2024年, 第44卷, 第4期　
刊出日期：2024-08-25
  

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    电池材料专题
  • 单晶高镍三元正极材料的制备及改性研究进展
    肖围, 易志成, 刘程锦, 万佳祥, 缪畅
    矿冶工程. 2024, 44(4): 1-7. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.001
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    介绍了单晶高镍三元正极材料的结构特点，总结了单晶高镍三元正极材料常见的制备工艺，并探讨了近年来材料性能改善的主要策略，可为高性能单晶高镍三元正极材料的规模化生产提供借鉴和参考。
  • 原子层沉积Al2O3对尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的影响机理
    李倩, 赵妍, 崔雅茹, 王硕然, 黄娜, 李常林, 王文培, 马红周, 杜金晶, 何喜红, 翁雅青
    矿冶工程. 2024, 44(4): 8-12. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.002
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    为提升尖晶石相LiNi0.5Mn1.5O4正极材料在深度荷电状态下的界面稳定性，采用原子层沉积法在单晶LiNi0.5Mn1.5O4正极材料表面可控沉积了纳米级Al2O3层。改性后的LiNi0.5Mn1.5O4正极材料表现出优异的长循环耐腐蚀性能(1C电流密度下循环500次的容量保持率高达94.7%)。进一步的表界面解析结果表明：原子层沉积技术构建的纳米级Al2O3包覆层能够明显抑制材料本体与电解液的腐蚀反应，降低过渡金属离子的不可逆溶解与析出；另外，基于HF表面刻蚀产生的AlF3具有增强的耐刻蚀性能，可显著提升LiNi0.5Mn1.5O4正极材料在长循环及高电压下的服役性能。
  • 不同合成方法制备NaNi0.5Mn0.5O2及其电化学性能研究
    史世和, 白世伟, 杨波, 吴千惠, 陈庆荣, 廖芝建, 钟胜奎, 刘洁群
    矿冶工程. 2024, 44(4): 13-17. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.003
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    分别采用固相法、共沉淀法和溶胶-凝胶法合成了钠离子电池正极材料NaNi0.5Mn0.5O2，探究了合成方法对正极材料晶体结构、微观形貌以及电化学性能的影响。结果表明：3种方法合成的材料均表现为O3型结构；不同方法制备的材料形貌各不相同，其中固相法合成的材料颗粒呈现出特殊的层状结构，有利于钠离子的脱嵌；固相法、共沉淀法和溶胶凝胶法合成的材料在0.1C下的首次放电比容量分别为96.1 mAh/g、92.8 mAh/g和92.3 mAh/g ，0.5C下循环100次后的容量保持率分别为64.3%、46.5%和36.5%。固相法是适宜的制备方法。
  • 钛酸酯偶联剂表面处理对LiMn2O4结构及性能的影响
    蔡海洋, 李振京, 范广新, 孟德轩, 刘超帅
    矿冶工程. 2024, 44(4): 18-23. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.004
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    通过加热分解钛酸酯偶联剂在LiMn2O4表面包覆TiO2，研究包覆处理对LiMn2O4材料结构、电化学性能及在循环过程中材料结构的影响。结果表明：550 ℃下加热分解钛酸酯偶联剂，可使TiO2均匀包覆在材料表面；表面包覆不改变LiMn2O4的晶体结构，但能明显提升其电化学性能，特别是高温倍率性能和循环性能；包覆TiO2后的LiMn2O4材料在55 ℃、5C下比容量为75.34 mAh/g，高于原始材料的比容量(43.05 mAh/g)；经150次循环后，未包覆TiO2的材料容量保持率为62.85%，包覆TiO2后的材料容量保持率提高至77.27%。表面处理后LiMn2O4电化学性能提升的原因是TiO2包覆层减少了正极材料中Mn的溶解，抑制了循环过程中的晶体结构变化，降低了电极极化和电荷转移阻抗，提高了材料的充放电可逆性及Li+的扩散能力。
  • LiMn0.6Fe0.4PO4/C正极材料的制备与电化学性能研究
    丁伦涛, 赵鹏, 周春仙, 王德志, 吴壮志, 李雪豹, 周友元
    矿冶工程. 2024, 44(4): 24-30. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.005
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    采用共沉淀法和固相烧结法制备了一种杂质少、物相分布均匀、电化学性能优良的LiMn0.6Fe0.4PO4/C(LMFP)复合材料。结果表明，该方法在脱去NH4+和H2O的同时，抑制了Mn2P2O7物相的产生，提高了LMFP的锂离子扩散速率。由LiMn0.6Fe0.4PO4/C组装的锂离子电池展示了优异的电化学性能，1C下首次放电比容量145.5 mAh/g；5C下首次放电比容量111.9 mAh/g。该工艺简单、成本低，适合工业化生产，为设计高性能的商业化锂离子电池正极材料提供了可行性方案。

  • 修饰四氧化三锰对尖晶石锰酸锂电化学性能的影响
    谢雪珍, 陈慧, 叶有明, 温玉茹, 马皓皓, 曾军
    矿冶工程. 2024, 44(4): 31-35. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.006
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    以硫酸锰为原料，以十六烷基三甲基溴化铵为修饰剂，通过络合沉淀法制备四氧化三锰，再通过高温固相法合成锰酸锂正极材料，探讨了修饰剂用量对四氧化三锰形貌、粒度和锰酸锂正极材料放电比容量的影响。结果表明：未加修饰剂时，制备的四氧化三锰颗粒团聚现象严重；当修饰剂十六烷基三甲基溴化铵质量浓度为3.0 g/L时，制备的修饰四氧化三锰颗粒大小均匀、分散无团聚。用自制的修饰四氧化三锰制备尖晶石锰酸锂，并与市场销售的3种四氧化三锰制备的尖晶石锰酸锂进行了性能对比，结果表明，修饰四氧化三锰制备的锰酸锂电化学性能更优，首次放电比容量达到120.43 mAh/g，1C下循环50次容量保持率为96.79%。
