碱性热液法将金尾矿转化为疏水性二氧化硅气凝胶和FAU沸石

时间：2026年2月5日

来源：Waste Management

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金尾矿通过碱性水热法转化为高疏水气凝胶和沸石，实现全组分高值利用。液相产品制备的气凝胶表面改性后疏水性能显著提升，形成均匀多孔结构；固相沸石对Cu²⁺和Zn²⁺具有高效吸附能力，机理包括静电作用、离子交换及表面络合。该技术为固体废物资源化提供新路径。

杨道魁|魏光硕|张家正|赵瑞强|王云飞|李京伟|王旭江|王文龙|毛彦鹏

中国海洋石油集团有限公司海洋天然气水合物国家重点实验室，北京100028

摘要

大量金尾矿（GT）的积累对生态系统和人类健康构成了严重威胁，而现有的资源回收策略由于附加值低而受到限制。本研究旨在通过碱性水热工艺将GT转化为高价值产品，实现其所有组分的全面利用。液相产物——GT衍生的二氧化硅源——被用于制备疏水性GT基二氧化硅气凝胶（GTSA）。通过对不同疏水改性剂用量下GTSA的化学结构演变、热稳定性、疏水性、孔隙特性和微观形态进行系统表征，发现表面改性导致GT基二氧化硅气凝胶中的Si–OH基团部分被Si–CH₃基团取代，从而实现了从亲水性到疏水性的转变。在改性过程中，GT基二氧化硅气凝胶从密集聚集的大颗粒转变为均匀分布的纳米颗粒，形成了分散良好的多孔网络。固相水热产物——GT基FAU沸石（GTFZ）被用于从废水中吸附Cu²⁺和Zn²⁺。GTFZ对这两种金属离子的吸附行为相当，其吸附机制涉及静电吸引、离子交换和表面络合。总体而言，本研究提出了一种可持续且高效的高价值及全组分利用GT的策略，为从高硅固体废物中绿色合成多孔材料提供了可行的途径。

引言

随着全球人口的持续增长和经济的快速发展，对自然资源（尤其是黄金等贵金属）的需求在全球范围内持续增加。根据世界黄金理事会的数据，自采矿开始以来，全球黄金总产量已接近19万吨（Ince, 2019）。然而，持续的需求加剧了采矿活动，导致高品位金矿资源的逐渐枯竭。预测显示，到2050年，全球金矿的平均品位将下降约70%，而每年产生的金尾矿量预计将达到开采矿石总量的水平（Norgate和Haque, 2012；Wang等人, 2020）。这一趋势不仅加剧了矿产资源供应的压力，还导致尾矿排放量大幅增加。仅在中国，每年产生的金尾矿量就超过2450万吨，占固体采矿废物的很大一部分（Chen等人, 2022）。对金尾矿的不当管理对生态系统和人类健康构成了严重风险。因此，提高GT的全面利用率已成为缓解资源枯竭和推动可持续发展的关键策略。

金尾矿主要由SiO₂和Al₂O₃组成，其中SiO₂的含量通常超过50%。传统上，GT的资源利用主要集中在建筑材料的生产上，包括辅助胶凝材料（Ince, 2019；Zhao等人, 2025）、陶瓷砂（Jiang等人, 2024）和砖块（Kim等人, 2019）。然而，高昂的运输成本和有限的市场范围导致其附加值低，应用潜力受限。近年来，关于GT的研究越来越多地转向将其用于高价值材料的制备。尽管从尾矿中制备纳米材料比使用传统试剂需要更复杂的工艺，但其在经济回报、附加值和环境可持续性方面的优势使得尾矿成为纳米材料合成的有吸引力的原料（Hossain等人, 2022）。先进的技术，如水热合成、碱熔融和机械化学处理，可以有效优化尾矿的矿物组成和微观结构，从而提高其反应性和应用潜力（Dou等人, 2026；Ye等人, 2022）。

