蛇纹石尾矿固体废弃物资源化的途径

苏小丽 孙传敏

（1.景德镇陶瓷学院材料科学与工程学院，景德镇：333001；2.成都理工大学地球科学学院，成都：610059）

1 前言

我国拥有丰富的蛇纹石矿产资源，分布地域广泛，主要矿产地有四川石棉县、江苏东海县、河南信阳市、陕西宁强县等，已探明贮量超过五亿吨，目前年开采量约在200～300万吨，主要作为钙、镁、磷肥的生产原料，少量用于耐火材料、土壤改良和建筑材料的原材料。在开采和利用蛇纹石的过程中将会产生大量的蛇纹石废弃物，称之为蛇纹石粉矿或尾矿，约占开采量的三分之一到三分之二，作为采矿废弃物，既浪费了矿产资源，又堆积占用了大量的土地。不仅造成环境污染，更严重地破坏了自然生态，影响正常的生产秩序。蛇纹石通常也被作为开采天然温石棉过程中的固体废弃物而丢弃，我国每年开采天然温石棉的量已达20万吨，而石棉矿中矿石的含棉率为8％左右，其中90％以上蛇纹石都是作为石棉尾矿而丢弃，而目前尾矿的利用率仅占排放量的2％左右，因此蛇纹石作为固体废弃物的排放量巨大[1]。因此，合理开发蛇纹石尾矿固体废弃物资源化的途径，在获得经济效益的同时，也改善了生态环境，同时可加快可持续发展进程。

2 蛇纹石尾矿固体废弃物的物化性质和危害

2.1 蛇纹石尾矿固体废弃物的物化性质

蛇纹石尾矿矿物成分复杂，主要矿物为蛇纹石、橄榄石、透闪石和方解石等，次要矿物为磁铁矿、赤铁矿和褐铁矿等，蛇纹石的化学成分主要由MgO，FeO，Fe2O3，Al2O3，SiO2等组成，另外还含有Ni，Cr，Co等氧化物，其中有价元素为镁和硅，氧化镁的含量在30％～40％。因此合理提取有价元素镁和硅是蛇纹石尾矿固体废弃物资源化的关键。

2.2 蛇纹石尾矿固体废弃物的危害

蛇纹石尾矿作为固体废弃物，不仅占用大量土地，还对环境带来危害：污染土壤、空气和水环境。

在蛇纹石开采和加工过程中，排出近三分之一的尾矿，难以布置废石和尾矿的场地，大多就地堆放在矿区附近，随降水流入水体或渗入土壤，严重污染下游水系及其附近的土壤，直接影响当地居民的生产和生活用水，亦会造成矿区周围土壤结构改变；部分尾矿堆积到沟谷等低洼带，随雨季的洪水倾泻而下，容易导致滑坡、泥石流或堵塞河道，引发安全事故，破坏生态环境。

矿区开采的蛇纹石经筛分后，筛上的碎石和石棉纤维堆积如山，这些尾矿中所含大量的细小石棉短纤维，将会弥漫在空气当中，形成严重的环境污染。经研究发现，石棉是一种致癌物质，能导致石棉肺、肺癌和间皮癌。石棉纤维可以分裂极细的元纤维，元纤维直径一般为0.5μm，长度在5μm以下，这种纤维呈结晶状，具有锐利的尖刺，能刺入肺泡和胸膜。胸膜变厚，最后形成癌变或间皮癌。

我国大量堆存和正在排放的蛇纹石尾矿，它既是开采和利用蛇纹石和石棉过程排放的废弃物，有严重危害人的身体健康、污染环境，同时也是数量巨大的二次资源，这些特性已为人类所共识。合理综合利用蛇纹石尾矿，充分发挥它的资源效益已成为亟待解决的问题[2]。

3 蛇纹石尾矿固体废弃物资源化途径

我国蛇纹石尾矿产量巨大，对蛇纹石尾矿的开发利用日趋重视，自20世纪80年代以来，国内外已重视并大量开展对蛇纹石尾矿的综合开发利用的研究工作，现已取得一定的进展。但目前对蛇纹石尾矿的开发利用及其研究还处于传统的初级应用的提高阶段。

随着科学技术的发展，蛇纹石以其独特的晶体结构、化学组成、可分解性及组构性，已被广泛的应用于农业、陶瓷、耐火材料、化工、冶金和环境等行业。

3.1 作路基路面和充填采矿区

蛇纹石在开采和利用过程中，会产生大量的废弃物，约占开采量的三分之一到三分之二，作为采矿废弃物，浪费了矿产资源，又堆积占用大量的土地，不仅造成环境污染，更严重地破坏了自然生态、影响正常的生产秩序。采用蛇纹石尾矿固体废弃物作道路基础面和回填采矿区，成本低廉，施工方便，是大量消化和处理蛇纹石尾矿的有效利用途径之一。