  • SiO2@Li2SiO3双包覆层策略改善正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2循环稳定性
    陈奎元, 李凯强, 李岩璞
    矿冶工程. 2024, 44(4): 36-41. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.007
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    针对高镍层状金属氧化物(LiNixMnyCo1-x-yO2，0.8≤x＜1,NCM)随着Ni摩尔分数增大而容量严重衰退问题，提出了利用SiO2@Li2SiO3双包覆层改性单晶NCM正极材料、提高其电化学性能的策略。合成过程中，通过SiO2+2LiOH====Li2SiO3+H2O反应消耗材料表面残锂，改善界面锂离子扩散动力学，抑制界面副反应。SiO2@Li2SiO3双包覆层改性正极材料在120次循环后放电比容量为156.88 mAh/g，容量保持率为70.52%。
  • 3D花状VO2(B)正极材料的制备与电化学性能研究
    孔孟, 郭攀, 陈阳阳
    矿冶工程. 2024, 44(4): 42-46. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.008
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    以五氧化二钒和柠檬酸为原料，采用水热反应法制备了具有大比表面积和优异结构稳定性的3D花状VO2(B)电极材料。采用X射线衍射、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等对VO2(B)晶体结构和形貌进行了表征，通过恒流充放电、循环伏安法等对VO2(B)电极材料的电化学性能进行了测试。结果表明：电流密度0.1 A/g下，3D花状VO2(B)电极材料的首次放电比容量达227  mAh/g；1 A/g高电流密度下，初始放电比容量仍达151 mAh/g，300次充放电循环后的容量保持率为79.6%，该电极材料表现出良好的倍率性能。
  • 钒基锂离子电池负极材料的研究进展与展望
    堵伟桐, 黄茜, 陈卓, 李晖
    矿冶工程. 2024, 44(4): 47-53. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.009
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    综述了近年来钒基化合物(包括钒氧化物、钒酸盐、钒磷酸盐和无氧钒基化合物)在锂离子电池负极材料领域的研究进展，讨论并分析了相关负极材料的改性方法、 材料结构与电化学性能的关系，提出了钒基锂离子电池负极材料未来研究重点。
  • 高炉渣提取硅制备高性能锂离子电池硅碳负极材料的研究
    刘思名, 赵俊楷, 孟必成, 张豪, 田文鑫, 俞娟
    矿冶工程. 2024, 44(4): 54-60. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.010
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    以高炉渣中提取的硅材料BFSi为硅源、聚丙烯腈(PAN)为碳源制备锂离子电池硅碳负极材料，研究了硅与聚丙烯腈的配比对BFSi@C材料电化学性能的影响。结果表明：BFSi与PAN质量比3∶1时制备的BFSi@C样品在0.5 A/g电流密度下初始充电比容量为1884.99 mAh/g，经过100次循环后，充电比容量仍有1509.32 mAh/g，容量保持率为80.07%；在高电流密度下，BFSi@C材料表现出优异的倍率性能。与商业硅材料相比，BFSi@C具有更高的循环容量和更好的倍率性能，在5 A/g电流密度下比容量高达538.31 mAh/g。
  • 静电纺丝法制备SnSbCuFeZn高熵合金/碳纳米纤维复合负极材料
    辛玉, 潘石, 聂淑晴, 缪畅, 肖围
    矿冶工程. 2024, 44(4): 61-66. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.011
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    采用静电纺丝技术，结合煅烧工艺，将SnSbCuFeZn高熵合金纳米颗粒均匀地锚定在导电互联的碳纳米纤维中，成功制备了SnSbCuFeZn@CNFs锂离子电池复合负极材料。结果表明，煅烧温度对材料的物相组成和形貌特征有重要影响，且直接影响SnSbCuFeZn高熵合金纳米颗粒的晶相、尺寸和分布，决定SnSbCuFeZn@CNFs电极的电化学性能。其中SnSbCuFeZn@CNFs-900电极展现出优良综合性能：0.1 A/g时，初始放电比容量达1232.8 mA/g，循环200次后可逆放电比容量保持在786.0 mA/g；1.0 A/g时，循环500次后放电比容量仍有433.8 mA/g；2.0 mV/s扫描速度下，赝电容贡献率高达93.37%。
  • 碳包覆空心硅氧化物负极材料的制备及性能研究
    何冬林, 孙森, 李平, 曲选辉
    矿冶工程. 2024, 44(4): 67-71. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.012
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    以正硅酸四乙酯为硅源、十六烷基三甲基溴化铵为表面活性剂及造孔剂，采用改进的stöber法及碳热还原法制备了碳包覆的介孔空心硅氧化物负极材料。结果表明：乙醇与水体积比变化对SiOx纳米球粒度、形貌及性能有重要影响；乙醇与水体积比小，材料球形度差，呈椭圆形；乙醇与水体积比增大，纳米材料尺寸增加；乙醇与水体积比0.45时所得SiOx纳米球粒径300 nm左右，以该纳米球组装的扣式电池在电流密度100 mA/g下循环200次后可逆比容量为813 mAh/g，在500 mA/g下循环1200次后可逆比容量为704 mAh/g，容量保持率为82%，每次容量衰减率仅0.015%。
