铜尾矿综合利用现状与展望

朱兵兵,田 键,2,朱艳超,2,田 进,申盛伟

(1.湖北大学材料科学与工程学院,武汉 430062; 2.湖北大学天沭新能源材料工业研究设计院,武汉 430062)

铜尾矿综合利用现状与展望

朱兵兵1,田 键1,2,朱艳超1,2,田 进1,申盛伟1

(1.湖北大学材料科学与工程学院,武汉 430062; 2.湖北大学天沭新能源材料工业研究设计院,武汉 430062)

开展铜尾矿综合利用,变废为宝,可缓解资源危机与环境压力。介绍我国铜尾矿利用现状,重点总结铜尾矿综合利用途径以及最新研究进展,在对各种铜尾矿综合利用技术总结分析的基础上,提出对铜尾矿综合利用发展趋势的思考。

铜尾矿; 综合利用; 发展趋势

矿产资源的开发利用是人类赖以生存和发展的物质基础,然而矿产资源作为一种不可再生资源,随着社会经济的不断发展和工业化进程的持续加速,对矿产资源的需求量日益加剧,有限的资源日渐枯竭,资源危机已经开始显现。矿石尾矿是矿石经过磨矿选矿,将有用矿物选出后排出的废弃物。我国尾矿含有多种脉石矿物,具有量大、颗粒细小、种类多的特点[1],是工业固体废弃物的主要组成部分。随着采矿工业的快速发展,矿产资源的大量开采必然导致尾矿的大量排放。尾矿的大量排放不仅占用广阔的土地资源,而且尾矿引起的环境污染严重威胁人类的生存环境与正常生活[2-5],甚至破坏生态系统平衡,现已受到全社会的广泛关注。随着矿产资源的大量开发和利用,矿产资源和环境保护的双重压力日益加剧,尾矿作为二次资源再利用备受重视[6,7]。目前,我国工业固体废弃物的综合利用率为60%左右,但是金属尾矿的综合利用率平均不到20%[8]。因此,从我国尾矿资源的实际出发,大力发展尾矿资源综合利用,对保护和改善生态环境、提高资源利用水平具有十分重要的意义。

铜尾矿作为有色金属尾矿的重要组成部分,铜尾矿的综合利用不仅可以缓解铜矿资源压力,同时可以促进社会经济发展和生态环境建设,因此铜尾矿资源综合利用受到全社会高度重视[9,10]。我国铜尾矿含铜品位较高外,粒度细、类型多、成分杂、以氧化铜矿物和铝硅酸盐为主是其普遍特征[11]。介绍我国铜尾矿利用现状,总结铜尾矿综合利用方法与最新研究进展,在对各种铜尾矿综合利用技术总结分析的基础上,提出对铜尾矿综合利用发展趋势的思考。

1 铜尾矿利用现状

我国铜矿资源开发利用历史悠久,铜尾矿以其庞大的数量及规模,在尾矿领域比较具有代表性。我国铜尾矿资源分布区域广泛,铜矿尾矿中的铜平均品位估计不低于0.077%[12]。铜尾矿资源中铜的赋存状态复杂多样、铜的嵌布粒度细、铜的解离度低,而且铜尾矿中含泥量大[13],这些特点影响铜尾矿回收利用率,加大铜尾矿回收利用难度,制约铜尾矿有效综合利用技术的发展进步。

据统计[12],到2007年为止,全国铜尾矿的排放总量大约为24亿t,且年排放量呈逐年增加的态势;尤其是近几年随着社会经济的不断发展和工业化进程的持续加速,尾矿排放速度持续增加,我国2013年尾矿产量达16.49亿t,其中铜尾矿3.19亿t,占尾矿产量的19.3%[14]。根据我国铜尾矿资源组分含量及其基本特征,目前我国铜尾矿主要利用方式为尾矿回选提取有价成分、采矿填充以及用于制备建筑材料等方面,其中尾矿充填矿山采空区约占尾矿利用总量的53%,尾矿制备建筑材料约占尾矿利用总量的43%,尾矿回选与提取有价成分约占尾矿利用总量的3%。根据铜尾矿目前利用途径及所占比例分析,我国铜尾矿利用存在综合利用率不高,利用深度低,利用方式单一等诸多问题。根据铜尾矿的产量以及其物化特性分析,目前简单单一的利用方式并不能满足日益加剧的资源压力与环保要求,只有开展高效、高附加值、深度循环的资源化综合利用,才能真正地变废为宝,彻底解决尾矿堆积危害。

