有机硅烷掺杂纳米SiO2对黄铁矿的钝化效果及其机理的研究

摘要

黄铁矿等金属硫化物矿物氧化产生的酸性矿山废水（AMD），是矿产资源开发利用过程中最严重的环境污染问题之一。为了从源头控制AMD的产生，本论文介绍了一种由γ-巯丙基三甲氧基硅烷（PropS-SH）作为主体钝化剂，纳米SiO2作为“填充剂”所组成的新型 PropS-SH/SiO2（PSS）纳米复合钝化剂，采用电化学技术和生物化学浸取方法对复合钝化剂对黄铁矿的钝化性能进行测试，并研究其对黄铁矿的钝化机理。
　　首先，通过SEM和静态水接触角分析不同纳米SiO2添加量对PSS钝化剂表面形貌和疏水性能的影响。结果表明，纳米SiO2的加入使得PropS-SH的表面形貌由均一、光滑变得粗糙，能看到明显团聚物且团聚物随着纳米 SiO2添加量的增加而增加，说明纳米 SiO2被包裹于 PropS-SH形成的钝化膜中。同时，纳米SiO2的加入也改变了 PSS钝化剂钝化黄铁矿表面疏水性，相较于黄铁矿原矿样品，当纳米SiO2添加量为2 wt％时，经PSS钝化后的黄铁矿样品的静态水接触角从57.79°增加到99.94°，这有利于抑制黄铁矿在潮湿环境中氧化。
　　接着利用电化学和化学浸取实验研究了不同纳米SiO2添加量对PSS钝化剂抗化学氧化性能的影响。结果表明，相对于PropS-SH，经PSS钝化剂钝化后的黄铁矿电极表现出更高的开路电位（OCP）、腐蚀电位、电子转移阻抗和表面膜阻抗以及更低的腐蚀电流密度，且在纳米 SiO2添加量为2 wt%时达到最大值，说明适量纳米SiO2的加入有效提高了PropS-SH对黄铁矿的钝化效果。化学浸取实验中，PSS钝化剂对总铁和SO42-的最高抑制率同样在纳米SiO2添加量为2 wt%时获得，分别达到81.1%和80.4%。之后通过生物浸取实验对PSS钝化剂的抗生物氧化能力进行了测试，结果表明 PSS钝化剂能在微生物存在条件下，在较长时间范围内有效地抑制黄铁矿的氧化。
　　最后通过XPS、FT-IR、29Si固体核磁测试对PSS钝化剂钝化前后的黄铁矿进行了表征。推导出 PPS对黄铁矿的钝化机理如下：在水与酒精存在条件下， PropS-SH水解产生硅醇，硅醇分子相互发生缩聚反应生成Si-O-Si键，形成致密的网状结构。网状结构中的硅醇基团继续与纳米 SiO2表面的羟基反应生成Si-O-Si键将纳米SiO2交联在网状结构中形成PSS钝化剂。最后，PSS钝化剂与黄铁矿表面的羟基反应生成Fe-O-Si键，在黄铁矿表面形成一层致密的钝化膜。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 黄铁矿氧化产生AMD的机制

1.3 AMD的治理方法研究现状

1.4 金属腐蚀防护研究现状

1.5 本论文研究方法

1.6 本论文研究目的及内容

第2章 纳米SiO2添加量对PropS-SH/SiO2复合钝化剂抗氧化性能的影响

2.1 实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

第3章 PropS-SH/SiO2复合钝化剂对黄铁矿抗生物氧化性能的研究

3.1 实验部分

3.2 实验结果与讨论

3.3 本章小结

第4章 PropS-SH/SiO2复合钝化剂对黄铁矿钝化机理的研究

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

第5章 结论、创新点与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间完成的学术论文和参与的科研项目