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西南含砷金矿区砷富集植物筛选及其除砷应用研究

王海娟  
【摘要】:随着金矿大规模的开采和黄金选冶技术的发展,黄金资源开发的范围不断扩展,从性质单一的易处理黄金资源,迅速发展到难处理金矿资源领域。含砷金矿是难处理金矿石中储量最大、回收经济价值最高的金矿类型,也是目前研究最多的矿石类型。由于砷(As)的毒性和致畸、致癌、致突变效应,长期以来砷已成为公众普遍关注的环境污染物之一。金矿中砷的存在不但影响金的浸出,同时会造成大气、水体和土壤的环境污染,因此有必要对含砷难处理金矿进行除砷预处理。随着植物修复思想的提出、植物修复技术的发展以及蜈蚣草、大叶井口边草等砷超富集植物的发现,为砷污染土壤和水体的治理提供了更为经济有效和环境友好的方法,也为将其用于金矿除砷奠定了基础。 本研究通过野外调查,对云南、贵州部分难处理金矿区矿物样品、周围土壤及植物进行了采样分析,评价了含砷金矿区造成的土壤和植物砷污染状况;选定了金、砷含量均较高的贵州兴仁金矿进行后续植物除砷的研究;利用研究区域内广泛分布的砷超积累植物蜈蚣草对难处理金矿进行了预处理;对金矿进行了直接淋洗活化,筛选有效促进砷淋溶的活化剂;以盆栽试验进行了调控处理,得到了有效的金矿除砷条件的调控方法;通过对金矿调控,分别提高了蜈蚣草砷去除效率及生物量;研究了淋洗剂及蜈蚣草根系分泌物对于金矿砷形态变化的影响。主要研究结果如下: 1.本研究收集了云南省文山州渭砂金矿(WS)、红河州官厅金矿(GT)、普雄金矿(PX)和贵州兴仁县紫木魅金矿(XR)等矿物样品,通过对4个金矿尾矿区周围土壤调查分析表明,调查区域土壤中砷含量范围258.16-3594mg/kg,不仅远高于我国红壤中砷含量的平均值(约为19.85mg/kg),而且均超过GB15618-1995《土壤环境质量标准》中的砷含量旱地三级标准值。说明该有色金属矿区土壤超标率100%,超标倍数为6.45~89.85,土壤砷污染较严重,有待进行修复治理。另外,尾矿库有微量金残留,但是仅依靠氰化堆浸很难达到工业利用价值,因此有必要探索新的方法进行金的二次回收利用。 2.植物调查结果表明,含砷金矿区周围植物砷含量变化较大,除已经公认的砷超积累植物蜈蚣草和大叶井口边草外,钻型紫菀、密蒙花、苋菜、珠光香青和尼泊尔蓼等几种植物地上部As积累量相对较高,转运系数均大于6。有望将其作为一种修复植物来治理土壤砷污染。另外分析表明,矿区周围栽种的部分农作物(除玉米未采集到种子)及野生的可食用植物,其可食部位砷含量均超标,有必要从食品安全的角度进行系统的研究和防治。 3.通过对四个矿区金矿样品进行金、砷含量测定,筛选出金、砷含量均较高的兴仁金矿样品作为进一步植物除砷的目标。兴仁金矿矿石中的金元素的平均含量为3.8g/t,砷平均含量为0.85%。利用X衍射衍射分析(XRD)表明,兴仁金矿矿石中金属矿物组成较为复杂,所见金属矿物为:黄铁矿毒砂、闪锌矿、黄铜矿、方铅矿、赤铁矿、褐铁矿、臭葱石等,所见贵金属矿物包括自然金、银金矿石、自然银、辉银矿。矿石中脉石矿物组成主要是以碳酸盐矿物为主,其次为长石等其他矿物。通过鉴定发现金矿物在矿石中嵌布粒度呈现微细粒的特点,其中金主要以微细颗粒存在于黄铁矿和毒砂中,砷主要以毒砂形态存在。 