铁尾矿高值化利用研究进展*

2022-11-04周怡笛王丽娟米瑞宇吴小文刘艳改房明浩黄朝晖3

现代矿业 2022年10期

周怡笛王丽娟闵鑫米瑞宇吴小文刘艳改房明浩黄朝晖3

（1.中国地质大学(北京)材料科学与工程学院；2.非金属材料和固废资源材料利用北京市重点实验室；3.矿物岩石材料国家专业实验室）

铁尾矿是铁矿石经破碎、磨矿、选矿之后形成的废渣，主要由石英、方解石及角闪石等硅酸盐矿物组成［1-2］。我国铁矿资源的两大特征是贫矿多和多成分共生，因而产生的尾矿量大、伴生有价成分较多，据统计，每产出1 t铁精矿会产生3 t左右的尾矿［3］。大量的铁尾矿堆积不仅占用土地，造成生态环境危害，同时尾矿中的有价组分不能有效利用，也在一定程度上造成了资源浪费，因此，找到合适的铁尾矿综合利用途径迫在眉睫。

目前，利用铁尾矿直接作为建筑砂石骨料的占比较高［4］，这类铁尾矿资源化利用技术简单易行，但与其他综合利用途径相比，该方法获得产品附加值难以大幅度提高，市场半径小［5］，铁尾矿综合利用产生的经济优势不显著，因此需要找到铁尾矿高值化利用的途径，实现高值化利用。

1 回收有价组分

我国铁尾矿的种类繁多，性质复杂，产地和选矿工艺不同，其成分和含量不同，但化学成分大体相似，并且有些矿物作为铁的伴生矿物，提取这些伴生矿物，对提高资源的综合利用率、实现资源的二次利用具有重要意义［6］。针对钛资源流失于铁尾矿的问题，大部分学者采用磁选+浮选工艺进行回收。张韶敏［7］以某钒钛磁铁矿选铁尾矿为原料进行铁、钛回收试验，经过弱磁选+磁选柱精选工艺，获得了TFe品位为60.33%、TFe回收率为3.70%的铁精矿；富集在回收铁后的尾矿中的钛再经两段中磁预富集—再磨—二段中磁选—浮选，得到Ti O2品位为41.02%、TiO2回收率为66.81%的钛精矿。黄晓毅等［8］对比了高梯度强磁选和螺旋溜槽重选富集钛矿物的效果，得出高梯度强磁选效果更加理想的结论。邹锋等［9］对铁尾矿中的金属组分采用浮选工艺进行回收，在浮选时增加脱泥作业，避免了矿泥对捕收剂的影响，从而使得精矿指标更好。刘志国等［10］对比了脱泥与否对从铁尾矿中回收钴的影响，结果表明，直接浮选不仅药剂消耗量大，流程结构复杂，而且操作稳定性差；脱泥浮选工艺可获得钴品位为0.47%、钴回收率为54.41%的浮选精矿。对从某磁铁矿山选铁尾矿中回收钼、锌，夏青等［11］除对比了全硫浮选和优先浮选流程，着重研究了再磨作业的重要性，指出再磨不仅能提高目的矿物的解离度，还能有效清洗矿物表面吸附的捕收剂，改善分离效果。袁亚君［12］对预富集钼粗精矿进行适当再磨，可提高辉钼矿的单体解离度和钼精矿指标。稀土作为铁的伴生资源，有部分稀土流失于铁尾矿中，可从铁尾矿中回收。秦玉芳等［13］以白云鄂博选铁尾矿为研究对象，进行了优先浮选回收稀土的工艺研究，用羟肟酸类捕收剂LFP8、水玻璃为抑制剂、松醇油为起泡剂，浮选闭路试验可获得稀土品位50.52%、回收率81.30%的稀土精矿，实现了铁尾矿中稀土资源的有效回收。与浮选法相比，氯化焙烧具有操作简单、回收率高的优点，因此，有研究者使用氯化焙烧的方法对铁尾矿进行处理以回收其中的重金属。蔡海立等［14］探究了在氮气气氛和空气气氛下进行氯化焙烧对铁尾矿中Cu、Pb和Zn去除的影响，结果表明，在氮气气氛下进行氯化焙烧对Cu和Pb回收效果更好，且氯化焙烧后的残渣中S的残留量更低，对环境的潜在威胁较小。

采用浮选法对铁尾矿中的有价组分进行回收时，可根据铁尾矿的矿相、粒径分布以及目标组分特征，适当对铁尾矿进行再磨或脱泥，有利于对铁尾矿中的有价组分进行回收。除浮选外，氯化焙烧具有操作简单、回收率高的优点，因此可采用氯化焙烧的方法对其中的重金属进行回收。