3.2 作为矿质肥料和生产钙镁磷肥

蛇纹石尾矿中Mg、Si及其它的一些微量元素对土壤有一定的改良作用，Mg、Si等元素也是可被植物吸收和促进植物生长的有用养分，利用蛇纹石尾矿作为农肥，在国内外已得到广泛的应用。根据生产原理和使用方法的不同，可以直接施用或和其它肥料配合施用，一般利用蛇纹石尾矿生产成钙镁磷肥。

万朴[3]等人将蛇纹石矿粉直接用作肥料，经农业生产施用，增产效果明显。他们通过酸蚀试验和蛇纹石分解的测试研究，发现蛇纹石中的氢氧镁石易于破坏，镁离子作为交换离子态存在于土壤中，易被农作物吸收，残留的二氧化硅也逐渐被农作物吸收。同时蛇纹石中的铬、钴、锰等微量元素也是植物生长所需要的微量肥料（简称微肥）。苏联、波兰、捷克等国家曾将蛇纹石直接作为缓效的镁肥或配合其他肥料施入茶园、马铃薯、玉米、三叶草和甜菜中来提高其产量[4]。将蛇纹石与钾长石，与磷矿粉、蛇纹石及焦炭共同入炉煅烧后，可制成钙镁磷钾肥。这种肥料具有物理性质好、不吸水、不结块、不含游离酸，对包装材料无腐蚀，生产工艺简单等优点。

3.3 在陶瓷生产中的应用

经过研究和实践表明，蛇纹石尾矿是一种可以利用的陶瓷工业原料，经高温烧制的陶瓷制品具有硬度大、耐热性能好等特点。杨赞中[5]等用蛇纹石尾矿生产出品质优良的日用陶瓷制品，基本方法是将蛇纹石尾矿除杂粉磨，并在700℃温度条件下煅烧以除去其中的纤维。然后和长石、石英以及高岭土等混合注浆成型，经高温煅烧出的陶瓷样品不变形，无裂痕，晶莹剔透，洁白如玉，性能检测可与滑石瓷媲美。

3.4 在耐火材料中的应用

利用蛇纹石化学成分、矿物组成以及热特性，低温合成蛇纹石耐火材料，其荷重软化温度可达1170℃，常温耐压强度高，热稳定性好。目前比较成熟的工艺是以蛇纹石尾矿为原料加入15％～20％的镁砂，以及一定的结合剂，在1550℃的高温下烧结。平增福[6]等人在蛇纹石中添加镁砂制成的镁橄榄石耐火材料可使得耐火度和荷重软化温度明显提高。卢忠远[6]等将蛇纹石加入镁砂、粉煤灰和水玻璃等，混合均匀，在一定压力下成型，脱模后蒸压养护就得到耐火材料制品，性能已达到国内蒸压耐火制品的先进水平。王林[7]在蛇纹石中加入适量的白云石，能生成以方镁石为主要的矿物，硅酸二钙（C2S）、硅酸三钙（C3S）为结合物的镁钙质耐火材料。日本还利用短纤维和蛇纹石粉制备耐火热衬板[4]。

3.5 生产化工产品

提取蛇纹石尾矿有益组份并合成再生出新的工业高级制品，已成为蛇纹石尾矿高新技术利用的重要方向，主要有以下产品。

3.5.1 从蛇纹石中制取高镁产品

蛇纹石尾矿中MgO的含量比较高，使其成为制取高镁产品的重要原料之一，目前制取高镁产品主要有金属镁、氧化镁、氢氧化镁、碳酸镁等。

澳大利亚利用当地堆积的蛇纹石尾矿提取纯度高达99.93％的金属镁。由于采用蛇纹石尾矿不需要任何选矿作业，降低了生产成本。

利用蛇纹石为原料生产氧化镁的技术，在国内已经开发成功，并且很成熟。从蛇纹石中提取氧化镁，主要采用酸浸法，将蛇纹石粉磨后酸浸，酸浸滤液结晶析出粗硫酸镁，在硫酸镁溶液中加入工业碱制成碱式碳酸镁，然后煅烧得到氧化镁。

胡章文[9]等首先制得蛇纹石酸浸液，在常温常压条件下结晶制取出硫酸镁，粗硫酸镁中因含有少量铁离子、铝离子等杂质成分，必须预先除去，经除杂净化后的精制硫酸镁溶液，在适宜的条件下用氨水沉淀，得到氢氧化镁。