4.淋洗实验结果表明,金矿砷速效态(淋洗剂可溶态及离子态之和)含量极低,仅占原矿总砷的万分之五,而残渣态含量高,占总砷的81.94%。表明金矿砷有效性较低,通过用乙二胺四乙酸二钠、磷酸二氢铵、亚硫酸氢钠、碳酸氢钠、硝酸铵、柠檬酸和丁二酸7种试剂各3个浓度、3个时间梯度进行震荡、分级提取实验,结果表明,除硝酸铵外各试剂淋洗下速效态砷含量均有显著增加,并且有随着震荡时间延长而逐渐增加的趋势,在高浓度的磷酸二氢铵和柠檬酸作用下,震荡3h和20h后,速效态砷含量最大可以增加到1%以上。结合态砷含量(A1-As、Fe-As和Ca-As)在不同震荡时间下有不同变化趋势,但是除亚硫酸氢钠外,总结合态含量有随着震荡时间延长而增加的趋势,在高浓度柠檬酸作用下,从1h的19%分别增加到3h的33%和20h的37%。因此利用不同试剂进行金矿淋洗,可以把砷从残渣态向结合态和离子态逐渐活化,震荡淋洗时间从有效、节能的角度考虑以3h为佳。 5.蜈蚣草调控试验结果表明,蜈蚣草吸收累积去除金矿砷的总量在磷酸二氢铵处理下有显著增加,表明磷酸二氢铵一方面起到肥料的作用,为金矿蜈蚣草生长添加了N、P肥,另外也对金矿砷的吸附-解吸起到竞争作用。通过磷酸二氢铵的加入,促进了砷从黄铁矿、粘土矿物等的解吸,提高了砷的有效性,从而促进了蜈蚣草对砷的累积。另外柠檬酸对生物量的增加起到了较明显的作用。其他试剂如EDTA-Na2、亚硫酸氢钠、碳酸氢钠和硝酸铵在蜈蚣草生长1个月和3个月时分别表现出不同的调控效果。蜈蚣草每生长3个月进行收割可以取得较高的除砷效率。在细磨矿样上种植蜈蚣草,有利于微细粒毒砂等砷化合物的暴露,从而去除效率比不同粒径配比的矿样高。 6.根区砷形态分析试验结果表明,种植蜈蚣草后,与种植前的原矿相比,蜈蚣草根区、非根区的离子态砷含量、结合态砷含量均有明显提高,而残渣态砷含量则明显减少,表明植物对于残渣态砷向结合态砷转化、结合态砷向离子态转化有很大作用,蜈蚣草根系分泌物对于金矿砷活化有显著的作用。根区残渣态砷含量下降了近30%,而非根区残渣态砷含量下降了近20%。另外除Fe-As外,根区的离子态砷、Al-As、Ca-As均比非根区多,证明了蜈蚣草根系吸收营养和砷的同时对矿样中砷向根区移动有明显的作用。XRD定量分析结果也表明,种植蜈蚣草前后矿样的矿物组成基本相同,但矿物含量有所变化,矿物种植蜈蚣草前后毒砂减少了0.89%,相当于砷减少了0.41%。 7.蜈蚣草预处理前后金氰化浸出试验结果表明,未经种植植物的原矿金浸出率最低,只有34.21%,而种植蜈蚣草4个月后的矿样金浸出效率均有所提高,其中利用柠檬酸调控的蜈蚣草处理后矿样金浸出效率最高,可以提高到52.54%。与未种植蜈蚣草的原矿以及种植蜈蚣草的对照(即未加调控剂)相比,利用磷酸二氢铵、亚硫酸氢钠和柠檬酸调控蜈蚣草除砷后金浸出效率也有显著提高。表明利用这三种试剂调控进行蜈蚣草除砷后对于金的浸提有明显效果。 本论文成果通过植物预处理方法代替传统的火法焙烧预处理工艺,在提高金的浸出效率的同时,避免了传统工艺中因采用焙烧法除砷工艺给大气环境带来的砷污染,通过植物可以回收有价金属砷,有利于节能减排,对我国黄金选冶行业砷污染控制有推广应用价值。


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