  • 聚醚类添加剂在5 μm极薄电解铜箔制备中的影响
    姬琳, 樊斌锋, 王庆福, 李伟涛
    矿冶工程. 2024, 44(4): 72-74. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.013
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    通过电化学、扫描电镜、X射线衍射仪研究了聚醚类添加剂对5 μm极薄锂电铜箔性能的影响。结果表明，电解液中添加聚醚类添加剂能促使铜的沉积电位负移；适宜质量浓度的聚醚类添加剂能细化铜箔晶粒，有利于提高铜箔表面平整性；聚醚类添加剂质量浓度2.3 mg/L时，所得铜箔抗拉强度620.43 MPa，延伸率3.67%，光泽度161 GU，毛面粗糙度1.02 μm，综合性能极好；高抗拉强度电解铜箔具有(111)晶面择优取向特征。
  • 硫化物固态电解质Li6PS5Cl的固相合成及性能研究
    陶博文, 鞠博伟, 涂飞跃
    矿冶工程. 2024, 44(4): 75-80. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.014
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    通过高能球磨结合热处理的方法固相合成了硫银锗矿型硫化物固态电解质Li6PS5Cl(LPSC)。研究发现，延长球磨时间有利于原料粉末颗粒的破碎、混合、晶粒细化以及非晶化反应的进行；升高烧结温度有利于生成单一纯相，但烧结温度过高会使电解质熔化分解，破坏晶体结构。球磨时间10 h、550 ℃下烧结8 h所制备的硫化物固态电解质材料具有较高的离子电导率，可达3.57×10-3 S/cm。
  • 氮化锂对金属锂制备硫化锂改性研究
    雷振, 陈格, 徐川, 孙家乐, 杨柳, 田欢, 刘杨
    矿冶工程. 2024, 44(4): 81-83. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.015
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    以金属锂为锂源、硫粉为硫源、氮化锂为添加剂，采用固相法制备了硫化锂。热力学分析结果表明，氮化锂可促进金属锂与硫粉合成硫化锂的反应；Li3N先与硫粉反应释放N2，在熔融的金属锂片上形成孔洞，进一步扩大金属锂与硫粉接触面积，得到疏松多孔的骨架结构，有利于后续破碎且减少球磨过程中二次反应的风险。当Li∶S∶Li3N=2∶2∶0.4(物质的量比)时，在100 ℃下反应8 h即可得到粗品硫化锂，再经700 ℃煅烧、除杂和球磨后可以得到纯度大于99.95%、粒径小于15 μm的电动汽车用硫化锂产品。该方法为工业化生产硫化锂产品提供了新思路。
  • 阴极辊在线抛光工艺对锂电铜箔性能的影响
    张盼阳, 王庆福, 李谋翠, 樊斌锋, 王绪军, 金淑苗
    矿冶工程. 2024, 44(4): 84-89. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.016
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    利用单因素实验探究了抛光刷转动速度、横向摆动速度及抛光电流对铜箔性能及针孔的影响，并在单因素实验基础上应用响应面分析法优化抛光工艺，进而改善铜箔性能及表观质量。结果表明，抛光刷转动速度450 r/min、横向摆动速度350 r/min、抛光电流0.50 A时，生成的铜箔光面(S面)均一，且针孔缺陷明显减少。
  • 汽车电池用La-Mg-Ni基储氢合金的元素替代及电化学性能
    王飞, 李丽君, 梅琼珍, 李振坤
    矿冶工程. 2024, 44(4): 90-94. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.017
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    采用感应熔炼方法制备了La0.7R0.1Mg0.2Ni3.35Al0.15(R=La/Nd/Sm)储氢合金，研究了稀土元素Nd/Sm替代La对储氢合金相结构和电化学性能的影响。结果表明，采用Nd或Sm替代La时，储氢合金物相组成未发生改变，仍由LaNi5、(LaMg)2Ni7和(LaMg)5Ni19相组成，但储氢合金中LaNi5相和(LaMg)5Ni19相丰度会增加、(LaMg)2Ni7相丰度减小。R为La、Nd和Sm时储氢合金的最大放电比容量均在第2次充放电循环时获得，分别为377 mAh/g、382 mAh/g和376 mAh/g；采用Nd或Sm替代La，储氢合金高倍率放电性能、24 h荷电保持率和充放电循环100次时的容量保持率都不同程度地增加，且R为Nd时储氢合金的相应值最大。采用Nd或Sm替代La会使得储氢合金的交换电流密度、氢扩散系数增加，储氢合金电极的高倍率放电性能与交换电流密度和氢扩散系数变化趋势一致，表明储氢合金电极的高倍率放电性能由交换电流密度和氢扩散系数共同决定。
  • 基于PCA-GWO-GRU的锂离子电池剩余使用寿命预测
    李钰, 卓晓军, 刘洋, 李重洋
    矿冶工程. 2024, 44(4): 95-99. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.018
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    为了提高GRU神经网络模型预测锂离子电池剩余使用寿命时的准确性，提出基于PCA-GWO优化的GRU模型，并应用于锂离子电池剩余寿命预测。结果表明，与传统GRU模型相比，经PCA-GWO算法优化的GRU模型具有更高的预测精度。预测起始点为原始数据90%时，预测精度达到最大，对应的均方根误差RMSE为0.0049、平均绝对误差MAE为0.0036、决定系数R2为0.9863。
  • 三元正极废粉与聚丙烯共热解-水浸选择性提锂研究
    田彤麟, 任国兴, 郭巍巍, 肖松文
    矿冶工程. 2024, 44(4): 100-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.019
