冶金环境工程学课程思政之顶层设计与案例展示

冶金环境工程学是教育部课程思政示范课程。该文结合冶金环境工程学课程内容与特色、顶层科学设计课程思政与教学方法,将“绿水青山就是金山银山”等理念融入教学内容,将“四个面向”“创新改变行业发展”“奋斗实现梦想”三大思政要素贯穿融合于教学全过程;以重金属废水生物制剂法处理技术进行详细地课堂案例展示。实践表明,这种创新的课程思政教学模式能够实现知识传授、能力培养和价值塑造的协同成效,提升特色冶金环境工程专业人才培养质量,形成冶金环境工程学课程思政教育的中南模式,并已推广应用。

冶金与地球化学过程中Fe-Co-Ni-Cu亲氧性和亲硫性规律

Fe、Co、Ni、Cu在冶金上的提取分离与地球化学成矿在原理上具有高度的相似性,例如岩浆熔离成矿与火法冶金、热液成矿与湿法冶金、风化成矿与湿法冶金、生物地球化学成矿与生物冶金。元素在地球化学迁移和冶金提取过程中体现出的化学性质相似,在地球化学过程中,Fe、Co、Ni、Cu经常伴生成矿,如铁镍矿、镍钴矿、铜钴矿等硫化或氧化类矿物;在冶金过程中,这四个元素则体现出很强的亲氧亲硫化学规律性。利用过渡金属元素Fe、Co、Ni、Cu在成矿中显现出的元素亲和性差异作为相似元素相互分离的理论指导,可以从新的角度理解提取冶金。本文通过分析四种元素的地球化学行为与冶金行为,发现其对氧的亲和性顺序为Fe>Co>Ni>Cu,对硫的亲和性顺序为Fe<Co<Ni<Cu。此结论可为元素选择性硫化、氧化提供理论依据,同时也为金属元素相互分离提供更多可能的研究方法。

有色冶金清洁生产技术发展态势

有色金属作为国家经济发展、国防军工建设及高技术新兴产业发展的重要物质基石,对提升我国整体实力和保障国家安全具有举足轻重的战略意义,是不可或缺的关键性战略资源。然而,我国有色金属行业正遭遇资源、能源及环境多方面挑战,已经成为制约有色金属冶金绿色发展的主要瓶颈。清洁冶金是创新有色金属冶金发展的模式,采用清洁的能源、资源进行“无废”的全生命周期生产,是有色金属冶金绿色发展的重大战略。本文系统分析了有色金属冶金发展现状、绿色发展成效,全面梳理了清洁冶金对缓解资源、能源和环境问题的重要意义,提出了有色金属清洁冶金发展路径,详细阐述了资源替代、能源替代和全生命周期下的有色金属清洁生产技术发展态势,并展望了未来有色金属清洁生产的发展方向与前景。

冶金工艺开发中的借鉴与创新

资源转型、能源消耗和环境保护等方面对冶金工业的约束日益趋紧,亟待对现有落后的冶金工艺进行升级改造和技术创新,实现清洁绿色、节能减排和高效高值的生产目的。借鉴是创新的重要途径。一方面,借鉴已有冶金工艺来开发新冶金技术无疑是最直接的手段,特别是已工业化的冶炼工艺在“科学—技术—工程”方面提供了多维度的参考。另一方面,不同学科的交叉与融合更有可能产生颠覆性技术,例如地球化学、矿物加工学、电化学(电池)等学科对冶金的借鉴。

月球冶金工艺流程探索与设计

月球是离地球最近的星球。为探索月球,世界各国纷纷推进探月计划,其中月壤资源的勘探与研究对探索月球具有重大意义。基于月壤资源提取需要,地月运输成本及地月环境差异大等问题,本文提出了一种利用菲涅尔透镜,在月球高真空、低重力、强光照环境下,在月球表面原位制备分离金属的方法。本文通过对地月表面物理化学环境的探讨比较,分析适合月表原位提取月壤制备金属的方法。在此基础上使用菲涅尔透镜加热熔化月壤,然后利用金属氧化物的稳定性差异制备金属。本文所研究的冶炼方法充分利用月表物理化学条件,为月球冶金提供新思路。

