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主要作者及机构

本研究的主要作者包括Ying Du、Xiaolong Zhao、Yangming Xu、Wenbo Ma、Guangli Wang、Zhiying Zhao和Dongyun Du。他们分别来自中南民族大学资源与环境学院、湖北省重金属污染控制工程研究中心以及教育部催化与能源材料化学重点实验室。该研究发表在期刊《Process Safety and Environmental Protection》上，于2025年3月3日在线发布。

学术背景

本研究的主要科学领域是环境工程，特别是酸性废水处理与资源回收。非有色金属冶炼过程中产生的酸性废水（Dirty Acid Wastewater, DW）含有高浓度的砷（As）和硫酸（H2SO4），同时还含有铜、铅、锌、铬、汞等有毒元素。传统的硫化沉淀法虽然能有效去除重金属，但存在成本高、设备投资大、碳排放高等问题。因此，本研究提出了一种利用天然磁黄铁矿（Natural Pyrrhotite, NP）生成硫化氢（H2S）的新方法，旨在以低成本、环保的方式处理酸性废水，并实现资源回收。

研究流程

本研究分为以下几个步骤：

1. 材料与试剂准备：天然磁黄铁矿（NP）购自中国安徽铜陵伟特矿产品销售有限公司，硫酸、硫酸铜等试剂均来自国药集团武汉分公司。废水样品采集自湖北省某铜冶炼厂。

2. H2S生成实验：在200 mL三颈锥形瓶中加入指定浓度的稀硫酸，搅拌后加入4 g NP，通入氮气（N2）以促进H2S生成。H2S生成速率通过反应前后CuSO4吸收液中铜离子浓度的变化计算。

3. H2S吸收实验：使用400 mL两阶段CuSO4溶液吸收H2S，H2S与Cu2+反应生成CuS沉淀。通过吸收液中Cu2+浓度的变化计算H2S生成速率。

4. 响应面实验：采用三因素三水平的响应面法（RSM）优化H2S生成条件，考察液固比、硫酸浓度和反应温度对H2S生成速率的影响。

5. 反应动力学分析：通过不同温度和时间下的H2S生成实验，拟合未反应核模型，计算反应速率常数和活化能。

6. 生命周期评估（LCA）：使用Simapro 9.4软件对NP生成H2S的方法与传统NaHS酸水解法进行生命周期评估，比较两者的环境影响。

主要结果

1. H2S生成速率影响因素：研究发现，H2S生成速率随硫酸浓度、液固比和反应温度的增加而提高，但超过一定值后开始下降。最佳条件下（液固比31.25，硫酸浓度1.4 M，反应温度75 ℃，反应时间30分钟），H2S生成速率达到90.1%。

2. 反应动力学：在30-50 ℃时，反应速率受表面扩散控制；在70-90 ℃时，反应速率受内部扩散和表面扩散的混合控制。反应活化能在303.15-323.15 K时为10.9 kJ/mol，在343.15-363.15 K时为57.8 kJ/mol。

3. 硫的生成机制：Fe(III)氧化是硫生成的主要途径，其次是H2SO4和H2SO3氧化。Fe(III)来自NP中Fe3O4的溶解，氧化H2S生成硫。

4. 经济与环境影响评估：与传统NaHS酸水解法相比，NP生成H2S的方法每吨H2S的生产成本降低3.5%，设备投资减少1/3，碳排放减少8987 kg CO2当量。

结论

本研究提出了一种利用天然磁黄铁矿生成H2S的新方法，能够高效、低成本地处理酸性废水，并实现资源回收。该方法不仅具有较高的H2S生成效率，还能减少碳排放和设备投资，具有广阔的应用前景。

研究亮点

1. 创新性：首次提出利用天然磁黄铁矿生成H2S处理酸性废水的方法，具有显著的环保和经济效益。
2. 高效性：在最佳条件下，H2S生成速率达到90.1%，显著高于传统方法。
3. 资源回收：反应副产物硫酸亚铁（FeSO4）和硫（S）可回收利用，减少资源浪费。
4. 环境友好：与传统方法相比，碳排放显著降低，符合绿色化学理念。

其他有价值的内容

本研究还通过生命周期评估（LCA）比较了NP生成H2S的方法与传统NaHS酸水解法的环境影响，进一步验证了该方法的环保优势。此外，研究还详细探讨了硫的生成机制，为后续研究提供了理论基础。