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    开展了三元正极废粉与聚丙烯型隔膜共热解-水浸选择性提锂试验，并对反应产物进行了表征。结果表明，在聚丙烯用量40%、热解温度550 ℃、热解时间2 h、氩气流速200 mL/min条件下共热解，热解产物水浸，锂浸出率为87.92%。锂损失的主要原因是共热解过程中形成了不溶于水的锂钴氧化物。
  • 氧化焙烧预处理对废旧磷酸铁锂电池负极材料回收的影响
    李海森, 阮丁山, 张鹏, 孟志远, 周游, 李强
    矿冶工程. 2024, 44(4): 105-108. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.020
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    为了解决废旧磷酸铁锂电池粉中正、负极材料难浮选分离的问题，采用氧化焙烧预处理磷酸铁锂电池粉，再通过浮选分离磷酸铁锂正、负极材料。结果表明，与未预处理电池粉相比，磷酸铁锂电池粉经500 ℃氧化焙烧处理30 min后浮选所得负极石墨产品碳品位从47.63%提高至97.70%，正极产品中碳品位由24.00%降至1.01%，分选效果明显增强。未预处理的电池粉表面存在蛛网状长碳链有机物，使得电池正、负极材料发生粘连，浮选分离效果较差；通过氧化焙烧预处理，能有效消除正、负极材料上的长碳链有机物，增强正、负极材料间表面性质差异，强化浮选分离效率，实现废旧磷酸铁锂电池粉中石墨负极材料的回收。
  • 二元羧酸低共熔溶剂浸出钴酸锂中金属元素的研究
    邸思, 何喜红
    矿冶工程. 2024, 44(4): 109-114. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.021
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    为绿色、高效回收废旧锂离子电池正极材料中的金属元素，以氯化胆碱为氢键受体，丙二酸、丁二酸、己二酸分别为氢键供体，合成了3种低共熔溶剂(DES)；采用这3种DES浸出钴酸锂正极材料中的Co和Li，研究了浸出时间、液固比和温度对浸出率的影响，并对浸出渣的形貌和物相进行了表征；利用红外吸收光谱和紫外可见吸收光谱探究了浸出机理。结果表明：延长浸出时间、增加液固比、升高温度均有助于金属元素的浸出，适宜的浸出条件为：浸出时间300 min、液固比100 mL/g、温度110 ℃；3种DES中，丙二酸组成的DES具有更好的浸出性能，Co和Li浸出率都大于99%；3种DES浸出钴酸锂时，Co在浸出液中以正二价形态存在，配位构型为四面体。
  • 废旧锂离子电池回收过程中钙镁渣制备电池级碳酸锂研究
    陈亮, 向长柳, 周曜, 易晓新, 胡泽星
    矿冶工程. 2024, 44(4): 115-119. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.022
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    以废旧锂离子电池回收过程中产生的钙镁渣为原料，通过复分解浸出-净化-沉锂-碳化分解工艺制备电池级碳酸锂。结果表明，在MgSO4·7H2O用量为理论量的1.1倍、初始pH值1.5、反应时间2.0 h、固液比1∶6、反应温度90 ℃、终点pH值3.5条件下，Li浸出率为98.39%，浸出液中Li质量浓度为18.03 g/L。浸出液通过树脂除氟、碱液除杂、碳酸钠沉锂，制备出纯度为95.11%的粗制碳酸锂。粗制碳酸锂通过碳化-树脂除钙镁-热解工艺制备出质量分数为99.64%的电池级碳酸锂。该工艺锂回收率为95.08%，经济价值高，具有良好的工业应用前景。
  • 废锂离子电池石墨负极综合回收利用研究进展
    赵朝显, 肖劲, 诸向东, 仲奇凡
    矿冶工程. 2024, 44(4): 120-125. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.023
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    综述了废锂离子电池石墨负极的综合回收利用技术，包括湿法、火法-湿法联合以及物理法回收工艺，并对各工艺的优缺点进行了深入分析。特别指出，尽管目前存在多种回收技术，但高效、环保的闭环回收工艺仍面临挑战。探讨了废石墨负极材料的资源化再利用途径，如作为二次电池负极材料、制备石墨烯等，并对未来研究方向进行了展望，旨在为废锂离子电池石墨负极的高值化利用提供理论支持和技术支持。建议未来的研究关注开发简单、高效、清洁的闭环回收工艺，提高石墨负极材料的回收率和纯度，同时减少环境污染。未来研究的热点应包括石墨负极材料的晶格重构修复技术，以及探索石墨负极材料在储能材料、催化剂、吸附剂等领域的新应用。
  • 选择性絮凝强化废旧磷酸铁锂电池电极材料浮选分离
    赵梅, 崔瑞, 李盼武, 张明
    矿冶工程. 2024, 44(4): 126-131. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.024
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    针对废旧磷酸铁锂电池电极材料浮选过程中的夹带和夹杂导致分离效果不佳的问题，利用聚乙烯吡络烷酮(PVP)和聚丙烯酸(PAA)选择性絮凝强化废旧磷酸铁锂电池混合电极材料的浮选分离过程，并分析PVP和PAA与电极材料的作用机理。结果表明：先加入的PVP通过氢键作用选择性吸附在石墨表面从而抑制石墨自发的疏水性絮凝，同时通过位点阻断后加入的PAA在石墨表面的吸附，使PAA选择性絮凝LiFePO4；PVP和PAA的联合使用在有效分散石墨的同时使LiFePO4正极材料表观粒径(D50)由15.01 μm增至26.17 μm，有效减少了LiFePO4在混合电极浮选过程中的夹带损失，使LiFePO4正极材料的浮选回收率由71.41%提升到83.59%。
  • 球磨辅助柠檬酸-过氧化氢体系浸出废旧锂电池中有价金属研究
    王红亮, 陈燕彬, 玉日泉, 周梦轩, 谷姝甜, 席莉
    矿冶工程. 2024, 44(4): 132-135. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.025