苏小丽[2]等酸浸蛇纹石尾矿制取硫酸镁，进一步净化硫酸镁采用水热合成方法制备镁盐晶须。

3.5.2 制备硅系列产品

蛇纹石尾矿在提取镁产品后，其不溶物约40％，主要是为SiO2残余。如此大量的SiO2若不加以回收利用，必然浪费资源又污染环境。经过X射线衍射和偏光显微镜鉴定其形态为近球形无定性的SiO2，进一步经红外光谱分析测定其性质与沉淀法制出的白碳黑极为近似。提镁后残渣可以用来制备多孔的SiO2产品，如白碳黑、无水偏硅酸钠或者直接合成六次配位有机硅化物[10]。此外，多孔SiO2在造纸、酿造和污物净化等方面用途广泛。

3.5.3 生产铁红

蛇纹石中伴生有磁铁矿，常采用磁选的方式回收磁铁矿。但其岩石中的Fe2O3存留在酸浸蛇纹石制得的粗硫酸镁中，通常用采碱法使铁离子沉淀出来。沉淀出来的氢氧化铁经煅烧后可以生产铁红颜料。

3.6 冶金助剂

蛇纹石是一种理想的冶金助剂。随着高炉冶炼技术的发展，对矿产烧结的质量和固体燃耗的要求越来越高。大量的试验研究表明，通过添加蛇纹石强化高铁低硅烧结，能够提高烧结矿转鼓强度，从而能达到降低烧结固体燃耗、节能节耗的目的。崔智鑫[11]等研究发现，高炉烧结加入MgO含量比较高的蛇纹石，将降低球团矿还原膨胀率，还可以显著提高球团矿抗压强度。这些为蛇纹石的利用开发了新途径。

3.7 从蛇纹石中回收矿产品

蛇纹石矿通常与铂族元素、铬铁矿、镍铜矿等稀缺元素矿床共生和伴生。开采用纯碱熔融、盐酸酸解法浸取其中的Pd2+、Ni2+、Pt2+，获得金属离子的混合溶液，从中萃取这些稀有元素[12]，是回收利用Pd、Ni、Pt等贵重金属的有效途径。蛇纹石回收稀缺元素前景可观，萃取过程中，滤液均可循环使用，不污染环境，而且会不同程度的给矿区带来一定的经济效益和社会效益。

3.8 在环境方面应用

蛇纹石经灼烧脱水后具有较高的吸附作用[12]，这种吸附是通过蛇纹石的羟基及不饱和Si-O-Si键来实现的，一方面断裂的Si-O-Si键暴露在空气中的氧可以吸附重金属离子，使其固着下来。同时，蛇纹石表面的羟基析出进入水溶液，使溶液呈碱性，并使水溶液中未被吸附的金属离子沉淀下来。因此，蛇纹石对处理含重金属的工业废液具有重要的意义。

4 结语

作为固体废弃物的蛇纹石尾矿，根据其物化特性合理开发资源化利用新途径，成为再生资源，变废为宝。随着我国科学技术发展、工业生产水平的提高和社会对新产品的要求，对蛇纹石尾矿资源化的综合利用应该在上述利用的基础上，依靠科技进步，开发蛇纹石尾矿资源化利用的新技术、新途径、新产品，尤其是开拓具有高科技含量、高附加值、零排放量的深加工产品，并使其产业化，具有广阔的市场前景和深远的社会意义。

1代厚全，骆开均，张万成.从蛇纹石制备轻质碳酸镁和轻质氧化镁的扩试研究.四川示范大学学报（自然科学版），1998，21（2）：192

2苏小丽.蛇纹石尾矿资源化研究-制备镁盐晶须试验.成都理工大学硕士论文，2006：1～13

3万朴等.蛇纹石岩直接用作矿物肥料的前景.非金属矿，1991，（1）：41～43

4邱兰清.国外蛇纹石粉矿的开发利用.化工矿山技术，1991，20（4）：57～58

5杨暂中，董凤芝，刘金玉.石棉尾矿在陶瓷生产中的应用研究.矿产保护与利用，1998，8（4）：47～48

6平增福，郭宗奇.我国蛇纹石原料制作耐火材料的开发和应用前景.河南冶金，1994，（3）：8～11

7卢忠远，谭克峰等.利用蛇纹石低温合成耐火材料的研究.矿产综合利用，1996，4：20～23

8王林.用蛇纹石等生产耐火材料的试验研究.矿产综合利用，2003，12（6）：47～51

9胡章文，杨保俊，单承湘.由蛇纹石酸浸滤液制备氢氧化镁工艺条件研究.合肥工业大学学报，2003，26（4）：232～235

10于少明，周爱萍，杭国培等.用蛇纹石提镁残渣直接合成六配位有机硅化物.硅酸盐学报，2004，32（2）：217～220

11崔智鑫，范晓慧，姜涛.巴西卡卡拉加斯赤铁矿球团还原膨胀性能研究.冶矿工程，2004，24（3）：53～55

12杨智宽.蛇纹石粉矿综合利用研究.环境科学进展，1997，5（2）：32～36