面向2040年冶金工程科技前沿与创新发展研究

促进冶金工业绿色、低碳、循环、智能、高端化发展,建立低碳、绿色化的新型冶金工业体系,保障国家金属资源、能源与生态安全,支撑制造强国、“双碳”、美丽中国等建设是我国重要的长期发展战略目标。立足全球视野,我国尚处于冶金工业中低端制造阶段,需要将金属资源端自主可控、智能化制造、环境保护和国家安全维护作为有机整体,开展冶金强国建设的顶层设计。本文概括了世界冶金工程科技前沿及发展趋势,详细分析了我国冶金工程科技发展愿景,提出了面向2040年我国冶金工程科技发展战略,包括总体发展思路、重点战略任务以及主要的技术发展方向。最后,从超前布局未来冶金颠覆性技术、重构冶金行业一体化产业创新链、构建精尖人才体系、完善政策标准体系、构建国家经济核心技术驱动力等方面提出了对策建议,以期满足我国社会主义现代化强国建设对冶金工业发展的需求。

有机--无机共添加增强柔性钙钛矿太阳能电池机械弯曲及环境稳定性能

近年来,钙钛矿太阳能电池发展迅速,其光电转换效率(Power Conversion Efficiency,PCE)已经提高到26.1%,但是柔性钙钛矿太阳能电池(Flexible Perovskite Solar Cells,F-PSCs)的机械弯曲和环境稳定性仍然是其商业化的主要障碍。本研究通过添加琼脂糖(Agarose,AG)以改善薄膜的质量和结晶性能,系统探究了AG对钙钛矿的作用机理,组装成的F-PSCs的PCE和机械弯曲及环境稳定性能。研究发现当AG添加浓度达到最优值3 mmol/L时,薄膜表面变得更为致密平滑,钙钛矿结晶度和吸光度增加。此时器件的陷阱态密度降到最低,电荷传输电阻低至2191Ω,光电性能达到最佳,PCE由15.17%提升至17.30%。进一步引入TiO2纳米颗粒(0.75 mmol/L),与AG(3 mmol/L)共同作用,可以提供刚性骨架结构,增强钙钛矿层的机械性能和环境稳定性。循环弯曲1500次(半径为3 mm)后,AG/TiO2共添加器件可保持初始PCE的84.73%,远高于空白器件的9.32%;在空气中放置49 d后,该器件仍可保持初始PCE的83.27%,优于空白器件的62.21%。该研究成果为制备高效且稳定的F-PSCs提供了可能性。

有色冶金汞污染控制及资源回收技术进展

汞是国际公约重点管控的重金属,其原生矿产开采即将全面禁止,但汞及其化合物在化工、军工等领域中发挥着重要作用。有色冶金行业是我国主要的汞排放源之一,面临巨大的汞污染减排压力,将汞污染物转化为汞资源,不仅能够最大限度地减少汞污染物的危害,而且能够有效保障国家汞资源安全及相关产业可持续发展。本文结合团队在有色冶金“高温、高硫”烟气中高浓度汞污染物控制与资源回收方面的最新研究成果,全面梳理总结了国内外有色冶金行业汞污染排放控制和资源回收技术现状及研究进展,旨在为有色冶金行业绿色发展和汞资源经济性循环利用提供参考和指导。

铝电解槽槽体与环境界面换热系数的计算

通过分析铝电解槽不同部位以不同方式向外界环境散热的原理,基于玻尔兹曼定律及流体外掠平板的传热理论建立了槽体与环境界面换热系数的计算模型,实现对槽体与环境换热系数的计算。在此基础上,以侧部槽壳为例分析了槽体表面温度、空气流速以及槽型对换热系数的影响。结果表明:铝电解槽周围环境的空气对流形式为自然对流及强制对流的混合流,对流换热系数随着空气流速的增加而增大,而辐射换热系数不受流速影响;辐射换热系数随着槽体表面温度的升高而增大,同时对流换热系数随着槽体表面温度的升高小幅上升;槽型越大的铝电解槽与环境的对流换热系数越小。

氧化铝工业赤泥环境影响研究进展

赤泥是氧化铝工业生产过程排放的强碱性固体废弃物,盐分含量高、资源化利用难。外排赤泥以堆存方式为主,污染事故频发,赤泥环境安全问题正严重威胁氧化铝工业的可持续发展。在调研近30年国内外相关文献的基础上,综述赤泥的物理化学特性和生物学毒性,分析赤泥处置和资源化利用的环境影响,剖析赤泥堆场生态修复和基质改良的环境问题,解析赤泥库溃坝对周边土壤、水体和生态系统的环境风险,结合国内外氧化铝工业赤泥处置和资源化利用方面亟待关注的问题提出未来赤泥环境影响研究的重点方向。这将为赤泥资源化利用和规模化处置过程的环境风险防控管理、促进氧化铝工业的健康发展提供科学依据。