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    采用球磨辅助柠檬酸-过氧化氢体系浸出废旧锂电池正极材料中有价金属，结果表明：球磨对反应液体施加机械能，诱导其结构及物理化学性质发生变化，诱发化学反应，提高反应速率，缩短浸出时间；在浸出时间30 min、浸出温度60 ℃、柠檬酸浓度0.8 mol/L、H2O2质量分数20%、液固比6∶1、球磨机转速60 r/min条件下，锂浸出率99.6%、镍浸出率99.5%、钴浸出率99.3%、锰浸出率98.5%。该方法成本低、效率高，可为废旧锂电池回收提供一定参考。
    • 采矿
  • 深海海底钻机海底天然气水合物钻进取芯建模与分析
    吴丹, 金永平, 刘德顺, 万步炎
    矿冶工程. 2024, 44(4): 136-143. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.026
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    针对深海海底钻机金刚石钻头在钻进海底天然气水合物过程中有明显弹塑性变形的特点，基于Hertz接触修正理论，提出了一种适用于深海海底钻机天然气水合物钻进取芯的建模方法。首先，分析钻进过程中海底天然气水合物从弹性变形到弹塑性变形破岩机理，求得金刚石钻头在钻进过程中单颗粒金刚石受到的钻进压力和切削力；其次，根据单颗粒金刚石受力情况，得到整个钻头上钻压和扭矩与钻进参数的理论关系，从而建立金刚石取芯钻头力学模型；最后，分析得到在钻进海底天然气水合物时海底天然气水合物的饱和度与扭矩和钻压的关系曲线。以该方法进行海上试验，成功获取了海底天然气水合物样品，验证了该方法的可行性。该研究成果可为深海取芯钻机钻头参数的设计和高效率钻进取芯提供理论依据。
  • 复杂应力环境下胶结充填采矿法进路开采顺序优化
    李彦龙, 余龙哲, 陈仲杰, 郁标, 王文杰
    矿冶工程. 2024, 44(4): 144-149. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.027
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    针对复杂应力环境下胶结充填采矿法进路开采顺序合理性问题，以金川二矿区为例，借助数值仿真软件构建三维数值模型，对不同进路开采顺序下应力场、位移场及塑性破坏区进行分析；在此基础上，采用组合赋权与模糊综合评价相结合的方法对进路开采顺序优化，并开展现场工业试验。结果表明：不同走向进路开采顺序和进路开采空间顺序均对开采区域最大主应力、最大拉应力、垂直位移、塑性破坏区以及临近下一采场最大主应力、垂直位移有一定程度影响；采用下盘至上盘、先开采垂直矿体走向进路的开采顺序时，采场整体开采安全性高，且现场试验效果良好。研究结果可为复杂应力环境下胶结充填采矿法进路开采顺序设计与优化提供理论依据。
  • 含断层构造露天边坡变形破坏特征及稳定性研究
    李延超, 王飞飞, 姜安民, 肖宋强, 靳红华
    矿冶工程. 2024, 44(4): 150-154. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.028
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    为了探究断层构造对露天边坡变形破坏特征及稳定性的影响，采用遥感影像、现场调查与数值模拟研究手段开展了含断层构造的露天边坡变形破坏特征及安全系数计算研究，并进行了边坡变形破坏发展分析，揭示了含断层构造露天边坡变形破坏特征规律。结果表明：露天采场北部边坡产生滑塌灾害是断层构造(内因)、井下矿体开采卸荷(外因)共同作用的结果。在地下矿体开采扰动与F15断层切割的作用下，边坡易形成沿断层构造滑坡垮塌并不断扩大滑塌区域。F15断层构造以上坡体的变形位移相对较大，且沿F15断层构造向东部沟谷发展， F15断层构造改变了北部边坡上部坡体的变形破坏趋势。露天采场边坡安全系数为1.45时，潜在滑动面为F15断层构造；北部边坡沿断层构造尚未出现大变形。
  • 基于单元安全度理论的采场隔离矿柱厚度优化
    苏成哲, 纪帅杰, 张殿明
    矿冶工程. 2024, 44(4): 155-158. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.029
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    为了研究西北某铜锌矿开采由崩落法向充填法过渡时采场预留隔离矿柱厚度对开采作业的影响，根据矿区开采现状以及工程地质条件，设计6种隔离矿柱厚度方案，通过3Dmine-Rhinoceros建立三维数值模型，并引入安全系数概念与单元安全度理论，运用FLAC3D对上部中段采空区未充填条件下210 m中段3个连续矿房间隔开采过程进行模拟计算，研究分析了不同方案下矿山开采后隔离矿柱的顶板沉降位移、安全系数以及单元安全度变化。结果表明，当隔离矿柱厚度大于12 m时，能够满足过渡阶段采场留设层的稳定性要求。因此，建议留设厚度不小于12 m的隔离矿柱。
  • 基于HGS-ANN混合模型的爆破振动预测
    王鑫瑀, 曹鹏飞, 肖一清, 徐国权
    矿冶工程. 2024, 44(4): 159-163. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.030
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    将饥饿游戏搜索算法(HGS)与神经网络算法(ANN)相结合，开发了一种新的混合模型HGS-ANN，用来预测爆破振动。分别基于数据分组处理方法(GMDH)、支持向量机(SVM)、神经网络算法(ANN)以及萨道夫斯基经验公式建立了4种不同预测模型，并与HGS-ANN模型进行对比，评估模型性能。从某露天矿山收集了32组爆破数据，选择爆心距、最大单段药量、总药量、抵抗线、孔距、孔数、孔深等7个自变量作为输入参数，选择质点振动速度作为输出参数，以均方根误差(RMSE)和决定性系数(R2)作为模型性能评价指标，对所建立的模型性能进行对比。结果表明，HGS-ANN模型的RMSE和R2分别为0.833和0.963，性能优于其他4种模型。HGS-ANN模型可以作为一个辅助工具来优化爆破设计，降低爆破地震效应。
  • 长江某大桥高峰岸锚碇基坑边坡应力变形及支护效果数值模拟分析
    林丽萍, 蒋鑫, 李军伟, 段艳平, 梅松华
    矿冶工程. 2024, 44(4): 164-168. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.031
