【摘 要】
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尾矿中黄铁矿(Fe S_2)氧化是酸性矿山废水的重要来源。表面钝化法作为源头抑制黄铁矿氧化的重要方法之一,受到了很多研究者的关注。以往的表面钝化法研究主要关注的是钝化剂抑制黄铁矿的化学和生物氧化,然而黄铁矿作为半导体,钝化后黄铁矿长时间暴露在太阳光照环境中,钝化剂是否能继续保持钝化效果,其抑制黄铁矿光腐蚀的机理尚不明确。本论文以三乙烯四胺二硫代氨基甲酸钠(DTC-TETA)钝化包膜黄铁矿为研究对象
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尾矿中黄铁矿(Fe S2)氧化是酸性矿山废水的重要来源。表面钝化法作为源头抑制黄铁矿氧化的重要方法之一,受到了很多研究者的关注。以往的表面钝化法研究主要关注的是钝化剂抑制黄铁矿的化学和生物氧化,然而黄铁矿作为半导体,钝化后黄铁矿长时间暴露在太阳光照环境中,钝化剂是否能继续保持钝化效果,其抑制黄铁矿光腐蚀的机理尚不明确。本论文以三乙烯四胺二硫代氨基甲酸钠(DTC-TETA)钝化包膜黄铁矿为研究对象,通过光化学浸溶分析钝化前后黄铁矿的离子溶出情况和氧化抑制率随时间变化规律,采用不同表征方法探究二硫代氨基甲酸钠抑制黄铁矿表面载流子迁移转化机理。主要研究结果和结论如下:(1)二硫代氨基甲酸钠分子以Fe-S键合方式负载在黄铁矿表面。场发射扫描电子显微镜-能量色散X射线谱(SEM-EDS)研究C、N在黄铁矿表面分布。X射线衍射光谱(XRD)和透射电子显微镜(TEM)分析钝化前后黄铁矿的晶形结构。傅里叶红外光谱(FT-IR)测试表明Fe S2/DTC-TETA表面1155–1130 cm-1的C-S、C=S键特征峰合并,C-N键特征峰蓝移29 cm-1波数,结合X射线光电子能谱(XPS)方法研究二硫代氨基甲酸钠通过NC(S)2-Fe配位基团和Fe的再钝化吸附作用在黄铁矿表面形成钝化层。热重分析(TGA/DTG)和比表面积分析(BET)结合密度泛函理论(DFT)建模计算分析钝化膜具有稳定性包膜构型,稳定结合能为4.95 e V。(2)NC(S)2-Fe基团对黄铁矿具备双重屏蔽作用,对内屏蔽光生电子和光生空穴的表相迁移,对外屏蔽部分O2和H2O,DTC-TETA增强黄铁矿光化学稳定性。具有牺牲性的二硫代氨基甲酸钠钝化层分子的C-S,C-N和C-C键替代黄铁矿被光生空穴和ROS(·O2-和·OH)氧化(FT-IR,XPS)。10 h光照Fe S2/DTC-TETA得到398.8 e V的C-N键正移0.2 e V,N-H键能没有显著变化,表明光照C-N键断裂。光暗条件下对比,含C和含N基团(TOC/TN)变化差异较小,光致氧化作用对Fe S2/DTC-TETA主要结构影响较小。(3)分子荧光分光光度法(PL)定量分析表明光照10小时内黄铁矿光生载流子迁移活化无机氧生成ROS过程被有效抑制,钝化膜对Fe S2产·OH的抑制率为87.4%。紫外-可见光-近红外漫反射光谱(UV-vis-NIR DRS)、荧光光谱(FL/TR-PL)、同步辐射能谱(SR-PES)和价带光电子能谱分析(VB-XPS)得到Fe S2/DTC-TETA复合物带隙变宽;光生载流子复合率增高,荧光寿命缩短6.3ns;导带电位从-0.30 e V负移至-1.56 e V,价带电位从0.41 e V负移至-0.81 e V,使Fe S2/DTC-TETA表面氧化反应势垒能被提高。电化学测试方法(CV,I-T)分析黄铁矿浸溶体系光生电子迁移转化规律,光生电子相对迁移速率增快2×10-3±0.001μA/(cm2·s)。钝化膜抑制黄铁矿在环境中因光生载流子直接和间接氧化导致的自腐蚀过程,从而降低光照条件下AMD浸出速率。二硫代氨基甲酸盐类钝化剂控制黄铁矿和含Fe半导体天然矿物表面光生载流子迁移路径的控制具有可行性。
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