利用三山岛金矿尾矿制备塑料母料

渠美云，王志明，董延钰

(1.济钢集团国际工程技术有限公司，山东 济南 250101；2.山东省地质科学研究院，自然资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013；3.山东科技大学化学与生物工程学院，山东 青岛 266510)

0 引言

近年来，我国年产各类工业固废超过35亿t，堆存量巨大。其中钢渣产生量约1.1亿t，但综合利用率不足30%；赤泥年产生量近1亿t，利用量不足5%；铜渣年产生量已经突破2000万t，历史累计量达到1.3亿t。尾矿年产生量已超过15亿t，但综合利用率仅25%左右[1]。尾矿作为一种体量巨大的固废，对环境和耕地都产生了巨大的危害。

金尾矿综合利用主要是回收其中的有价元素[2-3]及有用矿物[4-5]，或者进行生产水泥替代料[6]、建筑用砂[7]、烧结砖[8]、加气混凝土砌块[9]、橡胶填料[10]、胶结充填[11]、泡沫玻璃[12]、微晶玻璃[5]等。目前已开展了部分尾矿制备塑料母料的研究，但利用金尾矿制备塑料母料的研究较少。

吕国诚[13]等以石墨尾矿为主要原料，进行了制备塑料母料的研究，其制备符合粉体加工的成本较低，同时可以实现矿山的循环经济和橡胶补强填充剂原料资源短缺的问题。刘渝燕[14]等以焦家金尾矿为主要原料，进行了非金属矿提纯加工及橡胶工业应用小试和中试，生产出多种用途应用前景广泛的橡胶制品，尾矿利用率30%以上。李二伟[15]利用硅酸盐矿物含量59%的钨钼尾矿，通过机械球磨制备出粒径为5μm的尾矿粉体，采用3种表面改性剂对尾矿粉体进行改性，将改性后的粉体用于填充丁苯橡胶，显示优良的补强作用。且粉体粒径越小，橡胶的拉伸强度越大。王巧玲[16]利用浮选回收金尾矿中的绢云母，并进行改性处理，改性绢云母胶料拉伸强度及定伸应力优于轻质碳酸钙胶料而低于半补强炭黑胶料,而硬度和拉断伸长率比其他2种胶料都大。

本文以三山岛金尾矿为主要原料，开展了综合回收和利用的试验研究，探索了其回收有用矿物，提高有用矿物附加值的试验。既能实现节能减排，减少尾矿库所占用土地资源，减轻环境负担，又能为企业和社会提供大量原材料，是双赢的举措。

1 试验原料和方法

1.1 样品采集

试验所用原料取自三山岛金矿尾矿库。样品加工流程如图1所示。经晾晒缩分后制备化验用样和试验用样，剩余样品留作备样。

图1 样品制备流程

1.2 样品性能

三山岛金尾矿物化性能测试结果如表1—表4所示。其主要化学成分为Si，Al；其次含少量的K，Na，Ca，Mg。尾矿中-40μm含量占81.13%，属于微细粒尾矿，较难进行综合利用。

表1 三山岛金尾矿主要物理性能测试结果

表2 三山岛金尾矿粒度分布

表3 三山岛金尾矿主要化学成分

表4 X射线衍射分析结果

薄片：物质组成有长英质矿物、长石、石英、碳酸盐矿物、透闪石、绢云母和不透明矿物等，粒度约0.002～0.3mm，以0.002～0.02mm隐晶质长英质矿物为主，部分石英和长石颗粒较大呈显晶质。大部分长石颗粒表面发生绢云母化、黏土化和碳酸盐化。

光片：光片中金属矿物主要为黄铁矿和磁铁矿，颗粒粒度约0.001～0.05mm。黄铁矿反射色呈黄白色，具有较高的反射率，呈半自形粒状，单体解离度为10.4%。磁铁矿反射色为灰色，呈粒状，粒度细小，单体解离度为17.8%。

含量估计：长英质矿物75%；长石15%；石英8%；碳酸盐矿物1%；透闪石少量；绢云母1%；黄铁矿少量；磁铁矿少量。

1.3 试验设备

试验采用的主要设备为φ100mm衬胶旋流器、新型GSDF-1010型超细水力分级机、XQT-φ650mm×700mm搅拌桶、GFJ-7型高速分散机、ZPN离心式泥浆泵、ZB101-Ⅱ鼓风干燥箱、BA950/500注射机等。

2 结果和讨论

2.1 分级提纯

2.1.1 给料浓度条件试验

根据三山岛尾矿的物理化学特性及应用要求，对金尾矿进行了浓度条件试验，给料浓度分别为0%,5%,8%,12%，试验结果如图2所示(精矿粒度以-6μm所占百分含量计)。从图2中可以看出，当矿浆浓度为8%时，精矿可以保持较高的产率以及较高的精矿粒度，因此选定8%的矿浆浓度作为给料浓度。