湿法冶金处理含砷固废的研究进展

介绍了国内外湿法处理含砷固废的方法,并对各方法的优缺点进行了评述.总体来说,湿法处理含砷固废主要分为2个阶段:浸出和砷的最终处置.根据浸出体系的不同,大体上可分为热水浸出、酸性浸出、碱性浸出及无机盐浸出,其中碱性浸出对原料适用性强,且对砷具有高选择性,目前是研究的热点.根据砷的最终处置可分为砷的资源化利用和无害化处理2大类,由于砷及其化合物的高毒害性,大大的限制了其相关产品的使用,因此,国内外企业目前主要是将其无害化处理后进行堆存或填埋.

臭氧在湿法冶金领域的研究进展

综述了国内外臭氧在湿法冶金领域的研究现状,除了传统的含氰废水处理外,重点介绍臭氧在难冶金属硫化矿浸出及溶液中低价态金属离子氧化沉淀制备金属氧化物粉体方面的研究现状,具体介绍了其在难处理含金资源、方铅矿、黄铜矿、黝铜矿和辉铜矿的浸出,钴氧化物、羟基氧化镍、银氧化物和二氧化锰等粉体制备方面的应用.最后,探讨了臭氧在湿法冶金领域应用中存在的问题和发展方向.

中国钨提取冶金技术的进步与展望

总结了近十年来我国钨提取冶金在处理复杂钨矿物原料方面应用的新技术和开发创新的节能减排降耗新工艺,对新的钨钼分离工艺、钨的二次资源回收利用、钨化工产品品类的扩展和品质的提高、高效节能先进设备应用等方面的发展进步均有论述.归纳出了近十年钨提取冶金行业自主创新的一些主要的新工艺、新技术、新方法、新装备.并根据国家的钨产业发展规划和产业政策,对我国钨冶炼技术的发展趋势进行了预测.

典型清洁氧化剂在湿法冶金中材料制备方面的应用研究现状

介绍了氧气、双氧水和臭氧这3种清洁氧化剂在湿法冶金领域中材料制备方面的研究应用现状。氧气氧化能力较弱,常用来制备铁化合物和锰化合物功能材料以及焦锑酸钠,利用氧气氧化时通常使用高温高压来增强氧化效果。双氧水的氧化能力较氧气较强,而且在液相中的传质效率较高,其在材料制备方面的应用与氧气相似,但是其应用范围较氧气较大,除了铁氧化物、焦锑酸钠的制备,还可用于其他功能材料的制备。臭氧的氧化能力极强,可以氧化较难氧化的银、钴、镍等离子,目前已有少量材料制备的研究报道。

多金属铅锌混合精矿低温碱性清洁冶金工艺

提出了一种低温碱性清洁冶金新工艺。对NaOH-C-PbS-ZnO低温碱性炼铅体系进行热力学分析,计算并绘制了在700~1 300K温度下体系中主要反应的ΔGθ-T图。结果表明,在700~1 300K,PbS可以被还原成金属铅,硫能固定在ZnS中,钠可转变成Na2CO3形态,且在1 123K时,体系中的稳定物相以金属铅、ZnS和Na2CO3为主。根据分析结果,在1 153K的温度下,以铅锌混合精矿为原料、氢氧化钠为熔剂、次氧化锌烟灰为固硫剂、焦粉为还原剂,进行了工艺试验,产出的粗铅品位98.31%,铅直收率96.38%,97.65%的硫以ZnS形式固定在渣中,氢氧化钠绝大部分转变为Na2CO3,过程无SO2气体产生,与热力学分析结果相符合。

地球化学与提取冶金的学科借鉴——以铂族金属和金为例

漫长的地质演化和成矿过程显现了元素最本质的化学特性,而提取冶金正是利用元素的本性驱动它们向特定方向迁移和转变。一些成矿作用和冶金方法具有相似的反应原理、反应条件和反应形式,例如,岩浆作用与火法熔炼,热液作用与湿法浸出。因此,地球化学与提取冶金之间的学科借鉴可以为元素的分离和富集行为提供新的理解角度。对于作为战略性关键金属的铂族金属(PGMs),基于其地球化学亲和性顺序(亲铁性>亲硫性>>亲石性),可以实现PGMs在成矿过程和冶金过程中的超常富集,即通过岩浆的熔离作用和结晶作用,或通过造锍熔炼、氧化吹炼和硫化精炼等冶金工序,促使PGMs由硅酸盐向硫化物再向合金相中不断富集。此外,以金属或金属硫化物作为捕集剂,采用高温熔炼法也可以从废汽车尾气催化剂中有效回收PGMs。对于金矿而言,热液作用和风化作用过程中Au的迁移形态包括含硫配合物、含氯配合物和(类)氰化物等,而湿法冶金过程中Au的浸出方法也相应包括了硫化物法(如硫脲法、硫代硫酸法和多硫化物法)、氯化法和氰化法等。无论是在铁帽型金矿的成矿动力学上还是在氧化浸金的冶金动力学上,过渡金属离子作为催化剂对界面氧化还原-溶解反应均发挥了关键性的作用。

