机械化学法处理Ni-Fe尾矿

南贞淑，刘淑红，王晨，杨贺，高宏

(大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

尾矿［1］是选矿过程中分离出来的废石、脉石及其它共生或伴生成分，是选矿工艺中不可避免的产物.目前已成为我国产出量最大、综合利用率最低的固体废弃物之一，累积堆存100亿t以上，年产出量达到12亿t，占全世界尾矿产出量的50%以上［2］.为防止尾矿受冲刷和被风吹扬而污染环境，可以采用物理法、植物法、土地复原法等传统方法处理尾矿［3］.但由于传统方法的技术支持力度不够，导致尾矿的利用率还是较低.针对上述情况，提出了一些处理尾矿的新工艺，如机械化学法、焙烧法、微波法等.由此，传统概念的矿山尾矿固体废料，已从消极的环保治理转变为积极的资源化治理.

机械化学法［4］是化学的一个分支，它着重研究物质在受到机械力作用时发生的化学或物理化学转变.通过机械力的不同作用方式，如研磨、压缩、冲击、摩擦、剪切、延伸等，引入机械能量的累积，从而使受力物体的物理化学性质和结构发生变化，提高其反应活性，从而激发和加速产生的化学反应.涉及到固体力学、表面化学、应用化学、矿物加工和粉体科学等多学科、多领域［5］.

司伟［6］等研究了机械活化效应对Ni-Fe尾矿中氧化镁浸出率的影响，考察了机械活化前后Ni-Fe尾矿的酸浸工艺条件.当盐酸浓度6 mol/L、固液比1∶6、酸浸时间120 min、温度95℃时，经机械活化处理的镍铁尾矿中的氧化镁浸出率最高.戈雪娜［7］等用高能行星球磨机对Ni-Fe尾矿进行机械力化学活化，研究了粉磨过程中N-Fe尾矿的晶型、形貌和显微结构的变化对Ni-Fe尾矿中MgO浸出率的影响.王克胜［8］等使用机械化学固相法提取蛇纹石中的硅镁，在固相反应60 min、煅烧温度490℃、蛇纹石与活化剂质量比1∶4、球磨活化10 min的条件下，镁浸出率可达到84%.

本文采用机械化学法处理Ni-Fe尾矿，考察机械研磨时间对Ni-Fe尾矿中MgO浸出率的影响，并采用X荧光光谱分析(XRF)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微分析(SEM)等表征手段，分析了原料组成、不同研磨时间处理后矿物的晶体性质和微观形貌.

1 材料与方法

1.1 原料、试剂与研磨设备

原料:经退火处理的韩国产Ni-Fe尾矿

试剂:乙二胺四乙酸钠(分析纯)、氨水

研磨设备:俄罗斯AGO－Ⅱ型球磨机

1.2 表征仪器

XRF采用Philips公司生产的Magix 601型X荧光光谱仪测试，XRD采用日本理学公司生产的D/Max-Ultima+型X射线衍射仪测试，SEM采用日本JEOL株式会社JSM－6360LV型扫描电子显微镜测试.

1.3 实验方法

实验工艺流程如下:

机械研磨活化→沉淀除去杂质→络合滴定分析［9］.

2 结果与讨论

2.1 Ni-Fe尾矿原矿的化学组成

采用XRF对Ni-Fe尾矿的组成进行测定，结果见附表.

附表 Ni-Fe尾矿基本化学组成 %

从附表中可以看出Ni-Fe尾矿的主要成分为MgO和SiO2，其中MgO含量达到35.5%.若能提取尾矿中的MgO则可实现资源的可持续利用.MgO用途广泛，可用于制造陶瓷、搪瓷、耐火材料等，并且在环保业也可以用于水处理，烟道气的除尘脱硫等［10］.

2.2 研磨时间对Ni-Fe尾矿活化性能的影响

2.2.1 XRD 分析

图1为不同研磨时间处理的Ni-Fe尾矿XRD图.从图1可以看出，未研磨时，晶相主要是MgSiO3，峰形窄而陡，表示结晶化程度高.研磨5 min后MgSiO3衍射峰半高宽逐渐宽化，这是因为机械活化使晶体向无定形转变.继续增加研磨时间，MgSiO3峰变化不大，表明机械化学反应基本完成.经研磨处理后的Ni－Fe尾矿衍射峰强度变小，表明晶体结构受到不同程度的破坏，形成了晶格缺陷和晶格畸变，晶体转向无定形态，有可能使尾矿的化学活性得到提高.

