铜尾矿经H2O2/K2S2O8氧化转化为多功能催化吸附材料用于Hg0脱除

《Environmental Technology & Innovation》：Waste-to-resource conversion of copper tailings into multifunctional catalytic adsorptive materials for Hg0 removal via H?O?/K?S?O? oxidation

　　

铜尾矿的堆积因占用土地和潜在重金属风险已引起重大环境关注，而工业烟气中元素汞（Hg⁰）排放的高效控制仍具挑战性。本研究提出一种废物资源化策略，通过湿法H₂O₂/K₂S₂O₈氧化体系将热活化铜尾矿转化为多功能催化吸附材料用于Hg⁰脱除。铜尾矿中丰富的矿物组分和过渡金属物种（Fe和Mn）提供了氧化剂活化的催化活性位点，促进Hg⁰转化为稳定的氧化态汞物种。在优化条件下（固液比10%、反应温度45 °C、SO₂浓度2000 mg/m³、NO_x浓度600 mg/m³、O₂含量10%），该催化体系实现了91.99%的Hg⁰脱除效率。性能提升归因于活化铜尾矿与复合氧化剂之间的协同相互作用，以及催化剂表面反应活性的改善。此外，该催化剂表现出良好的抗烟气组分干扰能力和操作稳定性，证明了铜尾矿作为低成本汞排放控制催化剂的可行性。这项工作为同步实现铜尾矿资源化和大气汞污染减排提供了一条可持续路径。

汞（Hg）是一种高挥发性、全球迁移、具有生物毒性和生物累积性的污染物，对生态系统和人体健康构成严重威胁。大气中的汞主要来自自然释放和人为排放，其中燃煤发电、有色金属冶炼和工业废物焚烧是主要人为源。烟气中的汞以元素汞（Hg⁰）、二价汞（Hg²⁺）和颗粒态汞（Hg_p）等形式存在，其中Hg²⁺和Hg_p易于被常规净化设备脱除，而Hg⁰因高挥发性、低溶解性和长大气停留时间而难以捕获，成为烟气汞控制的技术难点。传统吸附技术受限于捕获稳定性不足和潜在解吸风险。近年研究表明，吸附-氧化耦合策略可有效促进Hg⁰脱除，基于活性自由基的高级氧化过程（AOPs）受到广泛关注。H₂O₂与过硫酸盐（K₂S₂O₈）组成的双氧化剂体系可产生多种高活性自由基，具有高效、灵活和环境友好等优点。Fe/Mn基催化剂因优异的氧化还原性能被广泛研究，但多数需刻意合成或负载改性，成本较高。铜尾矿作为大宗工业固废，富含Fe₂O₃和Mn氧化物等活性组分，具备作为低成本催化材料的潜力。然而，利用铜尾矿催化H₂O₂/K₂S₂O₈体系脱除Hg⁰的研究尚属空白。因此，本研究提出废物资源化策略，将热活化铜尾矿转化为多功能催化吸附材料，用于湿法烟气Hg⁰脱除。

研究人员以云南省某矿区铜尾矿为原料，经水洗、干燥和700 °C煅烧活化后，构建了铜尾矿/H₂O₂/K₂S₂O₈湿法催化氧化体系。通过单因素和正交实验优化了固液比、反应温度、烟气组分等参数，系统考察了氧化剂浓度、pH、温度及烟气组分对Hg⁰脱除效率的影响。结果表明，在优化条件下（固液比10%、45 °C、SO₂ 2000 mg/m³、NO 600 mg/m³、O₂ 10%、H₂O₂ 0.4 mol/L、K₂S₂O₈ 0.2 mol/L），Hg⁰脱除效率达到91.99%。多项表征技术揭示了反应机理：过渡金属Fe/Mn活化氧化剂产生•OH和SO₄•^?自由基，将Hg⁰氧化为Hg²⁺，并通过生成HgO和HgSO₄实现稳定固定。催化剂表现出良好的抗烟气组分干扰能力和循环稳定性（8次循环平均效率90.01%）。该研究为铜尾矿资源化和大气汞污染协同治理提供了可持续途径，相关成果发表在《Environmental Technology》。

研究人员采用多项表征技术：热重-微分热重分析（TG-DTG）评估热稳定性与热解行为；X射线衍射（XRD）分析物相变化；X射线荧光光谱（XRF）定量主要化学组分；扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）观察表面形貌与元素分布；X射线光电子能谱（XPS）分析表面元素化学态；傅里叶变换红外光谱（FTIR）识别官能团变化；电子顺磁共振（EPR）检测自由基；电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）定量液相Fe、Mn和Hg。此外，通过单因素实验、正交实验（L₁₆(4⁵)）和自由基淬灭实验探究影响因素与反应机理。样本来源为云南省某矿区铜尾矿。

3.1 预强化反应条件研究：通过对比原料与700 °C煅烧样品，发现煅烧后Hg⁰脱除效率从49.92%提升至68.26%，归因于白云石热分解和表面活性位点增加。单因素实验和正交实验确定最佳工艺参数，但效率仅72.55%，需引入双氧化剂强化。

3.2 氧化剂浓度的影响：单独使用H₂O₂或K₂S₂O₈时，与浆料协同的最高效率分别为84.11%（0.4 mol/L）和87.34%（0.2 mol/L）；两者复合（0.4 mol/L H₂O₂ + 0.2 mol/L K₂S₂O₈）时效率升至91.99%，且H₂O