二氧化硅气凝胶是一种典型的高度分散的多孔材料，具有由交联聚合物链或纳米颗粒形成的三维凝胶结构（Akhter等人, 2021）。作为密度最低的材料之一，它具有超低密度（0.001–0.200 g·cm⁻³）、高孔隙率（>95%）和优异的隔热性能（低至0.013 W·m⁻¹·K⁻¹）（Lee等人, 2002；Li等人, 2021）。这些独特特性赋予了二氧化硅气凝胶广泛的应用潜力，包括作为吸附剂（Abedpour等人, 2023；Abolghasemi Mahani等人, 2018）、隔热材料（Chen等人, 2022；Li等人, 2024）、催化剂载体（Mohammad Al Soubaihi等人, 2023）和药物输送载体（Jabbari-Gargari等人, 2021）。

GT富含SiO₂，是制备二氧化硅气凝胶的有前景的前体。Mermer等人采用碱熔融法从GT中提取硅，并通过溶胶-凝胶工艺结合常压干燥制备了基于二氧化硅的疏水性气凝胶。所得气凝胶的比表面积为283.65 m²·g⁻¹，孔体积为0.45 cm²·g⁻¹（Karamahmut Mermer等人, 2017）。然而，现有研究在气凝胶制备过程中关键参数的系统优化方面仍存在不足。此外，缺乏有效的策略来利用硅提取过程中产生的残余废物，限制了GT的整体高价值利用。

我们之前的研究表明，在从GT中提取硅的过程中，初级矿物的溶解会产生硅酸盐和铝酸盐离子，这些离子随后聚合形成FAU沸石（Wei等人, 2025）。与天然沸石相比，FAU沸石具有更高的比表面积和更强的离子交换能力，显示出其在环境污染物修复方面的巨大潜力。因此，本研究旨在实现GT的全面和高价值利用。采用碱性水热方法促进GT中铝硅酸盐组分的深度转化，制备了疏水性GT基二氧化硅气凝胶（GTSA）和GT基FAU沸石（GTFZ）。系统研究了疏水剂用量对二氧化硅气凝胶的微观结构、化学组成和疏水性的影响，并评估了GTFZ对Cu²⁺和Zn²⁺的吸附行为和机制。

材料

本研究中使用的（经过处理的）金尾矿来源于中国山东省烟台市的招远金矿。GT的粒径分布见图S1(a)，中位直径（D50）为42.2 μm。其化学和矿物组成分别显示在表S1和图S1(b)中。主要化学成分是SiO₂和Al₂O₃，总含量为89.21%，主要矿物相包括石英（SiO₂）和钠长石（Na[AlSi₃O₈）。

化学结构演变

FTIR光谱（图1a）证实了Si–O–Si框架的交联以及疏水功能团在GTSA中的成功引入。3450 cm⁻¹处的吸收峰对应于O–H伸缩振动，1620 cm⁻¹处的峰对应于H–O–H弯曲振动，表明存在表面羟基和吸附的水。1060 cm⁻¹处的显著峰与不对称的Si–O伸缩有关，同时还存在另一个峰

结论与展望

本研究旨在通过碱性水热方法实现GT中所有组分的全面利用，从而实现液相和固相产品的完全价值化。液相产物衍生的二氧化硅源被用于制备疏水性二氧化硅气凝胶，而固相水热产物GTFZ则用于从废水中去除Cu²⁺和Zn²⁺。主要结论如下：

(1)
在表面疏水改性过程中，

作者贡献声明

杨道魁：撰写——原始草稿，研究，数据管理。魏光硕：方法学，研究，概念构思。张家正：方法学。赵瑞强：数据管理。王云飞：项目管理。李京伟：撰写——审阅与编辑。王旭江：撰写——审阅与编辑。王文龙：撰写——审阅与编辑。毛彦鹏：撰写——审阅与编辑，监督，概念构思。