尾矿再利用中铝硅酸盐矿物处理现状研究

晏全香

(福州大学紫金矿业学院，福建福州 350108)

随着矿产资源的开发利用，引发的环境污染己成为不可忽视的重大问题。矿产资源开发利用过程中产生的尾矿、煤矸石、粉煤灰和冶炼矿渣，己成为我国排放量最大的工业固体废弃物，约占总量的80%。大量矿产固体废弃物排放，占用了宝贵的土地资源，造成生态环境恶化，同时也造成大量金属与非金属资源的流失，矿山排出的固体废弃物亟待治理利用。矿产固体废弃物己成为重要的污染源，对其综合利用，以利用促治理，使之资源化，实现资源、环境、经济的协调发展，已成为当务之急。

1 尾矿铝硅酸盐回收利用现状

冶金、工业生产中产生的尾矿、粉煤灰、冶炼矿渣等，是目前危害严重的固体废弃物二次资源。它们是极严重的污染源，但也具有综合利用价值，其中含有大量可被利用的金属、非金属元素。这些废弃物中的大半，甚至90%以上的非金属组分更是极少开发利用，而这90%以上矿物组分都以铝硅酸盐形式存在。铝硅酸盐类矿物是一种经济、实用的复合矿物原料，可以作为建材、陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等新的资源。对其进行综合利用，不仅可以实现污染物的减量化和无害化，而且变废为宝，化害为利，既有显著的环境效益，也有直接的经济利益。

二次资源回收包括金属有价成分回收和铝硅酸盐类综合回收，这是目前最理想的回收利用途径。据国内外开发利用尾矿总的途径来看，也主要是尾矿的有价成分再选和尾矿的整体利用。这一利用途径的实施，可在原有选矿工艺设备基础上，通过改进工艺流程、选矿设备或增加部分流程和设备来实现。有时需建立二次选厂，以新的工艺流程和设备来回收。一些国家在金属尾矿再选与有价元素的综合回收方面成就突出。美国、前苏联等国家在铁选厂的尾矿中回收有价金属均取得了显著成绩。自80年代末特别是90年代以来，我国一些矿山企业从提高经济效益考虑，陆续建成了一些铁尾矿回收选厂，取得了明显的经济效益。比如，鞍钢西尾矿库于1990年已停止使用，库内堆积浮选铁尾矿1 870万t、瓦斯泥及粉煤灰混合物540. 9万t。鞍钢矿山公司设计院对此尾矿库尾矿进行分析和探讨，采用不同的途径对库内的瓦斯泥、粉煤灰和浮选铁尾矿进行有价元素的回收，并获得了可观的经济效益。

另外，一些部门也在开展制造高附价值的尾矿产品，包括尾矿再选产品的深加工，制造各种功能材料、复合材料、光学制品、化工产品、玻璃制品等，也包括无再选价值尾矿的整体利用产品，根据尾矿的化学成分、矿物成分、粒度特性、工艺性能，制造高附加值的微晶玻璃、玻化砖、建筑陶瓷、工美和日用陶瓷、铸石和水泥等。

2 整体处理用作建筑材料

前苏联等许多国家，铝硅酸盐类尾矿被大量用作建材原料。由于尾矿在类型、粒度、物理化学性质等方面的差异，它们在工程建筑方面可有不同的用途。例如，块状尾矿可用作铁路道渣、混凝土骨料，细粒尾矿被用作混凝土细骨料、砂浆等，有些尾矿可用作制造建筑陶瓷、免烧砖、水泥等。

2.1 混凝土骨料

中国尚处于现代化建设过程中，众多工业、农业及生活设施需要建设，每年消耗大量的混凝土。混凝土的骨料主要来源于采石场和河道，严重破坏了自然环境并影响到航运的安全。如果将铁矿选矿厂的尾矿进行筛分，分成不同粒级，用来代替砂石作为混凝土的骨料使用，不仅可以缓解采石和采砂造成的环境破坏问题，而且还可节省大量尾矿的堆积维护费用，同时销售尾矿砂还能带来一定的经济效益。众多选矿厂和学者对尾矿砂作为骨料进行了研究，例如舞阳矿业公司的马茂君等人，对公司堆存的尾矿和围岩是否可以作为混凝土骨料进行实验室研究并进行了工业试验。结果表明，配制的混凝土完全满足设计要求，1年可创造直接和间接经济效益1 320万元。