2 铜尾矿利用途径及研究现状

2.1 铜尾矿回填与复垦

铜尾矿经过适当处理,可作为一种很好的采矿区填充材料,是一种有效的直接利用铜尾矿的途径。在铜尾矿库或者在铜尾矿填充地进行适宜性土地复垦,也是一种直接利用铜尾矿的有效途径。对铜尾矿回填与复垦等直接利用方面的研究主要集中于对填充区与复垦土地的土壤状况、植被生长状况、生态环境等方面的研究、分析、评价。李克中等[15]以铜陵林冲尾矿地为例,研究复垦铜尾矿地不同植被恢复下的土壤养分特征,分析挑选尾矿地生态恢复的优势植被。王友保等[16]调查分析铜陵铜尾矿库植被状况,研究发现尾矿库区的物种多样性水平偏低,尾矿库基质较恶劣,并且发现几种可优先选用于铜尾矿库治理的物种。王育鹏等[17]研究巢湖底泥改良铜尾矿对豆科植物生长发育及基质无机氮素组分的影响作用,研究分析表明,巢湖底泥可有效改良铜尾矿基质营养条件,促进植物生长。Luís等[18]研究铜尾矿中不同废弃物对印度芥菜的生长影响情况,研究表明肥堆等废弃物可以改变尾矿矿山土壤的理化性质,允许印度芥菜植物的生长和发育,实现尾矿植被修复目的。Verónica等[19]研究铜尾矿区土壤质量改善方法,研究发现通过污泥改善尾矿区土壤可以增加土壤中微生物质量,而植被复垦对未被污染区域土壤质量、微生物数量都没有影响,在尾矿区土壤中定期添加污泥和种植当地豆科植物可以修复改善土壤质量。

2.2 铜尾矿再选与有价成分提取

铜尾矿作为二次资源,在对铜尾矿进行全面的物理化学分析的基础上,对有再选价值的铜尾矿进行再选处理,提取其中的有价成分。宋磊等[13]研究分析了影响铜尾矿中金属矿物综合回收的主要因素,采用预先分级处理、铜矿物表面处理、先硫后氧不脱泥分步硫化浮选等针对性工艺措施,可以有效回收铜尾矿中铜矿物。崔立凤等[20]在以原矿工艺矿物学研究的基础,采用先脱硫再浮选的选矿工艺流程回收钨,获得含硫48.98%、回收率98.15%的硫精矿,并且获得含WO355.88%,WO3回收率为80.35%的白钨精矿。Michel等[21]在集中器中通过浮选回收铜和钴尾矿中的铜和钴,铜的最高回收率为44.8%、钴的最高回收率为88.3%。Maxim I等[22]利用硫酸与生物方法产生的硫酸铁从转炉铜渣中提取铜和锌,获得铁的回收率为26.2%,经过处理后最终铜渣中的铜含量为0.13%,锌含量为3.69%。陈涛[23]等利用浮选和分级沉淀技术回收低品位硫化铜尾矿中的金属,研究可获得含Fe 49.13%、Cu 19.53%、Zn 33.48%、Mn 14.10%沉淀物,表明低品位硫化铜尾矿中的金属也可以通过环保方式回收利用。

2.3 利用铜尾矿制备建筑材料

利用铜尾矿可制备尾矿水泥、装饰材料、墙体材料等建筑材料,应用于建筑工程和基础工程中,这也是铜尾矿的一种主要利用途径。方永浩等[24]研究了配合料组成和成型、蒸养工艺参数对低硅铜尾矿蒸压灰砂砖力学性能的影响,含65%低硅铜尾矿的配合料在175～190℃蒸压反应可制得铜尾矿蒸压砂砖,该砂砖的物理力学性能符合《蒸压灰砂砖》(GB 11945—1999)MU 15蒸压灰砂砖的技术要求。黄晓燕等[25]采用铜尾矿、矿渣、水泥熟料与风积砂原料体系制备压加气混凝土,研究得到D06级铜尾矿加气混凝土的绝干密度为610 kg/m2,抗压强度为4.0 MPa,达到了《蒸压加气混凝土砌块》(GB 11968—2006)规定的D06级加气混凝土的技术要求。Blessen等[26]研究铜尾矿取代天然骨料制备的铜尾矿混凝土的强度与耐久性,研究表明在水灰比为0.4,0.45与0.5时,铜尾矿可取代60%的天然骨料,制备的铜尾矿混凝土具有良好的强度与耐久性。Obinna等[27]研究铜尾矿对水泥砂浆水化硬化特性的影响,研究表明干铜尾矿影响砂浆的均匀性,而湿铜尾矿对砂浆的均匀性影响较小;水泥砂浆添加铜尾矿可以提高其强度、耐磨性、抗酸、抗Cl-性能,砂浆的吸水率增大;湿铜尾矿添加量为5%时,砂浆性能达到最佳。Saeed等[28]利用铜尾矿制备环保砖,制备工艺中包括铜尾矿与碱溶液混合,加压成型,升温固化等过程,其中碱溶液浓度、含水量、形成压力与固化温度等因素,影响铜尾矿环保砖的性能,制备的铜尾矿环保砖符合ASTM相关要求。

