机械力对高硅金尾矿粒度及活性的影响

2019-03-21，，，，

中国粉体技术 2019年2期

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(1. 陕西省尾矿资源综合利用重点实验室，陕西商洛726000； 2. 废弃物资源化国家工程研究中心，云南昆明650093)

2016年，我国黄金产消量居世界首位[1]，但由于我国金矿品位低、共伴生矿多等特点[2]，采选过程中的尾矿产生量巨大，加之矿区山大沟深、交通不便利，只能筑坝堆存，在污染库区生态环境的同时严重威胁下游人民群众的生命财产安全[3-4]。

金尾矿因反应活性较低，而不能像与其化学成分和矿物组成相似的矿渣、粉煤灰等固体废物那样在建筑材料领域有效利用，其应用研究主要是重新回收金或制备陶粒、免烧砖等[5-8]，因此，如何激发并提高其反应活性成为金尾矿资源化利用的关键问题之一。

机械力活化、化学活化及热活化是尾矿反应活性激发及提高的常用手段，其中机械力会使尾矿颗粒出现裂纹进而发生晶格畸变、晶格位错等缺陷，使其颗粒表面形成水分子，容易进入其内部的非晶结构而使水化反应速率加快[9-11]。此外，细微尾矿颗粒的会改善建筑混合材料密实性，进而提高其力学性能[12]。本文中基于机械力活化方法及理论，参照其他固体废物的处理方法，充分利用金尾矿的理化特性，用机械力活化的方式激发金尾矿的潜在活性，研究机械力对其粒度及活性的影响，为金尾矿在建筑材料领域的资源化利用提供参考。

1 试验

1.1 原料与仪器设备

试验原料：金尾矿，取自商洛市洛南县陈耳金矿东沟尾矿库现存尾矿；水泥，商洛尧柏龙桥水泥有限公司生产的普通PO.42.5硅酸盐水泥，符合国家标准(GB 8076—2008)的要求；砂，厦门艾思欧标准砂有限公司生产的标准砂。

试验仪器设备： HZ-3020A型鼓风干燥箱(晋江市恒质仪器科技有限公司)； YXQM-2L型行星式球磨机(连云港市春龙实验仪器有限公司，磨球为出厂原配钢磨球，标准级配和装球量)； FBT-9A型全自动比表面积测定仪(沧州路仪试验仪器有限公司)； BSA223S-CW型电子天平(北京赛多利斯仪器有限公司)； Mastersizer 2000型激光粒度仪(英国马尔文仪器有限公司)； X’Pert Power PRO型X射线衍射仪(荷兰帕纳科公司)； Inspect F50型电子扫描显微镜(美国菲达康有限责任公司)，YAW-3000L型压力试验机(深圳三思纵横科技股份有限公司)。

1.2 试验方案

将金尾矿在鼓风干燥箱中于105 ℃恒温烘干后，放入行星式球磨机中进行粉磨，磨机转速为300 r/min，粉磨时间分别为20、40、60、80、100 min；用激光粒度仪表征其颗粒粒径分布；参照GB/T 8074—2008《水泥比表面积测定方法(勃氏法)》用全自动比表面积测定仪测试其比表面积；用X射线衍射仪(XRD)分析其物相组分；用电子扫描显微镜(SEM)观察其微观形貌；参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》按表1所列的配比掺入水泥、标准砂和自来水，然后，在40 mm×40 mm×160 mm的模具中成型得到胶砂试块，标准养护至规定龄期并测定抗压强度，之后按公式(1)计算活性指数。

K28d=Ai/As

(1)

式中：As为基准水泥胶砂试块的28 d抗压强度，MPa；Ai为金尾矿胶砂试块的28 d抗压强度，MPa。

表1 胶砂试块的原料配比Tab.1 The raw material proportion of the colloidal sand

1.3 金尾矿特性

实验所选金尾矿的主要化学组成分析结果见表2，XRD图谱如图1。

表2 金尾矿的化学组组分Tab.2 Chemical composition of gold tailing

图1 金尾矿的XRD图谱Fig.1 XRD of gold tailing

由表1可以看出，尾矿中SiO2的质量分数高达75.14%，属高硅尾矿，其次还含有Al2O3、Fe2O3、CaO和SO3等成分。由图1可知，图中各衍射峰的峰形狭窄尖锐、对称且峰值高，主要矿物成分为石英、白云母、白榴石及少量的重晶石，尾矿的矿物组分与表1一致。

2 结果与分析

2.1 活化时间对尾矿比表面积的影响

用全自动比表面积测定仪测定不同活化时间金尾矿的表面积，其结果如表3所示。

表3 不同活化时间尾矿的比表面积Tab.3 Specific surface area of tailing at different activation times

由表3可以看出，随着活化时间的增加，金尾矿的比表面积逐渐增大。在活化初期，金尾矿的比表面积增大较快，当活化时间延长至80 min时，比表面积增加到521.3 m2/kg，之后又有所减小。