2.2.2 SEM 分析

图2为不同研磨时间处理的Ni-Fe尾矿SEM图.从图(a)可以看出，原矿以不规则大颗粒为主.机械研磨活化后，颗粒粒度变小，比表面积增大，从图(c)可以看出，当机械研磨时间为15 min时，颗粒得到细化，晶粒大小均匀.继续研磨至25 min，由于团聚现象而出现二次颗粒，如图(d)所示.

图1 不同研磨时间处理的Ni-Fe尾矿XRD图

图2 不同研磨时间处理的Ni-Fe尾矿SEM图

2.2.3 MgO 浸出率的考察

图3是研磨时间对MgO浸出率的影响曲线.从图3可以看出，未经活化的矿样MgO浸出率仅为6%左右，经机械活化处理后，浸出率较活化之前有了显著的提高.在研磨15 min时，MgO浸出率达到最高，为39%，此后，MgO的浸出率维持在35%左右.

图3 不同研磨时间对MgO浸出率的影响

结合图1和图2可以知道，未经机械研磨活化的矿样，其晶体结构非常稳定，晶体颗粒较大，此时化学活性较低，MgO浸出率仅为6%.进行机械研磨活化后，晶体结构受到破坏，颗粒得到细化，化学活性得到提高，MgO的浸出率增加，在机械研磨15 min时达到最高，为39%.继续增加机械研磨时间，会使罐体内出现升温、潮湿，粘罐、粘球等现象，从而使矿物粉体形成团聚体.由于团聚现象的出现使研磨后的矿样颗粒增大，对MgO浸出率不利.综合考虑，研磨15 min为最佳活化时间，MgO浸出率达到了39%.

3 结论

通过上述试验可以得到以下结论:

(1)Ni-Fe尾矿经XRF测试，可知其主要成分为 MgO和 SiO2，MgO的含量高达35.5%.从XRD图和SEM图可以看出，经机械研磨后的Ni-Fe尾矿，衍射峰弥散，半高宽宽化，峰强度较小，且晶体结构受到了不同程度地破坏，颗粒得到细化，比表面积较大.说明机械活化可以使晶格缺陷增多，晶格发生畸变，结晶程度降低，甚至诱发低温化学反应，易于从Ni-Fe尾矿中浸出MgO;

(2)研磨时间为15 min时，机械活化Ni－Fe尾矿中的MgO浸出率最高，达到39%，为最佳实验条件;

(3)与一般化学方法不同，用机械力化学法处理尾矿，工艺简单，易于工业化生产.与酸碱浸出过程相比，具有无污染、环保，有可持续发展的特点，显示其良好的发展前景.

［1］曾祥文.当前我国尾矿处理的对策［J］.工业安全与防尘，1997(2):22-28.

［2］王秀萍.尾矿化学处理与综合利用的国内外研究概况［J］.中国矿业，2009，18(5):73-76.

［3］孟跃辉，倪文.我国尾矿综合利用发展现状及前景［J］.中国矿山加工，2010，39(5):4-9.

［4］陈鼎，陈振华.机械力化学［M］.北京:化学工业出版社，2008.

［5］尹艳红，朱应禄.机械力化学及其发展趋势［J］.冶金丛刊，2008，178(6):37-39.

［6］司伟，高宏.机械活化镍铁尾矿的酸浸工艺研究［J］.矿物综合利用，2010(3):3-5.

［7］戈雪娜，高宏.机械化学法在Ni-Fe尾矿中提取MgO的工艺［J］.大连交通大学学报，2009，30(5):40-43.

［8］王克胜，司伟，刘淑红，等.机械化学固相法提取蛇纹石中的硅镁［J］.化工矿物与加工，2010(6):17-20.

［9］赵树宝.EDTA滴定法测定铁矿石中钙和镁［J］.冶金分析，2009，29(11):76-80.

［10］高洁，狄晓亮.氧化镁的发展趋势及其生产方法［J］.化工生产与技术，2005，12(5):36-40.