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    依据工程地质资料及锚碇基坑支护设计方案，利用ANSYS软件构建长江某大桥锚碇基坑的三维地质概化模型，将模型导入FLAC3D中模拟分析了锚碇基坑开挖支护全过程中的应力、变形及塑性区演变特征。结果表明：基坑开挖过程中，岩体应力集中现象相对较轻，整体以压应力为主，分布较均匀；开挖后基坑的整体变形趋势是向上向临空面回弹变形，底板最大综合位移为14.7 mm，边坡最大变形出现在北侧反倾向边坡，变形值8.65 mm；塑性区体积持续增大，仅在最后一级开挖时有所降低；开挖完成后，基坑北侧的岩体内出现大量塑性区。与单一锚杆支护方案相比，锚杆+锚索支护方案北侧高边坡岩体变形平均减小16.6%，开挖完成后塑性区体积减小8600 m3，最大分布深度从15 m减小到5 m。锚杆+锚索支护方案不仅较好地抑制北坡变形，而且有效减小岩体内塑性区分布深度，提高岩体稳定性，基坑边坡支护效果更好。
  • 湖南红层地区滑坡地质灾害致灾因子敏感性分析
    刘磊磊, 肖浩, 王璨, 姚腾飞
    矿冶工程. 2024, 44(4): 169-174. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.032
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    为了探究滑坡成因机制、揭示滑坡发育规律，以湖南省麻阳苗族自治县为例，选取高程、坡度、地形起伏度、地层岩性、距断层距离等10个因子为致灾因子，基于确定性因数模型开展致灾因子敏感性分析，探究湖南省红层地区滑坡发育特征和成因机制。结果表明：滑坡与土地利用类型、高程和地形起伏度等因子呈现较大的相关性，各因子间的敏感性大小为：土地利用类型＞高程＞地形起伏度＞归一化植被指数＞距道路距离＞坡度＞地层岩性＞距河流距离＞多年平均降雨>距断层距离；相应因子高敏感区间分别为：土地利用类型为建筑用地、高程［101 m,1394 m)、地形起伏度［47 m,74 m)、归一化植被指数［0.30,0.43)。
    • 选矿
  • 响应曲面法优化某低品位锡石浮选试验研究
    欧乐明, 邓颖, 符海桃, 吴维明, 戴建豪, 杨浩
    矿冶工程. 2024, 44(4): 175-180. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.033
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    对云南某低品位微细粒锡石进行了浮选试验研究。通过单因素实验确定药剂用量的中值水平，并采用响应曲面法对锡粗选药剂用量进行优化，得出最佳的药剂条件为：活化剂(KT-51)用量285 g/t、抑制剂(OL-1C)用量13 g/t、复合捕收剂(YK-Sn+SN-705)用量873 g/t，在该药剂条件下进行验证试验，锡粗精矿中Sn品位和回收率平均值分别为1.460%和74.44%，与响应曲面法预测结果接近。为进一步探索试验效果，进行了闭路试验，获得了Sn品位5.45%、Sn回收率66.70%的锡精矿，有效实现了低品位锡石资源的高效回收。
  • 新型闪速浮选机回收分级沉砂中石墨矿的试验研究
    张福亚, 樊学赛, 张跃军, 王金玲
    矿冶工程. 2024, 44(4): 181-184. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.034
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    将闪速浮选工艺应用于晶质石墨浮选中，研究了闪速浮选机叶轮转速、表观充气速率和泡沫层厚度对石墨矿分选指标的影响。结果表明，在叶轮转速750 r/min、表观充气速率0.3 m3/(m2·min)、泡沫层厚度20 mm条件下，石墨矿分选指标较好。精矿粒级分析和显微观测结果表明，闪速浮选对0.074～0.180 mm粒级石墨回收效果较好，该粒级主要是晶质石墨单体以及富连生体。闪速浮选工艺能提前回收分级沉砂中的有用矿物，降低了过磨概率，实现对鳞片的保护，该工艺有望在晶质石墨矿浮选中实现工业应用。
  • 某高硫低品位铜矿浮选试验研究
    范宛惠, 谢蕾, 郭泽, 张汉泉, 余洪
    矿冶工程. 2024, 44(4): 185-188. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.035
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    安徽某高硫低品位铜矿硫品位41.30%、铜品位0.53%，易氧化，选矿指标不稳定。为了改善铜硫分离效果，研究了磨矿细度、药剂种类和药剂用量等对浮选指标的影响。结果表明，磨矿细度-0.074 mm粒级占83.88%，采用一粗二精二扫闭路浮选流程，以CaO+Na2S为组合抑制剂、Z-200为捕收剂、2#油为起泡剂，获得了铜品位15.27%、回收率80.96%的技术指标。试验结果可为高硫低品位铜矿浮选回收铜提供参考。
  • 起泡剂对高灰尾煤泥浮选的影响及机理研究
    梁云帆, 程伟
    矿冶工程. 2024, 44(4): 189-193. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.036
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    以贵州某焦煤选厂浮选尾煤泥为研究对象，考察了甲基异丁基甲醇(MIBC)、仲辛醇、2号油、正戊醇等起泡剂对浮选尾煤泥再选提质的影响及作用机理。结果表明，用量相近时，MIBC为起泡剂所获得的浮选指标优于其他3种起泡剂。煤油用量1000 g/t、MIBC用量350 g/t时，灰分56.90%的原煤经一粗一精一扫浮选可获得灰分11.47%、产率32.03%的合格炼焦精煤产品。利用充气法研究了4种起泡剂的起泡能力及泡沫稳定性，发现2号油起泡能力和气泡稳定性均较强，正戊醇起泡能力和气泡稳定性均较弱，MIBC和仲辛醇表现适中。利用气泡-颗粒包覆角及诱导时间测量仪进一步分析了不同起泡剂作用下气泡与煤粒黏附作用过程，发现MIBC可以提升气泡的载矿能力，缩短颗粒与气泡间的诱导时间，从而获得较好的浮选效果。
  • 湖南某含铷锂矿选矿试验研究
    邓圣为, 吴玉华, 陈小罗
    矿冶工程. 2024, 44(4): 194-197. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.037
