某化工副产铁泥工艺矿物学研究*

张 琦，李智力，廖 杰，唐 远，何东升,陈红兵,安建平

(1.武汉工程大学 资源与安全工程学院，湖北 武汉 430074；2.楚源高新科技集团股份公司，湖北 荆州 434400)

0 引言

铁泥是铁粉还原硝基化合物制备芳胺过程中产生的废渣[1]，直接排放会污染环境[2]。由于铁泥中的有用组分铁回收困难，国内的铁泥大多采用堆存、掩埋或送钢铁厂回收等方法处理[3-4]。虽然近年来提倡用加氢还原代替铁粉还原，但是使用氢气作为原料及其压力设备存在一定的安全问题，且加氢还原过程中产生的废重金属催化剂会产生严重的污染问题[5-8]，因此，部分化工厂仍然沿用铁粉还原法。随着固废资源化利用愈来愈受重视，解决还原铁泥的资源化问题具有重要意义[9-10]。目前，利用铁泥开发高附加值产品，如通过热分解法、水热与溶剂热法、共沉淀法、还原焙烧法和碳化法等一系列方法制备铁泥基磁性材料[11-12]，并将其作为吸附剂和催化剂用于去除水环境中的污染物已逐渐成为国内外研究的趋势和重点[13]。

本文从工艺矿物学角度出发，以某化工副产铁泥试验矿样为研究对象，利用X射线荧光光谱仪(XRF光谱仪)和矿物自动定量分析系统(AMICS)对其化学组成、矿物组成及矿物的赋存状态、嵌布特征和单体解离度等进行了探究分析，以期为其高效资源化利用提供理论依据。

1 试样成分分析

1.1 试样化学成分

试样取自湖北某化工企业生产废料，经烘干、研磨、充分混合后制样备用。采用XRF光谱仪对试样进行多元素分析，结果见表1。

表1 试样多元素分析结果 单位：%

由表1可见，试样中Fe2O3为主要成分，SiO2次之， 同时还含有少量的S、Na2O、Cr2O3等，有价元素铁品位较高。

1.2 试样矿物组成

采用AMICS测定试样矿物组成，结果见表2。

表2 试样矿物组成 单位：%

由表2可知，主要矿物为磁铁矿和赤铁矿，脉石矿物有橄榄石、黄铁矿、黑云母等。

1.3 铁元素在矿物中的分布

通过分析试样的AMICS测试结果和矿物组成，得到铁元素在赋存矿物中的分布(见表3)。

表3 铁元素在赋存矿物中的分布 单位：%

由表3可知，铁元素大部分以磁铁矿形式存在，少部分以赤铁矿形式存在，剩余微量铁元素赋存在橄榄石、黄铁矿、金属铁等矿物中。

2 主要矿物嵌布特征

2.1 磁铁矿

试样中磁铁矿的嵌布特征见图1。

图1 试样中磁铁矿的嵌布特征

试样中磁铁矿是含铁矿物的主要存在形式，成矿形式不一，嵌布结构复杂，主要粒径在2.3～22.5 μm，以它形粒状为主，少数呈自形、半自形粒状，颗粒以浸染状较密集分布在矿石中，偶见与赤铁矿包裹共生[见图1(a)和图1( b)]；少数粗粒聚集成大小不一的团块，最大粒径达205.7 μm，部分磁铁矿与较大团块状橄榄石晶体交代共生为不规则共生体，边部析出条状赤铁矿边，细粒磁铁矿晶体充填于不同团块晶体缝隙[见图1(c)和图1(d)]中。

2.2 赤铁矿

试样中赤铁矿的嵌布特征见图2。试样中赤铁矿是除磁铁矿以外的主要矿物，主要呈粒状、不规则粒状，以浸染形式嵌布于矿石中。粒度整体较小，一般为0.5～11.5 μm，个别粗粒级达到65.8 μm[见图1(d)]。多数赤铁矿以自形、半自形粒状与磁铁矿颗粒紧密镶嵌聚合，形成致密状集合体，鲜见微细粒赤铁矿嵌于团块状磁铁矿中(见图2)。

图2 试样中赤铁矿的嵌布特征

2.3 橄榄石

试样中橄榄石的嵌布特征见图3。

图3 试样中橄榄石的嵌布特征

橄榄石粒径一般在3.2～16.9 μm，个别较大它形晶粒径达到122.3 μm，多以形状不规则、大小不一的粒状结构浸染在主要矿物相互交代而成的共生体中，常被磁铁矿颗粒紧密包裹；偶有橄榄石以较大它形晶半包裹磁铁矿嵌布于矿石中(见图3)。

