《Minerals》：Multi-Scale Process Mineralogy of Cd and Ag in a Pb-Zn Ore: Implications for Recovery Optimization
Xiaoliang Zhang,
Yong Cheng,
Yang Liu,
Huiqi Li,
Chuanxiong Cai,
Yiming Wen,
Jun Ma,
Saihua Xu,
Xiangdong Niu and
Jiajun Tang
+ 5 authors
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关键金属从复杂多金属矿中的高效回收依赖于阐明其矿物学赋存状态。本研究针对中国西南地区一种富含镉（Cd）和银（Ag）的铅锌矿，采用结合反射光显微镜、多元素自动矿物分析仪（TIMA）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）的多尺度工艺矿物学方法进行了
关键金属从复杂多金属矿中的高效回收依赖于阐明其矿物学赋存状态。本研究针对中国西南地区一种富含镉（Cd）和银（Ag）的铅锌矿，采用结合反射光显微镜、多元素自动矿物分析仪（TIMA）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）的多尺度工艺矿物学方法进行了调查。系统分析了矿石结构、矿物解离特性以及Ag和Cd的赋存与分布情况。该矿石为中低品位铅锌矿床（铅0.81%，锌4.33%），具有经济可回收的伴生镉（0.066%）和银（5.04 ppm），主要矿物包括闪锌矿（7.74%）、方铅矿（1.39%）、黄铁矿（3.92%）、石英（47.80%）和方解石（18.66%）。TIMA分析表明闪锌矿和方铅矿解离度较差，完全解离颗粒占比小于30%。LA-ICP-MS结果显示，镉高度富集于闪锌矿中（平均5982 ppm，占比98%），主要以类质同象形式存在；而银分散在黄铁矿（平均178 ppm，占比56%）、方铅矿（平均227 ppm，占比25%）和闪锌矿（平均31 ppm，占比19%）中，也主要呈类质同象存在；黄铁矿中的部分镉以微包裹体形式存在。多尺度矿物学数据为资源利用提供了科学依据，表明需要细磨和差异化回收策略：铅锌回收采用“抑锌优先浮铅”流程，建立以铅-锌-铁为载体综合回收银的系统，以及以“锌载镉”方式浮选回收镉。本研究验证了结合TIMA和LA-ICP-MS阐明关键金属赋存状态的有效性，并为此类复杂矿石的可持续处理提供了基于矿物学的工艺设计基础。
随着全球矿产资源需求结构的深刻转型，关键金属因其在下一代信息技术、新能源和高端装备制造等战略新兴产业中的不可替代作用，已成为全球竞争和研究的焦点。镉（Cd）和银（Ag）作为重要的分散金属和贵金属，在光伏电池、新型储能系统、电子工业及先进合金中发挥着关键作用。铅锌矿床常伴生丰富的关键金属如Cd和Ag，赋予其极高的综合回收价值和战略意义。然而，这些关键金属在矿石中的赋存状态复杂且高度非均质，其高效回收很大程度上取决于对矿石工艺矿物学特征，特别是结构特征、目标矿物的解离行为以及关键元素的微观赋存机制的精细理解。
工艺矿物学研究是矿产资源评价、选矿工艺优化及综合利用的基础。尽管传统方法（如光学显微镜和化学相分析）可提供矿物组成和元素分布的宏观信息，但在解析微米至纳米尺度的矿物关联、元素赋存形式及载矿矿物识别方面存在局限。近年来，基于自动矿物分析系统（如TIMA）和激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）的综合表征技术，为多尺度、原位及定量工艺矿物学研究提供了有力工具，实现了从宏观结构到微观元素分配的联合解释。目前，关于富含Cd和Ag的铅锌矿中关键金属赋存机制的研究多集中于单一矿物中Cd的富集或方铅矿中Ag的存在，缺乏跨越“矿物组成-结构特征-解离行为-元素赋存”的系统性多维工艺矿物学表征。特别是对于Cd和Ag共富集的矿石类型，这些元素在不同硫化物（如闪锌矿、方铅矿和黄铁矿）中的分配行为、取代机制及其对选矿性能的潜在影响，仍需通过先进微区分析技术阐明。