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    对湖南某Li2O和Rb2O品位分别为0.27%和0.17%的低品位含铷锂云母矿进行了选矿试验研究。采用脱硫-选锂浮选流程，使用高效捕收剂CK与十二胺组合作为锂捕收剂，在弱碱性条件下，闭路试验获得了Li2O品位2.71%、Rb2O品位1.02%，回收率分别为86.34%、51.24%的锂精矿指标，达到了低品位锂云母矿高效利用的目的。
  • 新疆某锂钽铌铍多金属矿选矿试验研究
    王星
    矿冶工程. 2024, 44(4): 198-202. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.038
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    对新疆某锂品位0.68%的锂钽铌铍多金属矿进行了选矿试验研究。工艺矿物学研究结果表明，该矿石中锂矿物以锂辉石为主，钽铌矿物含量较低。采用磁选-重选回收钽铌、浮选回收锂的工艺流程，可得到Ta2O5品位17.110%、Nb2O5品位19.670%，回收率分别为41.69%、42.63%的钽铌精矿和Li2O品位5.12%、Li2O回收率75.21%的锂精矿。
  • 刚果(金)某渣选硫化铜矿再磨再选试验研究
    刘杰, 王洪杰, 周宽达, 蒙文飞, 兰福荫, 陈兴海, 陆智国
    矿冶工程. 2024, 44(4): 203-206. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.039
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    对刚果(金)某含铜9.62%的低品位渣选硫化铜矿进行了回收铜的选矿试验研究。在化学多元素分析、 赋存状态分析基础上，采用再磨再选浮选工艺，获得了Cu品位25.16%、回收率90.67%的铜精矿产品。
  • 机制砂粒形和级配优化试验研究
    彭兴华, 李国栋, 张晋, 张朝宏, 尤大海, 裴明松, 张立
    矿冶工程. 2024, 44(4): 207-211. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.040
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    为优化机制砂粒形和级配，以立式棒状搅拌磨机为整形设备，研究了介质种类、介质配比、磨机转速、料球比等整形参数对机制砂粒形的影响，并借助光学显微镜和图像处理软件，对比分析了整形机制砂与未整形机制砂的级配特性和粒形特性。结果表明：氧化锆球整形效果优于钢球和氧化铝球；在直径6 mm和8 mm氧化锆球质量比1∶1、磨机转速300 r/min、料球比1∶3、矿浆体积分数62.5%条件下整形，整形机制砂中片状颗粒质量分数和+0.15 mm粒级产率分别为4.5%和84.98%；整形机制砂具有更好的密实度和棱角性，能达到GB/T 14684—2022中Ⅰ类砂要求，其级配、粒形均优于未整形机制砂；粗粒级颗粒轮廓形状和棱角性改善程度大于细粒级颗粒。在适宜条件下，立式棒状搅拌磨可明显改善机制砂粒形、优化较粗的颗粒级配。
    • 冶金
  • 氢基竖炉直接还原工艺发展现状及思考
    王莹, 何志军, 陈妍, 于晓莹, 李会敏, 张晶, 尹翔一
    矿冶工程. 2024, 44(4): 212-216. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.041
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    介绍了竖炉直接还原工艺Midrex和HYL/Energiron的基本流程及近年来各工艺的直接还原铁产量，并对比分析了两种工艺的装置、原料和工艺特性。阐述了目前全球钢铁企业在该领域的技术研发和项目投资情况，同时指出氢基竖炉直接还原技术的发展与球团矿品位、氢还原反应过程吸热、大规模绿氢制备技术以及绿氢制备成本等问题息息相关。选择符合我国国情的氢基竖炉直接还原技术，是我国钢铁行业低碳可持续发展的重要方向。
  • 低质含镁原料制备碱性球团试验研究
    唐国成, 黄细聪, 路漫漫, 范宛惠, 张汉泉
    矿冶工程. 2024, 44(4): 217-222. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.042
    摘要 ( ) PDF全文 ( )   可视化   收藏
    为查明利用低质含镁熔剂生产碱性球团的可行性，以武钢资源集团乌龙泉矿白互、轻烧料和轻烧白云石为镁质熔剂，通过造球、预热和焙烧试验，研究镁质熔剂种类及用量对成球行为、碱性球团预热、焙烧过程的影响。结果表明，使用白互熔剂为镁质熔剂时生球性能较优，碱度0.8时，两种配矿方案生球落下和抗压强度分别为4.1次/0.5 m和20.3 N/个、6.6次/0.5 m和22.3 N/个。各方案预热球强度、焙烧球强度随着镁质熔剂添加量增加呈先上升后下降的趋势，碱度0.6～0.8时，分别达到2620 N/个、2963 N/个。推荐白互和轻烧料作为镁质熔剂，碱度0.6～0.8时，可生产出满足工业要求的镁质碱性球团矿。
  • 生物质吸附剂吸附回收硫脲废液中金的研究
    姚丽, 钟盛文
    矿冶工程. 2024, 44(4): 223-228. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.043
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    提出一种以毛竹为原料制备生物质吸附剂、选择性地从硫脲废液中吸附回收金的方法。竹炭在H2O-CO2气氛中活化后表面的纳米孔洞比单独使用CO2活化的活性炭孔洞数量更多且尺寸更小，大大增加了吸附材料的比表面积。探究了吸附材料种类、pH值、吸附剂用量、吸附温度、吸附时间对硫脲废液中金吸附脱除的影响，得到适宜的吸附条件为：pH=6、吸附剂用量8 g/L、吸附温度25 ℃、时间3.5 h，其中采用H2O-CO2协同活化的活性炭吸附效果较好，可吸附脱除硫脲废液中96%以上的金。采用吸附等温模型拟合了H2O-CO2协同活化的活性炭在硫脲废液中吸附金的过程，结果表明，协同活化的活性炭吸附硫脲废液中金的过程更符合Freundlich模型，为物理吸附过程。
