移到FeS₂表面。由于硫化物矿物的半导体特性，非导电材料（如石英（SiO₂）和氧化铝（Al₂O₃）不参与这一过程。这一特性使得FeS₂的选择性分离成为可能。

基于这一理论基础，本研究探讨了一种在FeS₂颗粒上诱导磁性沉积的新方法。该方法引入了使用铝（Al）粉末的钴（Co）和镍（Ni）沉淀。Co（E⁰ = -0.28 V）和Ni（E⁰ = -0.26 V）溶液提供沉积所需的金属离子，而Al粉末（E⁰ = -1.66 V）作为还原剂促进电子转移。测试了一系列实验条件，包括溶液pH值、温度、Co或Ni浓度、FeS₂与Al的重量比以及FeS₂的颗粒尺寸。通过使用两种磁性元素（Co和Ni），本研究比较了它们对FeS₂沉积行为的影响。为了评估沉淀过程的有效性，对处理后的颗粒应用了简单的磁选（使用4000 G的圆盘磁铁）。

部分摘录

使用沉淀法在FeS₂表面的磁性沉积

测试按照图1（a）中的流程进行。

Al粉末试剂（Barnes, Pty Ltd.）的粒径为45 μm（D₅₀）。FeS₂矿物样品使用振动圆盘粉碎机（ring mill，C + PB，ROCKLAB, Ltd.）研磨并筛分至75 μm以下。还通过筛分准备了不同粒径范围的FeS₂原料，包括75–106 μm、106–150 μm和150–300 μm。FeS₂的化学成分总结在表1中。

在FeS₂粉末的情况下，为了最小化

评估使用Al粉末在FeS₂上的磁性沉积潜力

图2（a）显示了使用Ni或Co沉淀以及不同Al和FeS₂组合的磁选结果。在仅使用Al的系统中，所有Al粉末都通过磁选被回收。然而，当同时加入Al和FeS₂到Ni或Co溶液中时，磁性组分显著增加，达到100％。这些发现表明Al使FeS₂

通过电化学相互作用和沉淀法实现金属沉积的过程

从上述SEM图像（图7，图8）可以看出，在反应过程中，Al粉末作为阳极，FeS₂作为阴极形成电化学电池。当Al粉末溶解在溶液中时，FeS₂为Ni和Co的沉积提供了还原位点。因此，Al和FeS₂粉末之间的电化学相互作用应参与了在FeS₂表面形成金属沉积的电化学电池。

结论

结果表明，在Al粉末存在的情况下，Co和Ni的磁性金属沉积成功地在FeS₂表面形成，从而可以通过磁选法进行分离。导电材料FeS₂和Al粉末之间的电化学相互作用形成了电化学电池，Al粉末作为阳极，FeS₂作为阴极，促进了Al和金属离子在FeS₂表面的沉淀反应。

高效的FeS₂磁性沉积受

CRediT作者贡献声明

Hyunjin Na：撰写——原始草案，可视化，研究，概念化。Kyoungkeun Yoo：撰写——审阅与编辑，概念化。Richard Diaz Alorro：撰写——审阅与编辑，监督，概念化。

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