中南某废弃铅冶炼场地土壤剖面重金属污染成因及风险评估

城镇化和产业升级在中南地区形成了大量废弃冶炼场地,这些场地的环境污染风险已严重制约了当地社会可持续发展。为厘清废弃冶炼场地重金属的污染特征及成因,以中南某废弃铅冶炼场地为例,采集不同冶炼功能区和周边农田的土壤剖面样品,分析其重金属含量、分布和迁移特征,采用主成分分析和风险评估编码法等方法进行污染源解析和风险评估。结果显示,该场地土壤重金属污染严重,主要来源有冶炼源、交通源和自然源;场地重金属污染的空间异质性强且受来源控制显著;场地土壤Pb、Zn、Cu、Cd和As含量超过筛选值,Pb、Cd和As是最主要的生态风险因子,土壤Cd的迁移能力沿剖面从表层向下逐渐增强,存在危害地下水和场地周边农作物的风险。

氢冶金理论与方法研究进展

冶金行业是我国重要的经济支撑行业,也是主要的碳排放行业。氢冶金是当前冶金领域低碳发展的重要方向,已受到国内外广泛关注。本文对氢冶金技术在钢铁冶金、有色金属冶金以及二次资源利用领域的基础理论研究、工艺应用研究进展进行了系统综述。作为气体还原剂,在温度大于810℃的条件下,氢气还原能力强于一氧化碳,且氢气的还原反应速率比碳还原剂高1到2个数量级。基于氢冶金的直接还原炼铁技术已处于技术成熟、稳步发展阶段,其应用包括典型的Midrex、HYL-Ⅲ工艺、欧洲的ULCOS、瑞典的HYBRT、日本的COURSE50项目以及我国的中晋矿业等。氢冶金在有色金属冶金以及二次资源利用领域的发展处于基础研究阶段,有待进一步技术突破。氢气大规模、低成本制备以及氢冶金过程的热量平衡是发展氢冶金技术亟待解决的关键问题。

绿色冶金创新发展战略研究

冶金工业是国民经济与国防建设的重要基础原材料产业,冶金工业发展水平代表着国家工业化发展水平;绿色冶金能够创新产业可持续发展模式,突破资源、能源、环境的多重制约因素,是我国冶金工业今后发展的必经之路。结合“碳达峰、碳中和”“国内国际双循环”“供给侧结构性改革”等时代背景,本文全面分析了国内外钢铁与有色金属的资源、能源现状及其发展态势,综合评述了冶金工业技术发展现状,从资源、能源、环境多维度审视绿色冶金创新发展形势,进而凝练面临的重大问题;在绿色冶金创新发展态势预测与潜力分析的基础上,研判了绿色冶金创新发展的重大战略需求。研究建议:强化冶金强国战略地位,超前布局无废冶金颠覆性技术,部署资源能源替代与减污降碳冶金重大创新工程,实施绿色冶金政策与标准以引领产业发展,构建冶金创新人才保障体系与科普平台。

锑冶金固废处置现状

目前锑火法冶金主要采用传统鼓风炉和反射炉技术,冶炼过程产生大量冶金固废,如熔炼渣、砷碱渣、除铅渣,其危害性大,难以资源化回收和无害化处理,已成为制约锑冶炼企业发展的瓶颈问题。文中溯源了锑冶金固废产生途径,分析了固废处理工艺现状:熔炼渣堆存量大,烟化处理能耗高,分离效果不理想;砷碱渣以湿法处理为主,浸出实现锑、砷分离,含砷浸出液固化处理后堆存或填埋;除铅渣火法处理工艺铅、锑元素分离不彻底,未实现对磷酸盐的回收,湿法处理工艺流程长,工业化应用较少。因此迫切需要开发锑绿色冶金与固废资源化新方法,实现锑清洁高效提取及冶金固废源头减量与资源化回收。