首钢矿业公司水厂选矿厂为满足市场需求，专门建立了尾矿“中砂”生产线[9]，配置了水洗设备，对尾矿砂进行3道水洗筛分，生产的建筑用砂销往天津和周边市场。按照现有“中砂”生产能力，综合年经济效益可达500万元，经济效益和社会效益十分可观。

除矿山尾矿可以二次开发利用外，其他工业废弃物也可经加工处理再利用。把多种不同种类的固体废弃物采用物理或化学方法复合，就可制成各种各样的固体废弃物复合材料，可提高附加值。二次资源复合材料是20世纪90年代初提出一种废物资源化的概念。聚合物基二次资源复合材料是对工业固体废弃物(如铸造废砂、尾矿、炉渣、粉煤灰)进行一定处理(粒度处理、表面活化处理)后作为增强材料；把废旧热塑性塑料(PE、PP、PS、PVC)经过破碎处理作为基体材料，再配以适当的添加剂，经塑化复合而成。固体废弃物种类和性质不同，需要采用不同的配方并调整工艺参数，均可制备出具有使用价值的复合材料。这种材料既具有高分子聚合物的韧性，也具有无机非金属材料的稳定性和刚度，可在广泛领域替代塑料、陶瓷、混凝土和木材制品。

2.2 制砖材料

由于实心黏土砖需要使用大量的黏土，不仅破坏了环境，也减少了有限的耕地，国家开始制定法规来限制生产使用实心黏土砖。2005年底，国家发改委等四部委发布公告，要求256个城市在2008年底前禁止使用实心黏土砖。这使尾矿中铝硅酸盐矿物大有可利用价值。免烧砖，又称灰砂砖或钙化砖，以比重较轻的细粒铝硅酸盐矿物为主要原料，经钙化处理而获得，可广泛用于工业或民用建筑业中。铝硅酸盐铸石制品，以铁硅质尾矿和铁、镁、钙含量较高的复成分尾矿为主要原料，制成耐磨、耐腐蚀、挤压和绝缘性好的铸石制品，能代替金属和合金材料。

硅酸盐基二次资源复合材料是以工业废渣(废砂、尾矿、炉渣、粉煤灰)为主要原料，通过石灰和添加剂的合理配合，在湿热条件下激发二次资源的潜在活性，生成CSH、CAH类胶凝矿物。这种新生的胶凝矿物是复合材料的基质材料，没有参与反应的核心颗粒就变成了强化的骨架材料。这种复合材料的原理与我国传统的蒸压砖十分相似，不同之处在于配料上需要对二次资源进行活化处理，以最大限度发挥钙质材料的作用。用这种技术来处理二次资源，最终制品是建筑墙体砖，可以大批量地消耗工业废渣。

梅山矿业公司与与科研院所合作，对堆存的铁矿尾矿性质进行研究，并进行了细粒尾矿作为黏土替代品烧制砖瓦的工业试验，结果表明，产品质量满足要求。如能建成3条生产线，可以消耗梅山铁矿1年产生的全部尾矿90万t，实现无尾矿山的目标。山东理工大学的刘凤春等人对金岭铁矿尾矿进行分析研究，将其与炉渣、河砂以及石灰按照不同的比例混合后制成了免蒸免烧砖。

2.3 尾矿硅酸盐水泥填充料

经过广大科技工作者和水泥企业的研究和实践，粉煤灰、矿渣、硅灰、偏高岭土已经作为活性混合材成为水泥生产不可缺少的组分，其中，我国每年产生的9000多万t矿渣已全部用来生产矿渣水泥或矿渣微粉。山东枣庄某水泥厂采用铁矿尾矿来部分代替铁矿粉生产水泥，生料易磨性好，熟料上火快、窑利用率高。不仅产品质量达标，而且单位能耗和生产成本下降明显，在增加了年产量的同时，还降低了工人劳动强度。