3 铜尾矿综合利用发展趋势及思考

3.1 铜尾矿综合利用发展趋势

目前阶段,铜尾矿利用主要集中于尾矿回填采矿区,尾矿重选与提取有价成分,制备水泥、免烧砖、混凝土等建筑材料方面,存在利用率不高、利用深度低、利用方式单一等问题。随着铜尾矿排放量持续增加与环境压力日益加剧,迫切需要一种高效、高附加值、深度资源化综合利用处理方式,真正变废为宝,彻底解决铜尾矿堆积问题。这种高效、高附加值、深度循环资源化综合利用方式的研究应用,有助于提高尾矿综合利用水平,节约自然资源,有利于保护和改善生态环境,具有重要的社会效益与环境效益。

3.2 铜尾矿综合利用方式的思考

针对目前铜尾矿综合利用存在的利用率不高、利用深度低、利用方式单一等问题,笔者课题组提出一种高效、高附加值、深度循环的资源化综合利用处理方式,真正做到变废为宝,彻底解决铜尾矿堆积问题。通过对铜尾矿进行全面物理化学特性分析,研究铜尾矿中有价金属的存在形式及离析、提取机理,采用干式分级分选出铜尾矿中的有价金属;分析研究铜尾矿物料的颗粒特性,利用表面能、机械能及化学能优化匹配循环递减共性粉磨技术,制备铜尾矿再生渣微粉;通过单因素实验研究方法,优化配料比,简化制备工艺,制备干压铜尾矿再生渣微粉免烧砖;探究铜尾矿再生渣对加气混凝土性能影响,优化配合比,制备铜尾矿加气混凝土。该设计思路的实施将实现铜尾矿零排放,节约土地资源,有助于提高铜尾矿的利用率和附加值,促进相关建材行业的创新发展,将产生巨大的经济效益、社会效益和环境效益。

3.3 铜尾矿综合利用发展展望

铜尾矿的大量排放堆积,不仅侵占土地资源,而且会引起环境污染,严重威胁人类生存环境与日常生活。面临资源危机与环境污染的双重压力,铜尾矿利用处理方式必将由简单单一、低值利用转变为高效、高附加值、深度资源化综合利用,实现铜尾矿零排放、零堆积。铜尾矿高效、高附加值的深度资源化利用方式,节约自然资源,有助于提高尾矿资源综合利用水平,有利于缓解资源危机与环境压力,必将取代传统简单的铜尾矿处理方式,具有显著的发展优势与广阔的发展前景。

4 结 论

a.我国尾矿大量排放堆积,综合利用率较低。

b.铜尾矿主要用于回填采矿区、尾矿重选与有价成分提取以及制备建筑材料等方面。

c.铜尾矿利用处理方式存在利用率不高、方式单一、利用深度低等问题。

d.铜尾矿高效、高附加值深度资源化综合利用方式,具有显著的发展优势与广阔的发展前景。

[1] 雷 力,周兴龙,李家毓,等.我国矿山尾矿资源综合利用现状与思考[J].矿业快报,2008(9):5-8.

[2] 程琳琳,朱中红.国内外尾矿综合利用浅析[J].中国资源综合利用,2005(11):30-33.

[3] Shokes T M.Removal of Dissolved Heavy Metals from Acid Rock Drainage Using Iron Metal[J].Environmental Science and Technology,2000,2(133):241-252.

[4] Yim JH,Kim K W,Kim SD.Effect of Hardness on Acute Toxicity of Metal Mixtures Using Daphniamagna:Prediction of Acid Mine Drainage Toxicity[J].J Hazard Mater,2006(138):16-21.

[5] 张淑会,薛向欣,刘 然,等.尾矿综合利用现状及其展望[J].矿冶工程,2005,25(3):44-47.

[6] Licsk I,Lois L,Szebny li.Tailings as a Source of Environmental Pollution[J].Wat Sci Tech,1999(10-11):333-336.

[7] 蒲含勇,张应红.论我国矿产资源的综合利用[J].矿产综合利用,2001(4):19-22.

[8] 赵瑞敏.我国铁尾矿综合利用[J].金属矿山,2009(7):158-163.

