随着全球工业化的深入和新能源革命的兴起，对镍、钴和铜等关键战略金属的需求正在激增[1],[2]。由于这些金属具有优异的电化学性能、耐腐蚀性和高稳定性，它们在高端制造、储能技术和航空航天工程等前沿领域不可或缺；特别是在“碳中和”的背景下，镍的战略意义更加突出[2],[3]。然而，这些关键金属的冶炼不可避免地会产生大量固体废物，即冶炼渣。例如，在镍冶炼过程中，生产一吨镍大约会产生6到16吨渣[4]。这种副产品的大规模不当处置不仅占用大量土地，还会对周围土壤和水体造成严重污染，带来巨大的环境负担[5],[6],[7]。同时，这也导致了宝贵金属资源的损失，对于那些初级镍矿品位低且依赖进口严重的国家来说，这一问题尤为突出。然而，这种常被视为废物的渣实际上是一个极具潜力的“城市矿山”。镍冶炼渣通常含有超过2%的镍，这一浓度超过了许多原生镍矿的品位（Ni > 0.5%），甚至超过了许多未开发的红土矿的品位；此外，它还富含钴和铜等其他有价值的金属，使其成为一种优良的二次资源。因此，开发高效且环保的技术从镍冶炼渣中回收有价值金属，不仅是一种减轻固体废物污染和促进循环经济的策略，也是缓解战略资源短缺、保障工业供应链和创造巨大经济效益的必要措施。
目前，从固体废物中回收有价值金属主要依靠两种技术途径：火法冶金[8],[9],[10]和湿法冶金[12],[13],[14],[15]。火法冶金过程（如直接还原冶炼）通常在500–1600°C的温度下进行[16]，但存在能耗高、排放有害气体（如SO?）和重金属积累污染等显著缺点。Sungging Pintowantoro等人[17]报告称，在1400°C下通过碳热还原含镍4.13%的物料，镍的回收率为91.81%；然而，该过程能耗过高且会导致其他有价值金属的损失，限制了其工业应用。相比之下，传统的湿法冶金方法（如直接酸浸）虽然能耗较低，但经常受到金属提取选择性差和酸消耗过多的问题困扰。在传统的湿法冶金方法中，大量的未反应酸和氧化还原剂会残留在排放物中，造成二次污染。
为了利用这两种方法的优点并克服其缺点，人们开发了结合火法和湿法冶金的过程。例如，Yongwei Wang等人[18]引入了碳热还原后跟硫酸浸出的方法，在935°C下进行焙烧，镍和钴的提取率分别为98.65%和96.71%。然而，随后的还原浸出阶段消耗了大量浓硫酸和过氧化氢，产生了难处理的酸性废水，从而继续存在试剂成本高和环境影响大的问题。
为了解决上述传统和组合过程的局限性，基于硫酸化焙烧后水浸的新技术框架应运而生，这是一种非常有前景的替代方案。该工艺的原理是在适中温度（300–900°C）下，使渣中的目标金属氧化物与硫酸化剂反应[19]，选择性地将其转化为易溶于水的金属硫酸盐。随后通过简单的水浸实现目标金属的高效分离，这种方法因其操作简便、成本效益高和环保特性而受到关注。事实上，这种方法已在多种其他二次资源的回收中得到成功应用。许多研究有效使用了Na?SO?[20]、MnSO?[21]、Fe?(SO?)?[22]、K?S?O?[23]、(NH?)?SO?[24],[25]、浓H?SO?[26]等硫酸化剂，用于回收废旧锂离子电池等二次资源，实现了锂（Li）、钴（Co）和镍（Ni）的高效回收。目前，使用气体硫酸化剂回收有价值金属的研究框架尚不完善，其背后的反应机制仍需进一步阐明。
在镍的回收方面，已有研究探索了各种硫酸化剂的协同作用机制。Duan等人[27]发现，在硫酸和硫酸铵共焙烧过程中，H?SO?有效地破坏了渣颗粒的致密表面，从而促进了(NH?)?SO?的反应和质量传输，使得在较低温度下高效提取金属成为可能。Qiangchao Sun等人的工作[28]特别值得注意，他们使用硫酸钠（Na?SO?）作为硫酸化剂处理低品位镍冰铜矿，在600°C的优化温度下实现了镍95%、铜99%和钴94%的回收率，并成功将铁的提取率控制在1%以下。此外，Tengfei Xiao等人[29]设计了一种包括氧化硫化、选择性焙烧和水浸的综合工艺，获得了镍（98.6%）、铜（93.4%）和钴（90.4%）的高回收率，尽管该工艺仍面临复杂性和金属损失的问题。
尽管硫酸化焙烧具有广阔的应用前景，但其工业应用仍面临挑战，如对硫酸化剂的依赖、潜在的二次污染以及工艺可控性和经济可行性的问题。大多数研究集中在固体或液体硫酸化剂上，而利用工业废气SO?作为主要硫酸化剂的研究仍然较少，其在复杂渣基质中的反应机制也知之甚少。值得注意的是，二氧化硫的大规模排放是一个全球性的环境问题。SO?来源于冶金、煤炭燃烧和化工制造等行业，是酸雨、土壤酸化和呼吸系统疾病的主要原因，给环境和社会经济带来了巨大负担[30],[31]。因此，开发能够大规模利用废气中的SO?的技术对于环境保护和可持续发展具有重要意义。
本研究提出了一种新的“废物处理废物”策略，用于协同处理含重金属的固体镍渣和含有SO?的工业废气。开发了一种新的工艺，在SO?和Ar气氛下进行中温（300–900°C）硫酸化焙烧，随后进行水浸，从而高效回收镍渣中的有价值金属。该工艺的核心是利用废气中的SO?作为主要硫酸化剂，并创新性地添加了硫酸钠（Na?SO?）作为协同促进剂[32]。通过精确控制焙烧气氛（SO?和Ar）、温度和物料比例，该工艺选择性地将目标金属（如镍、钴和铜）转化为可溶于水的硫酸盐，同时将杂质元素（如铁）保留为不溶性氧化物。使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜结合能量分散光谱（SEM-EDS）和电感耦合等离子体光学发射光谱（ICP-OES）等表征技术，全面研究了该工艺的热力学和动力学机制。所提出的方法为镍渣的增值利用提供了一种新型、低成本且高效的途径，为工业SO?排放的减排和资源化提供了巨大潜力。