为此，研究人员选取中国西南地区典型富含Cd和Ag的铅锌矿为研究对象，旨在系统确定主要有用矿物（闪锌矿和方铅矿）的粒度分布、矿物关联和解离特征，重点关注关键元素Ag和Cd的浓度分布、载矿矿物及微尺度赋存状态（类质同象取代或微包裹体）。本研究不仅有助于阐明此类矿石中关键金属的富集规律及其制约选矿回收的矿物学因素，也为中国此类多金属资源的绿色高效综合利用提供了坚实的矿物学基础。论文发表在《Minerals》。
为开展此项研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，使用反射光全景扫描系统获取抛光薄片的反射光图像以观察宏观结构；其次，利用多元素自动矿物分析仪（TIMA）进行自动化矿物分析，获取矿物种类、含量、连生体及元素赋存信息；最后，采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（LA-ICP-MS）进行原位微区痕量元素分析，以测定矿物中Ag和Cd的浓度及赋存状态。样本来源为中国西南部露天开采的铅锌矿体，采样量为150 kg，经过破碎、缩分、磨矿（细度约75%通过74 μm）等预处理后制备成抛光薄片和抛光块用于后续分析。
研究结果部分首先展示了元素的浓度分布。化学多元素分析显示，该矿石为低品位铅锌矿床，铅含量0.81%，锌含量4.33%，伴生银5.04 ppm，镉0.066%，显示出综合回收潜力。相分析表明，铅主要以方铅矿形式存在（占总量82.90%），锌主要以闪锌矿形式存在（占总量94.90%）。在结构方面，矿石主要包含闪锌矿、方铅矿、黄铁矿等金属矿物，以及石英、方解石等脉石矿物，具有角砾状、浸染状、脉状、孔状和斑杂状结构，以及自形-半自形结构、包体结构、碎裂结构等。矿物组成方面，TIMA分析显示石英（47.80%）和方解石（18.66%）为主要脉石矿物，闪锌矿（7.74%）、伊利石（7.37%）和黄铁矿（3.92%）次之。微区痕量元素分析结果表明，银主要赋存于方铅矿（平均226.86 ppm），其次是黄铁矿（平均178.15 ppm）和闪锌矿（平均31.22 ppm）；镉高度富集于闪锌矿（平均5982.00 ppm），黄铁矿和方铅矿中含量较低。在解离特性方面，在现有磨矿细度下，闪锌矿和方铅矿的完全解离颗粒占比均低于30%，大量颗粒处于未解离或半解离状态，且主要与石英、方解石等脉石矿物连生。
讨论部分深入探讨了Ag和Cd的赋存状态及其对资源回收的意义。LA-ICP-MS时间分辨信号显示，Ag和Cd在闪锌矿和方铅矿中呈平滑信号，表明主要以类质同象形式存在；而在黄铁矿中，Cd信号出现尖峰，表明部分Cd以微包裹体形式存在。由于Ag+与Pb2+、Zn2+、Fe2+半径差异大，其取代机制涉及耦合取代，如Ag+ + As3+ ? 2Fe2+。基于矿物学特征，研究人员提出了资源回收优化策略：一是针对铅锌回收，需优化磨矿细度以提高解离度，并在浮选流程中采用“抑锌优先浮铅”策略，控制试剂制度以减少铅锌互染；二是针对银回收，应建立以铅-锌-铁为载体的综合回收系统，考虑从铅锌尾矿中回收黄铁矿中的银，并探索低碱度工艺；三是针对镉回收，应采取“锌载镉”策略，因为Cd主要赋存于闪锌矿中，提高锌精矿品位和回收率即能有效回收镉。
研究结论总结指出，通过结合反射光显微镜、TIMA和LA-ICP-MS的多尺度工艺矿物学研究，阐明了西南地区富含Cd和Ag的铅锌矿的矿物学特征及关键金属赋存机制。该矿石为中低品位铅锌矿，主要矿物为闪锌矿、方铅矿、黄铁矿、石英和方解石，伴生Ag和Cd具有经济价值。Ag主要赋存于方铅矿，Cd高度富集于闪锌矿，且在硫化物中主要以类质同象形式存在，黄铁矿中部分Cd为微包裹体。闪锌矿和方铅矿粒度细且与脉石紧密连生，完全解离度低，这是限制选矿回收的核心矿物学瓶颈。为实现资源价值最大化，需优化磨矿细度以提高解离度，采用“锌载镉”策略高效回收Cd，并构建以Pb-Zn-Fe为载体的综合Ag回收系统，推动选矿设计从以主金属为中心向主金属与关键金属协同回收转变。
