[发明专利]使用硼氢化物处理酸矿排料并形成零价铁纳米粒子的方法

说明书

本发明提供了一种在产生高纯度铁纳米颗粒的条件下，用硼氢化物处理酸矿排料的方法，还描述了所得物，独特的铁纳米颗粒。

发明领域

本发明一般涉及酸矿排料(AMD:acid mine drainage)的控制和处理。更具体地，本发明涉及通过使用硼氢化物的化学还原工艺去除铁，并且涉及从AMD生产有价值的纳米颗粒，特别是零价铁(ZVI)纳米颗粒。

背景技术

酸矿排料问题

在挖掘含有黄铁矿的岩石的过程中，将硫化物矿物表面暴露，并与水和氧气发生反应，并产生污染性的硫酸溶液。这一过程在道路建设和采矿中常见，特别是煤炭。问题的严重性可以从全国大约12,000英里、宾夕法尼亚州的大约12,000英里的酸矿排料型河流和溪流中找到证据(Johnson and Halberg,2005,Sci.of the Total Environ.,338,3-14)。此外，煤矿经常被遗弃，并具有酸性流出物，其流速通常在约500,000加仑/日，但基于来自宾夕法尼亚州的140个被遗弃的煤矿的数据，可能高达5000万加仑/日。以上数据来源于Cravotta，C.A，废弃的煤矿排放物中溶解的金属和相关成分，宾夕法尼亚州，美国：Geochem，23,166-226,2008。

除了这种含有硫酸的排出物外，还有特征溶质，尤其是Fe，Mn和Al，以及带有较高毒性的As和Pb，以及在黄铁矿上以高于0.4ppm的浓度产生的16种其他元素。(Abraitis等人，2004，J.Mineral.Process，74,41-59)。

下面列出的是以毫克/升为单位，溶解黄铁矿和相关矿物质中的更常见溶质的代表性浓度范围。结果与Cravotta，美国地质调查中发现的浓度相匹配。

表1.酸矿排料中溶质的浓度，毫克/升(Cravotta，2008，Applied Geochem的浓度，23.166-202，表1；Cravotta和Brady，2015，Applied Geochem。62,108-130，表1)

在下游与空气反应沉淀出铁羟基氧化物(俗称“黄色男孩”)之前，可以在酸矿排料的透明水中检测到这些浓度。降水通常远离风化来源多达数米。酸矿排料的酸度，透明和铁沉淀物之后，通常在的PH值为2.3-6.5(Nordstrom，2011，Appl.Geochem，26,1777-1791)。通常，这些污染水域用水合石灰，Ca(OH)₂或常用于NaOH处理，但这些溶液不太理想，因为它们的溶液是无缓冲的，强碱性的，并且可以将流出物的PH值提高到10——极端污染水平。

在一项专利的步骤中，美国专利9,334,180，用商业组合物处理酸矿排料，采用BoroMet 1240，该物质是硼氢化钠和氢氧化钠的混合物。酸矿排料立即变绿，形成蓬松的绿色沉淀物。在公开内容中，通过将磁铁放置在处理过的流体中，可以加速沉淀。沉淀物具有大量的硼，钙，镁和钠。

发明内容

第一方面，本发明提供了一种酸矿排料中沉淀铁纳米颗粒的方法，包括：提供一种稀释铁溶液，包含5至5000质量ppm的铁且O2浓度为4质量ppm以下；将硼氢化物添加到酸矿排料中，以沉淀出铁纳米颗粒，硼氢化物为硼氢化钠或硼氢化钾；在操作过程中，没有将氢氧化物或基本上没有氢氧化物加入到酸矿排料中。

沉淀的铁纳米颗粒应该是黑色的，并且不应有其他颜色的沉淀物。优选地，沉淀的铁是基于TEM，SEM，EDS和HAADF-STEM测量的峰强度至少95％或至少98％的单相材料。

“基本上不含氢氧化物”是指存在的氢氧化物不足以形成任何其他沉淀，例如导致绿色沉淀物。