基于物理性质的未改性聚氨酯泡沫（U-PUF）筛选及其对岩金矿石中金的富集机制与方法验证

《RSC Advances》：Physical property-based screening of polyurethane foam for gold enrichment from rock gold oresOpen Access

　　

为解决市售未改性聚氨酯泡沫（U-PUF）在岩金矿石金富集中金提取效率差异显著且缺乏科学筛选依据的技术难题，本研究依据《通用软质聚氨酯泡沫塑料》（GB/T 10802-2023），系统考察了18个U-PUF样品的6项物理性质与金提取效率之间的相关性。结合吸附动力学、竞争吸附特征和微观表征技术阐明了金富集机制。结果表明，金吸附率≥95%的U-PUF最佳物理参数为：白色、密度30–40 kg m^?3、25%压陷硬度105–140 N、40%压陷硬度130–150 N、回弹率50–65%、孔径100–400 μm（细孔）。该U-PUF最佳吸附容量为3.91 mg g^?1，吸附过程符合三阶段颗粒内扩散模型，30 min内达到吸附平衡，均一吸附性能优良。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析确认U-PUF对金的吸附不涉及化学键合，扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）表征显示金以300 nm至15 μm的多尺度聚集体形式存在于U-PUF多孔骨架上。富集机制阐明为：在酸性体系中，U-PUF上的仲氨基发生质子化，通过静电作用捕获[AuCl₄]^?阴离子，随后将其原位还原为单质金。按最佳参数筛选的U-PUF对26个金矿石标准物质的测定值与认定值具有良好一致性，对实际岩金矿石样品的测定值与活性炭富集法和火试金法无显著差异。本研究建立的U-PUF物理性质筛选标准解决了批量地质样品金富集中材料选择的困境，并为U-PUF的标准化应用提供了理论支持和技术规范。

论文主体解读：

金（Au）作为具有工业、医疗和金融属性的关键贵金属，在电子制造、催化材料、精密仪器和全球储备体系中占据不可替代地位。其地壳平均丰度仅4 ng g^?1，属超低丰度元素；岩金矿石中大量共存基体元素造成光谱干扰和基体效应，且金赋存形态复杂，直接测定的准确度和精密度难以满足地质勘查与资源评价要求，因此高效富集分离是准确测定金的核心前提。固相萃取（SPE，利用固体吸附剂从液相中分离富集目标物的技术）因操作简单、富集因子高、有机溶剂消耗低、易与自动化耦合和成本可控，成为大批量地质样品金快速前处理的首选；聚氨酯泡沫（PUF，多孔吸附材料）因多孔结构、高比表面积、低成本、易保存处理而广泛用作SPE吸附剂。U-PUF已进入多项标准方法，但实际应用中不同厂家U-PUF对岩金矿石样品的金富集效率差异显著，现有研究未阐明其物理性质与金富集效率的相关性，GB/T 10802-2023虽规定密度、硬度、回弹率和孔径等指标，却未建立这些指标与金吸附性能的对应关系，导致批量样品分析缺乏科学选材依据。为此，研究人员按该标准系统研究18种市售U-PUF六项物理性质与金提取效率的相关性，确定金吸附率≥95%的最佳物理参数，结合吸附动力学、竞争吸附特征及微观表征阐明富集机制，并通过不同厂家U-PUF、26种金矿石标准物质和4个实际岩金矿石样品与活性炭富集法及火试金法比对验证。该研究解决了商业U-PUF批量筛选的关键痛点，为U-PUF在金富集中的标准化应用提供了理论支持和技术规范。

关键技术方法：依据GB/T 10802-2023测定18种市售U-PUF六项物理性质；岩金矿石焙烧、王水体系消解后，经U-PUF振荡吸附、硫脲沸水浴解吸，以原子吸收光谱（AAS）测定并计算金吸附率；开展吸附动力学和竞争吸附实验；采用光学显微镜、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）表征。样本来源：成都锦江泡沫有限公司的18种U-PUF，5个厂家的8种合格U-PUF（Y-1～Y-8），26种金矿石标准物质，4个实际岩金矿石样品；火试金由中国地质科学院矿产综合利用研究所完成。

3.1 Adsorption differences of Au by U-PUF with different physical properties：通过比较未处理、水煮2 h和10% HCl浸泡6 h三种预处理，发现水煮和酸浸泡均提高金吸附率，且酸浸泡优于水煮，故采用酸浸泡；通过18种U-PUF的颜色、密度、25%和40%压陷硬度、回弹率、孔径与金吸附率对比，确定白色、密度30–40 kg m^?3、25%压陷硬度105–140 N、40%压陷硬度130–150 N、回弹率50–65%、细孔100–400 μm为最佳物理参数，达到≥95%吸附率。

3.2 Adsorption capacity characteristics：选取No.2高效样和No.13低效样（密度和硬度相近但具600–1200 μm超粗孔）比较吸附容量。两者最大吸附容量无显著差异（12.5 mg g^?1与12.4 mg g^?1），说明极限容量主要由材料本体结构决定；No.2在 Au含量≤800 μg时吸附率>95%，最佳吸附容量3.91 mg g^?1，而No.13始终<90%且无明确最佳范围，表明有效吸附取决于活性位数量与分布均匀性。

