南科大环境学院雷洋团队在酸性矿山废水修复与资源回收研究领域取得重要进展
近日，南方科技大学环境科学与工程学院助理教授雷洋团队在Nature Communications发表了题为“Extraction of valuable metals from acid mine drainage by an electrochemically activated limestone system”的研究论文。该研究聚焦于去除并提取回收酸性矿山废水中的有价重金属，创新性地构建了电化学活化石灰石系统，解决了传统化学中和处理存在的诸多缺陷，并证实其能够显著减少处理成本与碳排放，为可持续废水管理提供了新思路。
主图:（a）传统化学中和处理与电化学活化石灰石系统的比较展示；（b）传统电化学处理（c）电化学活化石灰石系统的运行机理
酸性矿山废水（Acid Mine Drainage, AMD）是矿业活动中的重大环境问题，传统化学中和处理存在修复成本高、二次污染以及有价金属浪费等缺陷。为解决以上问题，研究团队开发了一种电化学活化石灰石系统。该系统通过在阳极附近填充低成本天然碱性矿物石灰石，中和阳极水氧化产生的氢离子以及AMD中的氢离子，从而提升废水pH值，解决传统电化学酸性废水处理中氢离子竞争阴极电子的技术难题。同时，该系统利用电场驱动的离子迁移和阴极还原作用，将有价重金属富集并沉积在阴极表面，有效避免了传统化学中和处理中生成有毒金属污泥、中和剂重金属钝化以及有价金属难以回收的缺陷。
图1（a）电化学活化石灰石系统结构展示；不同系统处理下酸性矿山废水（b）pH与（c）Ca和无机碳（d）Cd的变化；（e）不同系统处理后Cd的去向分布；电化学活化石灰石系统从（f）不同Cd浓度（g）废水pH（h）不同金属（20 mg/L Cu, Cd, Zn）的AMD中提取金属的效果与能耗
研究团队提出的电化学活化石灰石系统（图1a）通过在局部填充石灰石，中和阳极水氧化产生的氢离子及AMD中的氢离子，从而消除其对电化学重金属沉积的抑制作用，实现废水酸度消减、CO2捕集和重金属去除（图1b-d）。该系统通过电场驱动、阴极还原及局部高pH诱导沉淀的机制，促使有价金属在阴极富集并沉积（图1e），进一步实现资源回收。研究团队验证了该系统在多种废水条件（如不同 pH、金属浓度）及不同金属种类下，均能以低能耗实现有价金属的高效提取（图1f-h）。
图2 电化学活化石灰石系统处理富铁AMD时（f）重金属浓度（g）pH、钙、铁离子变化，以及（h）各金属的去向分布；电化学活化石灰石系统处理真实AMD时（f）金属浓度（g）pH变化，以及（h）各金属的去向分布；电化学活化石灰石系统与传统熟石灰处理的（g）技术经济性分析与（h）生命周期评估
此外，针对酸性矿山废水的高度复杂性，研究团队进一步验证了电化学活化石灰石系统在消减酸度、去除杂质并提取有价金属方面的效能，该验证同时覆盖了富铁AMD和实际AMD（图2a-f）。最终，通过技术经济性分析和生命周期评估（图2g和h），研究团队证实了电化学活化石灰石系统相较于传统熟石灰处理在环境效益和经济效益方面的显著优势。
南方科技大学为论文第一通讯单位，南方科技大学环境科学与工程学院2023级博士研究生李炜权为论文第一作者，雷洋为共同通讯作者，课题组成员詹铮铄和罗家钰为研究做出重要贡献。南京大学教授周东美为论文共同通讯作者，西安交通大学副教授王俊淇为论文共同作者。该研究得到了广东省基础与应用基础研究基金、深圳市科技计划项目、深圳市城市环境健康风险精密测量与预警技术重点实验室以及高水平专项资金的联合资助。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62045-w