  • 石灰活性度对铝土矿拜耳法溶出影响的机理
    刘安, 陈文汨, 张艳军, 汪旺
    矿冶工程. 2024, 44(4): 229-233. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.044
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    探究了影响石灰活性的因素及原因，并阐述了石灰活性影响铝土矿溶出性能的机理。结果表明，石灰石粒度以及煅烧温度是影响石灰活性的重要因素，煅烧温度1000 ℃下，石灰的活性度高达33.5 mL，石灰石粒度增至17.5～22.5 mm时，石灰的活性度增至46 mL。扫描电子显微镜分析结果表明，高活性石灰为蜂窝状、粒度均匀的细小颗粒，颗粒孔隙发达，且形成了相互贯通的孔通路。铝土矿溶出实验结果表明，石灰的活性及其添加量会影响铝土矿的溶出率和赤泥的物相组成，在C/S比1.0条件下添加高活性石灰，铝土矿相对溶出率高达98.12%。
  • 氧化锆基除氟剂协同无定形氢氧化铝除氟实验研究
    郑宇, 刘勇奇, 巩勤学, 石泉清, 周启, 刘少葵, 仇雅丽
    矿冶工程. 2024, 44(4): 234-236. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.045
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    对某企业酸性浸出废水进行了一段氧化锆除氟、二段无定形氢氧化铝除氟实验研究。一段氧化锆除氟实验考察了反应温度、反应时间和氧化锆除氟剂加入量对废水除氟效果的影响，结果表明，升高温度、延长反应时间都能促进除氟剂除氟率提高；反应温度75 ℃、除氟剂加入量50 g/L、反应时间50 min时，除氟率达到96%，废水中氟质量浓度由600 mg/L降至25 mg/L。一段除氟后废水进行二段无定形氢氧化铝除氟，反应温度70 ℃、反应时间60 min、氢氧化铝加入量5 g/L时，废水氟质量浓度由25 mg/L降至6.5 mg/L；除氟渣晶型良好、衍射峰明显，XRD检测结果显示Na3AlF6是除氟渣中主要成分。
  • 赤泥用于酸性含锰废水中锰的净化研究
    阎丽, 陈冬素
    矿冶工程. 2024, 44(4): 237-240. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.046
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    采用还原焙烧-磁选预处理赤泥，得到非磁性物；非磁性物经煅烧、盐酸溶出后加入饱和偏铝酸钠聚合剂聚合后过滤、熟化制备聚合氯化铝(PAC)基液；使用该PAC基液，在沉降时间5 h、PAC基液与废水体积比1∶120、搅拌转速140 r/min、pH值8、反应温度30 ℃、聚丙烯酰胺(PAM)投加量20 mg/L条件下处理含锰酸性废水，处理后液中锰质量浓度由325.3 mg/L降至1.5 mg/L，锰去除率达99.5%，净化后液中锰质量浓度达到国家一级排放标准。
  • 天然矿物修复剂筛选及其对镉固持性能研究
    宋冰冰, 邓武军, 曾婧滢, 毕军平, 何海军, 于磊, 朱瑞瑞, 张建新, 吕焕哲, 秦迪岚
    矿冶工程. 2024, 44(4): 241-246. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.047
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    对湖南省14个产地、4类矿物材料的镉固持性能进行对比，优选出4种天然高效镉修复材料(宁乡县喻家坳的石灰石、湘潭县楠木冲的低品位锰矿石、桃源县马宗岭的膨润土和石门县新岗的海泡石)。4种天然矿物材料对镉的固持动力学速率从快到慢排序为：膨润土>石灰石>海泡石>锰矿石。各矿物材料对镉的吸附量随着镉初始质量浓度增大而增大，镉质量浓度不高于10.0 mg/L时，各矿物材料对镉的吸附量从大到小排序为：石灰石>膨润土>锰矿石>海泡石；镉质量浓度高于10.0 mg/L时，各矿物材料对镉的吸附量从大到小排序为：膨润土>石灰石>锰矿石>海泡石。吸附行为均符合Langmuir吸附模型，膨润土、石灰石、锰矿石、海泡石对镉的最大吸附容量分别为29.38、14.51、9.67、5.27 mg/g。溶液pH＝6～9时，各矿物材料对镉的去除效率排序为：石灰石>膨润土>锰矿石>海泡石。天然矿物材料对镉的固持效果与矿物的化学组分、初始镉质量浓度、pH值有关。
  • 低杂铅电解液连续电解制备高纯铅
    唐志波, 王文军
    矿冶工程. 2024, 44(4): 247-252. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.048
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    以精铅锭、氟硅酸、双氧水、骨胶、β-萘酚为原料制备了低杂铅电解液，开展了连续14周期电解精炼精铅的试验研究。结果表明：铅电解初期电耗52.37 kW·h/t，前2周期可产出6N高纯铅；随着循环电解的进行，电解液中杂质含量和铅离子质量分数逐渐升高，氟硅酸质量浓度逐渐降低，导致析出铅含杂逐渐升高，2周期后析出铅中Cu、Ag、Fe、Al等杂质含量陆续升高，析出铅符合5N但低于6N高纯铅标准。同时，电耗逐渐升高，但各周期电耗均维持在50～70 kW·h/t的较低水平。
  • 粉煤灰基沸石吸附废液中氨氮化物与铜离子的试验研究
    鲍慧敏
    矿冶工程. 2024, 44(4): 253-258. https://doi.org/10.3969/j.issn.0253-6099.2024.04.049
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    开展了粉煤灰基沸石吸附电镀废液中氮氧化物和铜离子的试验研究。结果表明：粉煤灰基沸石吸附铜离子的适宜条件为：pH值8，溶液中铜离子初始质量浓度200 mg/L，吸附时间0.45 h，温度200 ℃；粉煤灰基沸石吸附氨氮化物的适宜条件为：粉煤灰基沸石投入量8 g/L，pH值8，吸附时间0.60 h，溶液中氨氮化物初始质量浓度150 mg/L；粉煤灰基沸石吸附铜离子的吸附过程为物理吸附过程，粉煤灰基沸石对氨氮化物的吸附是离子交换和物理吸附共同作用的结果。
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