山东冶金科学研究院利用从刘岭铁矿尾矿中回收的品位大于20%的含铁物料，不再进行磨选铁精矿，而是代替部分黏土质原料生产硅酸盐水泥，使尾矿排放量减少至43.52%，铁的回收率由70.89%提高到84.62%。不仅减少了水泥生料配料中铁矿粉的用量，而且降低了生料粉磨能耗，实现了资源开发利用的优化配置，对减少环境污染，实现可持续发展有着重要意义。

2.4 微晶玻璃和陶瓷原料

玻璃陶瓷基二次资源复合材料是以工业废渣(废砂、废玻璃、炉渣、粉煤灰)为主要原料，采用烧结工艺复合而成；其基体相是烧结产生的玻璃体，增强相是高温不熔颗粒以及在热处理过程中形成的玻璃微晶，这种材料的性能接近微晶玻璃，但工艺要简单得多，可替代陶瓷和天然石材作为建筑装饰材料使用。

利用尾矿生产微晶玻璃是一种高附加值的尾矿利用。这是目前尾矿整体利用层次最高的产品，以铝硅酸盐矿物为主要原料制成，广泛用于建筑装饰业，被誉为21世纪的建筑材料。在20世纪70年代，国际上迅速发展起来的微晶玻璃材料，具有玻璃和陶瓷的优点，兼有常规材料不能达到的物理性能，但又不同于玻璃和陶瓷，具有优良的耐腐蚀、抗氧化、低膨胀系数等性质，广泛用于电子、化工、军事、航天、核工业和建筑等领域。

建筑微晶玻璃最主要的成分就是SiO2，尾矿中又含有大量的SiO2，其他成分也在玻璃形成范围内。刘军等利用尾矿进行了生产建筑微晶玻璃的试验研究，结果表明，利用尾矿可以生产建筑微晶玻璃，尾矿掺量达65%以上，而且可采用的复合晶核剂种类较多，范围较广。河北理工大学张锦瑞教授对唐山地区的铁尾矿成分进行了分析，选择合理的热处理工艺来利用铁尾矿试制微晶玻璃。有些金属尾矿的成分与陶瓷的坯体成分非常相似，许多单位已成功的生产出陶瓷釉面砖、屋面瓦、彩釉墙地砖、瓶罐玻璃、色玻璃、光敏玻璃和平板玻璃等。

3 其他用途

由于尾矿中含有多种非金属矿物，如硅石或石英、长石及各类黏土或高岭土、白云石或石灰石、蛇纹石等，这些都是较高价值的非金属矿物资源。例如东鞍山铁矿每年从尾矿中不仅可回收铁精矿5.14×105t，还可以回收硅石粉4.73×105t，每年尾矿利用的纯经济效益达到664. 4万元，而且尾矿管理费减少30%。

部分矿渣可以直接填充采空区，充当井下填料一般都是将尾矿作为胶结充填料中的骨料，用水泥固化处理后再进行填充。解决塌陷区潜在危险，并使尾矿库得到彻底的治理，解决了这两个重大危险源并再造耕地面积，美化了环境。

另外，也可用作矿物肥料或土壤改良剂。尾矿肥料，从含微量元素的尾矿和含钙、镁、锰、磷、钾等组分较高的尾矿中获得，要注意有无污染组分和放射性组分等。这些尾矿含有某些植物生长所需的微量元素，将尾矿适当加工，施于土壤中，起到了施钾肥、磷肥、微量元素肥的作用。尾矿往往可用作土壤改良剂，例如含钙尾矿适量施于酸性土壤，可达到中和酸性、改良土壤的目的。

用于井下充填或造地复田，这是尾矿开发利用最常见的形式，也是尾矿消耗量较大的领域，对开发土地资源、减少尾矿污染及改善矿山环境均有积极意义。

4 结语

尾矿利用是矿山实现无尾化过程的最有效途径，是矿山实现尾矿资源化、无害化最有前景的发展方向，不仅可以使矿产资源得到充分利用，解决生态环境污染问题，还可以产生可观的经济效益。但从目前几种尾矿二次资源复合材料的形成机理、制备工艺、材料性能上看，还远远不能适应尾矿等固体废物数量巨大、急待处理和高附加值利用的迫切需要，必须拓展研究领域，开发新型的二次资源复合材料。

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