黄铁矿或其他金属硫化物在大气、水、三价铁离子和嗜酸氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus.ferrooxidans)的氧化作用下而产生的废水称之为酸性矿山废水(AMD)。在具有强酸性的矿山废水的作用下,矿物中一些有毒有害的重金属如铅、铜、铬、锌、砷等离子就会快速的溶解出来。不但使矿区的水体环境质量受到损害,水体中的鱼类生物因中毒而死亡。还使矿区周围的土壤受到破坏,更严重的是这些重金属不能被生物降解,却会通过食物链进入到生物体内,从而对人类健康产生严重的威胁。因此,AMD给环境造成了一系列的严重危害,应该采取适合的处理方法加以控制。然而,包膜钝化处理法被认为是最有前景的酸性矿山废水源头控制技术之一,即在黄铁矿颗粒表面形成一层有机或无机的保护膜使矿物与大气、水、三价铁离子及微生物阻隔,从而达到防止酸性矿山废水产生的目的。而且,具有良好的抗腐蚀性能的有机硅烷包膜已经被广泛地应用在金属材料表面防护领域,因此,采用有机硅烷包膜钝化黄铁矿抑制其氧化,从而减少酸性矿山废水产生。本研究以广东省大宝山矿区的黄铁矿为包膜处理对象,选用嗜酸氧化亚铁硫杆菌(A.f菌)为微生物菌种,以正硅酸乙酯(TEOS)、甲基三甲氧基硅烷(MTMOS)为对比包膜钝化材料,以丙基三甲氧基硅烷(NPS)为目标包膜钝化材料在黄铁矿表面形成一层致密的钝化硅烷膜,使氧气、水、三价铁离子和微生物等无法直接接触到包膜内的黄铁矿并使之氧化,从而达到抑制黄铁矿氧化的目的。主要研究了有机硅烷包膜的合成工艺及性能、在不同的氧化体系下有机硅烷包膜处理黄铁矿的抗氧化效果、电化学行为及其包膜自身的稳定性,最后提出有机硅烷包膜黄铁矿的抗氧化机理。得到如下主要结果和结论:1) 通过对NPS在黄铁矿颗粒表面的成膜工艺及其包膜的抗氧化效果的研究,在强氧化剂H2O2及微生物(A.f菌)的氧化条件下测试NPS硅烷包膜前后释放出来的总Fe和SO42-的含量的变化,结果表明,与未包膜处理相比较,经NPS包膜黄铁矿的化学氧化程度下降低了95.53% (Fe的释放量),生物氧化程度降低了95.50%。首次证实了NPS包膜对黄铁矿具有高效的氧化抑制效果,为包膜钝化抑制其他金属硫化物氧化的技术提供了新的研究思路,在酸性矿山废水的源头控制实践中具有很好的潜在应用前景。2) 有机硅烷TEOS、MTMOS及NPS与黄铁矿的反应过程表明,在酸性催化条件下,氢离子对有机硅烷单体中烷氧基的氧进行亲电攻击而发生水解,从而形成活性硅醇物质(R)-Si-OH(其中R为-CH3或-C3H7)。随后,在碱性催化剂(NH4OH)作用下,黄铁矿表面被氧气、水氧化形氢氧化铁中间体,使在黄铁矿颗粒表面形成大量的-OH。经有机硅烷水解反应生成的活性硅醇(R)-Si-OH与黄铁矿物表面的-OH以氢键的形式结合,在加热条件下,发生缩聚反应,形成Fe-O-Si及Si-O-Si-(R)共价键。3) TEOS、MTMOS及NPS包膜结构特性的分析及不同氧化体系的抗氧化性能和电化学行为的研究显示,与未包膜黄铁矿相比,经NPS、MTMOS、TEOS包膜处理的黄铁矿生物氧化程度分别降低了95.39%、91.17%、69.48%(SO42-的释放量)。此外,不同包膜的黄铁矿氧化反应动力学的研究发现,在H2O2氧化条件下,与未包膜黄铁矿相比,NPS、MTMOS、TEOS包膜黄铁矿的氧化速率分别减小了95.38%、90.43%、55.12%,其结果表明:包膜材料本身结构所带的基团决定其包膜的抗氧化效果及自身的稳定性,具有丙基结构的NPS包膜抗氧化性能要优于甲基结构的MTMOS和无碳链结构的TEOS。TEOS包膜结构缺少有机基团致使延展性及疏水性差,从而表现较差的抗氧化效果及稳定性,而MTMOS、NPS包膜中的有机基团致使其有良好的抗氧化效果及稳定性,而且包膜结构中的有机基团不会被氧化剂、微生物降解而破坏包膜自身的稳定性。首次从包膜自身的稳定性论证了有机硅烷包膜适合用于酸性矿山废水的源头包膜钝化处理。4) 通过对有机硅烷TEOS、MTMOS、NPS包膜处理后的黄铁矿在不同氧化体系中抗氧化稳定性能的研究及其电化学抗腐蚀行为的分析,提出了有机硅烷包膜黄铁矿的抗氧化性机理:有机硅烷TEOS、MTMOS、NPS通过水解和缩聚反应,在黄铁矿颗粒表面的内层,矿物本身的Fe与硅烷水解产生的活性硅醇Si-OH反应生成Fe-O-Si共价键,此化学键增强了硅烷包膜在黄铁矿表面的吸附稳固性;其外层分别形成以Si-O-Si、CH3-Si-O-Si、C3H7-Si-O-Si为基础的稳定致密网格层。此网格层通过有效地隔绝黄铁矿颗粒与氧气、三价铁离子、微生物(A.f菌)及水的接触,实现从源头上防止黄铁矿的氧化,从而减少酸性矿山废水的产生,为酸性矿山废水的源头治理提供了重要的理论依据。