图2 给料浓度与精矿粒度和精矿产率关系图

2.1.2 分级段数试验

分别考察了矿浆给料浓度为8%时，采用一段、二段、三段、四段旋流器分级提纯的效果，试验结果如图3所示(精矿粒度以-6μm所占百分含量计)。

从图3中可以看出，随着旋流器分级段数的增加，精矿粒度逐渐变细，而精矿产率随之降低(降低速度较快)，当旋流器段数为二段时，分级效果较佳。

图3 分级段数与精矿粒度和精矿产率关系图

采用二段旋流器制备分级产品，试验流程如图4，结果如表5—表8所示。

表5 尾矿分级提纯产品主要物理性能测试结果

表6 尾矿超细分级提纯产品粒度分布

表7 分级精矿化学多项分析结果

表8 分级精矿的矿物组成

图4 二段旋流器分级流程图

提纯后的产品主要为石英-云母-长石的混合物，并含少量方解石。需要对尾矿中的石英及硅酸盐矿物进行进一步改性。

2.2 表面改性

粉碎后的石英粉或硅酸盐粉体在水和空气的作用下可能出现Si-OH(硅醇基)、Si-O-Si(硅醚基)及Si-OH……O(表面吸附自由水)等官能团，因此很容易接受外来的官能团，为其表面改性处理奠定了一定的基础。在表面改性试验的基础上，根据提纯产品的物化性能和大量经验以及有关资料，用偶联剂KH550、KH56，对金矿尾矿提纯产品进行了试验测试，测定改性材料效果的方法是通过改性材料制成的塑料母料物理性能测试结果而决定的。改性提纯产品与改性碳酸钙制成聚乙烯母料的对比测试结果见表9。

表9 改性提纯产品与改性碳酸钙制成聚乙烯母料的对比

最终表面改性工艺条件：偶联剂采用KH550，偶联剂用量为样品重量的0.5%，搅拌时间30min，常温常压，机械搅拌，矿浆pH值为自然中性。

2.3 制备PP，PE母料添料

通过用硅烷偶联剂KH550对提纯矿粉进行表面预处理，进行了PP，PE母料中替代填料碳酸钙的试验，试验做了提纯产品的替代用量试验及性能测试。

2.3.1 试验原料及参数

(1)试验原料。聚丙稀采用燕山石化PP1300，占参比配方比例70%；聚乙烯采用盘锦石化HD5070EA高密度聚乙烯，占参比配方比例70%；轻质碳酸钙，占参比配方比例30%；试验样品：金矿尾矿提纯改性产品。

(2)工艺参数。工艺流程见图5，原材料干燥工艺参数见表10，注射工艺参数见表11。

表10 改性PP，改性PE干燥工艺参数

表11 改性PP、改性PE注射工艺参数

图5 塑料母料试验工艺流程

(3)试验条件。提纯产品在PP中替代轻质碳酸钙用量为30%，50%，70%；提纯产品在PE中替代轻质碳酸钙用量为30%，50%，100%。

2.3.2 产品性能

对试验生产出的PP，PE塑料测试条进行了基本性能测试，其测试结果见表12、表13。

表12 改性材料在PP中的用量条件试验

表13 改性材料在PE中的用量条件试验

由试验结果可以看出，尾矿提纯产品在PP母料试验中，断裂伸长率低于参比配方，缺口冲击强度和邵氏硬度与参比配方相同，其余指标均高于参比配方。而尾矿提纯产品在PE母料试验中，提纯产品添加比例为100%时结果最佳，此时各项检测指标均达到参比配方的指标，而且断裂伸长率还高于参比配方。

3 结论

(1)三山岛金矿尾矿粒度较细，属于微细粒尾矿。其中所含有价元素含量不高，综合回收价值不大。其所含非金属矿资源丰富，经分级—提纯—改性后有较高的附加值。

(2)三山岛金矿尾矿超细分级提纯产品是含绢云母、石英的硅酸盐矿物，绢云母具有独特的鳞片结构，而且粒径小，表面活性高，具有良好的加工性能及良好的天然润滑性。

(3)PP母料试验，除断裂伸长率低于PP参比配方、缺口冲击强度与邵氏硬度与参比配方相同，其余指标均优于参比配方；PE母料试验，提纯产品添加比例为100%时结果最好，此时各项检测指标均达到参比配方的指标，而且断裂伸长率还高于参比配方。

(4)金矿尾矿超细分级提纯产品是一种天然的塑料增强填料，生产加工过程中分散性好、着色均匀，具有良好的半补强性能，在塑料工业中具有广阔的应用前景。