2.2 活化时间对尾矿粒度的影响

用激光粒度仪测试不同机械力活化时间金尾矿的粒度分布，其结果如图2所示。由图2可以看出，未经机械力活化金尾矿的粒度分布曲线出现了双峰，其粒度集中在5～50、150～450 μm这2个范围；随着机械力的介入，尾矿颗粒粒度分布范围收窄并向左移动，累积粒度曲线也向左移动，且D10、D50、D90均明显减小，中、小颗粒所占的比例增加，粒度分布曲线呈现平头峰，分析其原因可能是由于150～450 μm范围内的大颗粒较多，其自然结构缺陷也相对较多，机械力的作用使颗粒沿着缺陷界面迅速破碎，以致大颗粒迅速细化，颗粒尺寸减小明显；40～80 min，尾矿的粒度分布快速左移，30 μm以下的颗粒的体积分数明显增大，至80 min时达到极限，80%的尾矿颗粒粒径小于30 μm，且D10、D50、D90均减至最小。其原因可能是随着活化时间的延长，尾矿颗粒内部的自然结构缺陷逐渐减少，韧性相对提高，使得主要形式为磨球与磨球及磨球与罐体之间撞击、挤压的机械力对颗粒体积粉碎作用效果迅速降低，转为以断键破碎为主，但机械力又不足以使尾矿颗粒的化学键断裂；之后，尾矿的粒度分布范围扩宽，累积粒度分布曲线向右移动，这可能是由于颗粒粒径随着活化时间的延长而不断减小，同时，粉体团聚阻碍了颗粒的进一步细化，而机械力做功使得尾矿颗粒相互作用，进而微团聚效应的出现，使得颗粒粒径整体开始增大。

a 粒度分布

b 累积粒度分布图2 不同活化时间尾矿的粒度分布Fig.2 Particle size distribution of tailing at different activation times

2.3 不同机械力活化时间尾矿的物相分析

对金尾矿进行物相分析，不同活化时间尾矿的XRD图谱如图3所示。由图3可以看出，金尾矿的物相组分随机械力的作用变化不大，但是，各物相组分的衍射峰强度随着粉磨时间的增加而逐渐降低。20～80 min，尾矿颗粒所有衍射峰强度均有所降低，80 min时，降到最小值，其原因可能是机械力对尾矿颗粒所做的部分机械功被晶体颗粒吸收而致晶体结构发生畸变、破坏，使其变成非晶态，表现为衍射峰强度的降低；到100 min时，尾矿颗粒的所有衍射峰强度均开始升高，这可能是由于机械力做功，导致球磨罐内的温度升高，部分尾矿颗粒团聚并重新结晶，表现为衍射峰强度重新升高。

图3 不同活化时间尾矿的XRD图谱Fig.3 XRD of tailings at different activation times

2.4 不同机械力活化时间尾矿的微观形貌分析

对金尾矿的微观形貌进行表征，不同活化时间尾矿的SEM图像如图4所示。从图4可以看出，尾矿原矿颗粒呈不规则形状，且存在结构缺陷，其颗粒粒径为10～20 μm；随着机械力的介入，尾矿颗粒沿结构缺陷被破碎使得颗粒尺寸减小；随着机械力活化时间的延长，颗粒尺寸逐渐变小，到80 min时，颗粒尺寸约为5 μm，达到最小，且存在大量极细颗粒；到100 min时，伴随着团聚现象的出现，颗粒相互附着致使粒径变大。

图4 不同活化时间尾矿的SEM图像Fig.4 SEM images of tailings at different activation times

2.5 活化时间对尾矿活性影响

用压力试验机测定按表1配比制成的胶砂试块，并按照公式(1)计算活性指数，不同活化时间尾矿胶砂试块的抗压强度和活性指数如图5所示。

观察图5可知，胶砂试块的抗压强度及活性指数均随着机械力活化时间的延长，呈现先增大后减小的趋势，并随龄期的增长而逐渐增大；随着机械力的介入，抗压强度及活性指数均迅速增大，这可能是由于机械力的作用使得尾矿颗粒细化，其比表面积增大，尾矿颗粒的添入改善了混合原料的颗粒级配，有效改善了胶体的和易性，并使孔隙率减小，从而提高了其力学性能； 20～80 min，随着活化时间的延长，胶砂试块的抗压强度及活性指数缓慢增大，到80 min时，28 d抗压强度达到最大值，为35.33 MPa，活性指数可达到78.62%。这可能是因为：一方面，机械力的作用使得尾矿粒径不断细化，而此时大量存在的细粒尾矿可有效地填充至胶砂试块孔隙，使其形成紧密堆积结构而提高了强度；另一方面，机械力使得尾矿颗粒表面层离子的极化变形和重排，使表面晶格畸变，导致有序性降低，使得Si—O键和Al—O键破坏，尾矿表面形成了新的活化点，使参与水化反应的原料增加而生成大量的凝胶体系；之后，随着活化时间的延长，其抗压强度及活性指数均有所减小，这可能与2.1节的现象一样，由于活化时间的延长出现的微团聚效应使得颗粒团聚造成的。