[9] 陈宇峰,陆晓燕.铜尾矿资源化现状及展望[J].南通工学院学报(自然科学版),2004(4):60-62.

[10]陈甲斌,王海军.铜矿尾矿资源结构与综合利用政策研究[J].中国矿业,2012(1):48-52.

[11]关红艳,徐利华,周 冰,等.我国铜尾矿二次资源再利用技术现状[J].金属矿山,2010(10):185-188.

[12]余良晖,贾文龙,薛亚洲.我国铜尾矿资源调查分析[J].金属矿山,2009(8):179-181.

[13]宋 磊,周少珍.铜尾矿中铜矿物综合回收影响因素分析[J].中国矿业,2014(8):178-180.

[14]佚 名.2013年我国尾矿综合利用率同比提高1.1%[EB/OL],科技日报,http://digitalpaper.stdaily.com.

[15]李克中,朱永恒.复垦铜尾矿地不同植被恢复下的土壤养分特征——以铜陵市林冲尾矿地为例[J].长江流域资源与环境,2014(6):833-837.

[16]王友保,张 莉.铜陵铜尾矿库植被状况分析[J].生态学杂志,2004(1):135-139.

[17]王育鹏,沈章军.巢湖底泥改良铜尾矿对3种豆科植物生长及基质有效氮组分的影响[J].中国科学技术大学学报,2014 (8):689-695.

[18]Luís A B Novo,Emma F Covelo.The use of Waste-derived Amendments to Promote the Growth of Indian Mustard in Copper Mine Tailings[J].2013(7):24-30.

[19]Verónica Asensio,Emma F.Covelo,et al.Soil Management of Copper Mine Tailing Soils—Sludge Amendment and Tree Vegetation Could Improve Biological Soil Quality[J].Science of the Total Environment,2013(03):82-90.

[20]崔立凤.从铜尾矿中回收白钨的选矿试验研究[J].中国钨业,2014(04):8-12.

[21]Michel Shengo Lutandula,Banza Maloba.Recovery of Cobalt and Copper Through Reprocessing of Tailings from Flotation of Oxidized Ores[J].Journal of Environmental Chemical Engineering,2013(4):1085-1090.

[22]Maxim I.Muravyov,Natalya V.Fomchenko,et al.Leaching of Copper and Zinc from Copper Converter Slag Flotation Tailings Using H2SO4and Biologically Generated Fe2(SO4)3[J].Hydrometallurgy,2012(5):40-46.

[23]Tao Chen,Chang Lei.Metal Recovery from the Copper Sul de Tailing with Leaching and Fractional Precipitation Technology[J].Hydrometallurgy,2014(5):178-182.

[24]方永浩,庞二波.用低硅铜尾矿制备蒸压灰砂砖[J].硅酸盐学报,2010(4):559-563.

[25]黄晓燕,倪 文.铜尾矿制备无石灰加气混凝土的试验研究[J].材料科学与工业,2012(1):11-15.

[26]Blessen Skariah Thomas,Alok Damare.Strength and Durability Characteristics of Copper Tailing Concrete[J].Construction and Building Materials,2013(7):894-900.

[27]Obinna Onuaguluchi,Özgur Eren.Recycling of Copper Tailings as an Additive in Cement Mortars[J].Construction and Building Materials,2012(8):723-727.

[28]Saeed Ahmari,Lianyang Zhang.Production of Eco-friendly Bricks from Copper Mine Tailings Through Geopolymerization [J].Construction and Building Materials,2012(04):323-331.

Current Situation and Prospect of Comprehensive Utilization of Copper Mine Tailings

ZHU Bing-bing1,TIAN Jian1,2,ZHU Yan-chao1,2,TIAN Jin1,SHEN Sheng-wei1
(1.College of Materials Science and Engineering,Hubei University,Wuhan 430062,China;2.Tianshu New Energy Materials Industry Research&Development Institute,Hubei University,Wuhan 430062,China)

The comprehensive utilization of copper mine tailings can make waste to treasure,and alleviate the energy crisis and environment pressure.In this article,the current situation of utilization of copper mine tailings is introduced, and the research of comprehensive utilization of copper mine tailings is highlighted.Based on summary and analysis of various utilization technologies,the prospect of comprehensive utilization of copper mine tailings is put forward.

copper mine tailing; comprehensive utilization; development trend

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.020

2015-08-05.

湖北省重大科技创新计划项目(2014ACA042)和湖北省科技支撑计划项目(2013BCA025).

朱兵兵(1990-),硕士生.E-mail:zbb-1201@sohu.com