基于煅烧菱镁矿的酸性矿山废水处理技术：超声与絮凝反应效能比较研究

《Journal of Environmental Science and Health, Part A》：Treatment of acid mine drainage using calcined magnesite: Comparison of the effectiveness of sonication and flocculation of reaction mixtures

本文系统比较了超声（sonication）与絮凝（flocculation）技术在酸性矿山废水（AMD）处理中对煅烧菱镁矿（calcined magnesite）反应效能的提升作用。研究发现，800°C煅烧菱镁矿可显著提高MgO含量（85.67%），超声处理能快速（1分钟内）将pH从2.25提升至10.1，优于絮凝法（pH 9.2）。通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术证实，超声促进更多金属氢氧化物及羟基硫酸盐沉淀，生成水适宜灌溉。研究为AMD治理及有价金属回收提供了新思路。

　　

酸性矿山废水（AMD）是金矿和煤矿开采过程中硫化矿物暴露于氧气和水体形成的酸性排水，具有低pH、高硫酸盐及重金属（如Fe、Mn、Al等）污染特征，严重危害水资源安全。本研究以南非Folovhodwe矿区的菱镁矿为原料，通过煅烧优化将其转化为活性更高的氧化镁（MgO），并系统比较超声与絮凝两种混合方式对AMD的处理效果。

材料表征与煅烧优化

研究采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线荧光（XRF）和扫描电子显微镜（SEM）对原始及煅烧菱镁矿进行表征。结果显示，原始菱镁矿中MgO含量为61.76%，经200°C至1000°C梯度煅烧后，800°C时MgO含量最高（85.67%），XRD图谱中菱镁矿（MgCO₃）特征峰消失，出现方镁石（MgO）衍射峰（42.91°和62.1° 2θ），FTIR中碳酸根（CO₃^2?）吸收峰（1450 cm^?1等）完全消失，表明MgCO₃已完全分解为MgO。

超声与絮凝反应效能比较

在批次实验中，固定煅烧菱镁矿投加量（1 g/100 mL AMD），超声处理（0.5 cycle，60%振幅）1分钟内即可将pH从2.25迅速提升至10.1，电导率（EC）和总溶解固体（TDS）分别从6.97 mS/cm、4.66 g/L降至2.84 mS/cm、2.02 g/L；而絮凝处理（250 rpm）同期pH仅升至9.2，EC和TDS下降幅度较小。延长反应时间至180分钟，超声组pH先稳定后略降至8.3，絮凝组pH在60分钟后稳定于10.34。投加量实验表明，0.4 g/100 mL为最优剂量，此时超声组pH显著高于絮凝组（p=0.0476），证实超声在低剂量下因空化效应（cavitation）可加速MgO溶解与传质。

溶液化学与缓冲机制

通过0.1 g/100 mL和0.13 g/100 mL投加量下的长时间反应（1–360分钟），研究揭示了Fe³⁺、Al³⁺和Mn²⁺的水解沉淀缓冲区：pH≈4（Fe³⁺）、≈6（Al³⁺）和≈7（Mn²⁺）。超声处理在0.13 g/100 mL时呈现三个清晰缓冲平台（pH 4.8、6.10、7.22），而絮凝仅显示两个（pH 4.0、6.4），表明超声促进多阶段金属沉淀反应。EC变化进一步证实，超声初期快速降低后因MgO持续溶解略有回升，絮凝组EC则持续下降至2.0 mS/cm以下，可能与硫酸盐吸附于氢氧化物有关。

产物水质与沉淀矿物分析

处理后的水质分析显示，超声60分钟和360分钟出水中的Fe、Al去除率均超90%，Mn去除率约50%，SO₄^2?去除率约30%。出水pH符合灌溉标准，但Mn、Mg、Ca和硫酸盐浓度仍超饮用水限值。SEM-EDS显示沉淀物中含Al、Fe、O、S元素，形成微米级颗粒。PHREEQC地球化学模拟表明，超声促进基底铝石（basaluminite）、施威特曼石（schwertmannite）、针铁矿（goethite）、赤铁矿（hematite）等矿物过饱和沉淀，而絮凝组矿物种类较少。

结论与展望

本研究证实超声辅助煅烧菱镁矿可高效中和AMD，快速提升pH并促进多金属沉淀，出水适宜农业灌溉。超声的空化效应优于传统絮凝，为AMD资源化处理（如有价金属回收）提供了技术依据。后续研究可聚焦于沉淀矿物的选择性回收与工艺能耗优化。