3.3 Competitive adsorption characteristics：通过同型不同质量及混合型竞争吸附实验，No.2总吸附202.3 μg（101.2%），No.13为180.3 μg（90.2%）；平均K值No.2（189.3）高于No.13（174.5），K的RSD分别为2.35%和8.98%。混合组中No.2吸附124.0 μg（62.0%），No.13吸附70.1 μg（35.0%），K值124.0与69.7。结果表明No.2均一吸附性能和选择性更强，与质子化活性位数量直接相关。

3.4 Adsorption kinetics characteristics：通过接触时间实验，0–5 min吸附最快，5–20 min转慢，20 min后趋稳，30 min达平衡；平衡时No.2吸附率>95%，No.13<90%。颗粒内扩散模型整体线性较差，分段呈三线性，表明吸附经历外表面吸附、颗粒内扩散控速和接近平衡三阶段。

3.5 Microscopic morphology and structural characteristics
3.5.1 Optical microscopy observation：光镜显示No.2孔分布较均匀、孔径较一致，No.13孔径不规则且形态不均；富集后仅颜色变化，孔形态和孔径无显著改变，光镜未检出富集金的形貌。
3.5.2 FTIR analysis：FTIR谱图在未处理、酸浸泡和富金状态下基本一致，氨基3300–3400 cm^?1与羰基1700–1730 cm^?1特征峰无位移、强度变化或新峰生成，表明U-PUF化学结构保持完整，金吸附不涉及化学键合，非化学吸附。
3.5.3 SEM-EDS characterization：SEM显示U-PUF为三维多孔球状网络，孔径约200 μm；随放大观察到亮白点、约5 μm聚集体、10–15 μm不规则多面体、3–4 μm蝴蝶/哑铃状、300–400 nm纳米颗粒及角砾状聚集体，EDS确认富集相含Au，反映“吸附–成核–生长–聚集”过程。

3.6 Enrichment mechanism：综合FTIR和SEM结果，排除N/O原子与Au(iii)配位；机制为酸性HCl体系中仲氨基（?NH?）质子化，静电捕获[AuCl₄]^?，并原位还原为单质金，范德华力和氢键仅为次要辅助作用。

3.7 Method validation
3.7.1 Validation of U-PUF from different manufacturers：按推荐指标从5个厂家选取8种U-PUF（Y-1～Y-8），Y-4和Y-5平均吸附率分别为94.8%±0.81%和94.7%±0.46%，略低于95%，其余6种均>95%，基本满足金富集要求。
3.7.2 Validation of certified reference materials and actual samples：No.2和Y-4对26种金矿石标准物质的测定值与认定值基本一致；4个实际岩金矿石样品用No.2、Y-4、Y-8所得结果与活性炭富集法及火试金法一致，验证了方法可靠性。

讨论要点总结：物理性质与吸附性能的关联可解释为，细孔结构提供更高比表面积和均匀扩散路径，粗孔易产生沟流；30–40 kg m^?3密度和适宜压陷硬度保证机械稳定且不阻碍离子接近质子化仲氨基；50–65%回弹率反映利于振荡过程中位点更新的最佳粘弹性；白色表明无颜料添加剂占据活性位。高效U-PUF具有更高密度且分布更均匀的仲氨基（约0.85 mmol g^?1）。U-PUF在批量金分析中为一次性使用，酸性条件下再生会损害结构稳定性。竞争吸附差异与质子化活性位数量直接相关。该研究解决了商业U-PUF批量筛选痛点，并为标准化应用提供技术支撑；未来将把筛选准则扩展至复杂基质贵金属分析，并对有色U-PUF添加剂进行Py-GC-MS、XRF等化学表征以完善物理性质标准。

研究结论（译）：针对商业U-PUF应用于岩金矿石金提取时缺乏筛选标准、富集效率差异大的问题，研究人员依据GB/T 10802-2023系统研究了18种商业U-PUF物理性质与金富集效率的相关性，并通过多种表征方法验证和阐明了核心结论：用于金富集的高性能U-PUF应满足白色、密度30–40 kg m^?3、25%压陷硬度105–140 N、40%压陷硬度130–150 N、回弹率50–65%及细孔结构。合格U-PUF具有突出的均一吸附性能，30 min内达到吸附平衡，最佳吸附容量3.91 mg g^?1，吸附动力学符合颗粒内扩散和准二级动力学模型。金富集机制为：酸性体系中U-PUF仲氨基质子化，静电捕获[AuCl₄]^?，吸附的Au(iii)进一步原位还原为单质金聚集体，尺寸为300 nm～15 μm。方法验证表明，筛选U-PUF所得检测数据与标准物质认定值及常规方法（活性炭富集和火试金）结果高度一致。本研究解决了商业U-PUF批量筛选的关键痛点，为U-PUF在金富集中的标准化应用提供了坚实技术支撑。未来将把建立的筛选准则扩展至复杂基质贵金属分析，并对有色U-PUF添加剂进行化学表征（如Py-GC-MS、XRF）以进一步完善物理性质标准。