2.4 黑云母

试样中黑云母的嵌布特征见图4。

图4 试样中黑云母的嵌布特征

黑云母在矿物结构中多以片状或条带状与其他矿物共生[3]。试样中黑云母呈条带状嵌布于矿石中，粒径在16.2～122.3 μm，黑云母晶体边缘密集包裹有粒径不一的磁铁矿颗粒(见图4)。

3 主要矿物单体解离度及嵌布关系

3.1 单体解离度

根据AMICS分析，试样中磁铁矿和赤铁矿的单体解离度测试结果见图5、图6。

图5 试样中磁铁矿的单体解离度

由图5可见：磁铁矿单体解离度分布集中，主要分布在60%以上；解离度在80%～100%区间磁铁矿分布最多，分布率为58.53%，完全解离的磁铁矿分布率为29.01%；其中解离度大于80%的磁铁矿累积占有率为87.54%，矿物解离较为充分。

图6 赤铁矿单体解离度

由图6可见：赤铁矿单体解离度分布较为均匀，在80%～100%区间赤铁矿分布最多，分布率为35.45%，完全解离的赤铁矿分布率为26.52%，其余各个区间赤铁矿分布率变化较小；其中解离度大于80%的赤铁矿累积占有率为61.98%，矿物解离不够充分。

3.2 嵌布关系

试样中主要矿物磁铁矿和赤铁矿与其他矿物的共生包裹关系测试结果见表4、表5。

表4 磁铁矿与其他矿物的嵌布关系 单位：%

表5 赤铁矿与其他矿物的嵌布关系 单位：%

由表4可知：磁铁矿的单体解离度为73.64%，另一部分与其他矿物呈共生和包裹关系，以与赤铁矿共生关系为主(占19.88%)，与橄榄石和石英存在少量共生关系；在包裹关系中，因磁铁矿多数以细粒它形粒状产出，故仅与微细粒赤铁矿有少量包裹关系(占1.83%)。由表5可知：赤铁矿的单体解离度为59.79%，与磁铁矿共生关系密切(占35.50%)；与磁铁矿存在少量包裹关系(占3.80%)，与其他脉石矿物的共生、包裹关系均不明显。

4 主要矿物粒度分布

采用AMICS分析了试样中主要矿物磁铁矿和赤铁矿的粒度分布，结果见图7、图8。

图7 试样中磁铁矿的粒度分布

由图7可见：磁铁矿粒度分布较细，主要集中在7.88～15.77 μm；在粒度为9.38～11.15 μm时磁铁矿分布最多，分布率为19.72%；在粒度为15.77～212.13 μm时，各个粒级磁铁矿分布率均小于5.04%；在粒度为212.13～252.27 μm时，磁铁矿分布率(6.37%)略有提高；其中磁铁矿单矿物在粒度为37.5 μm以下时的累积占有率为75.77%。

由图8可见：赤铁矿粒度较磁铁矿粒度细，矿物粒度均小于63.07 μm，且主要集中在7.88～11.15 μm；在粒度为9.38～11.15 μm时赤铁矿分布最多，分布率为28.74%；在粒度大于15.77 μm时，各个粒级赤铁矿分布率均小于3.53%；其中赤铁矿单矿物在粒度为37.5 μm以下时的累积占有率为96.37%。

图8 试样中赤铁矿的粒度分布

5 结论

a.试样中Fe2O3为主要成分，铁元素绝大部分以磁铁矿形式存在，少部分以赤铁矿形式存在。

b.试样中主要矿物为磁铁矿和赤铁矿，其次为橄榄石、黄铁矿、黑云母等。

c.磁铁矿和赤铁矿主要呈它形粒状产出，两者共生包裹关系密切，常以浸染团聚形式交代共生成不规则共生体。磁铁矿和赤铁矿粒度主要分布在7.88～15.77 μm，均较细；橄榄石和黑云母等少量脉石矿物被磁铁矿和赤铁矿颗粒紧密包裹在矿石中，橄榄石常以不规则细颗粒产出，黑云母以带状结构嵌布于矿物中。

d.磁铁矿与赤铁矿解离度大于80%的累积占有率分别为87.54%和61.98%，磁铁矿解离较为充分。铁泥磁选后可通过热分解法、水热法或共沉淀法针对目标污染物的特性制备铁泥基磁性吸附剂和催化剂用于废水中污染物的去除。