2 制备陶瓷制品

2.1 铁尾矿制备玻化砖

利用铁尾矿制造陶瓷制品是铁尾矿高值化利用的一个重要方面。其中陶瓷玻化砖具有强度大、硬度高、机械性能好的特点，属于高档建筑陶瓷材料。制备玻化砖要求原料Si O2和Al2O3含量较高，并含有一定量的K2O、Na2O、CaO、MgO等低熔点物质，某些铁尾矿可以满足成分要求，且铁尾矿中的Fe2O3是制备彩色陶瓷玻化砖的天然着色剂［15］。焦娟等［16］开展了程潮铁尾矿制备陶瓷玻化砖研究，结果表明，程潮铁尾矿可制备灰黑色陶瓷玻化砖。石棋等［17］利用攀钢铁尾矿制备了黑色玻化砖，但由于攀钢铁尾矿的成分与制备常规玻化砖的成分有一定差异，因此需优化调整配料，所制得样品的主晶相为钙长石，而不是传统的莫来石，抗折强度为46.2～48.7 MPa。

2.2 铁尾矿制备微晶玻璃

微晶玻璃生产结合了玻璃和陶瓷2种制作工艺，在特定环境下晶化得到的复合材料具有介电损耗低、热膨胀性可调、机械强度高、抗热震性好、耐化学腐蚀和电绝缘性好等优点，其综合性能主要取决于晶体的种类、微晶体的尺寸和数量、残余玻璃相的性质和数量等［18］。韩茜等［19］以商洛市某铁尾矿为主要原料，采用烧结法制备微晶玻璃，试验表明，随着烧结温度的升高，试样的密度、莫氏硬度及抗压强度均先增大后减小，1 150℃烧结产品的密度为2.84 g/cm3，莫氏硬度为5.5～6.5 MPa，抗压强度达132.25 MPa，耐酸碱质量损失率分别为0.016%和0.121%。尹雪亮等［20］利用南芬铁尾矿制备微晶玻璃，其主晶相为透辉石和硅灰石，弯曲强度＞70 MPa，体积密度为2.7 g/cm3，耐酸碱质量损失率分别为0.17%和0.15%，达到了国家标准。杨博宇等［21］以包头铁尾矿、金矿尾矿为主要原料，以铁尾矿中的Fe2O3和CaF2为形核剂，采用玻璃熔制-微波热处理方法得到以辉石相为主晶相的微晶玻璃，样品密度为2.97 g/cm3，抗折强度为264.62 MPa，耐酸性99.38%，耐碱性99.17%。南宁等［22］以商洛某铁尾矿为主要原料，采用烧结法制备CaO-MgOAl2O3-SiO2四元体系微晶玻璃，结果表明，随着晶化温度的升高，微晶玻璃的抗压强度和密度均呈先增后降趋势；晶化温度900℃，保温时间2 h条件下，制得了以透辉石为主晶相的微晶玻璃，其抗压强度为164.75 MPa，密度为2.82 g/cm3，耐酸质量损失率为0.11%，耐碱质量损失率为0.13%。

2.3 铁尾矿制备泡沫陶瓷

泡沫陶瓷又称多孔陶瓷，是一种具有立体网络骨架结构的新型陶瓷材料。由于泡沫陶瓷特有的孔结构，使其具有高孔隙率、良好的化学稳定性、小体积密度及低导热性等特点，被广泛应用于众多领域［23］。李林等［24］以攀西钒钛磁铁尾矿和废玻璃为主要原料，制备储水泡沫陶瓷，结果表明，随着钒钛磁铁尾矿用量的增加，材料的体积密度及抗压强度逐渐增大，气孔平均孔径减小（图1），这可能是由于尾矿量增加，熔剂减少，高温熔体内部无法产生足够的液相，高黏度熔体导致气泡外压增加，小气泡成长受阻使得气泡小而密。

3 制备多孔材料

矿物多孔生物滤料内部具有丰富的孔结构，为微生物提供了大量的生长空间，微生物负载量越多，对水的处理效果就越好，被广泛用于工业废水和城市污水的处理。矿物多孔生物滤料是以硅、铝质矿物原料为主，经过配混料、成型、陈腐、干燥和烧结等工序制成的粒状材料，由于矿物多孔生物滤料的原料与铁尾矿化学组分相似，因此可以使用铁尾矿制备矿物多孔生物滤料。杜倩倩等［25］以河北某铁尾矿为主要原料制备的矿物多孔生物滤料内部粗糙，利于拦截吸附水中的有机物，吸水率为36.11%、显气孔率为52.00%、体积密度为1.10 g/cm3，比表面积为6.389 m2/g、孔容为0.009 cm3/g。吕扬等［26］以铁尾矿为原料制备介孔分子筛，通过酸浸法将铁尾矿中的硅转化为硅酸钠溶液，然后作为合成介孔分子筛的硅源，利用水热法及微波法合成中孔分子筛。

4 制作保温墙体材料

墙体材料作为建筑物主要的围护材料，占建筑物总体建筑材料的2/3。面对如此大量的材料需求，必须发展轻质、高强、保温、防火与建筑同寿命的多功能一体化现代墙体材料［27］。现代墙体材料的发展方向主要是节能环保、耐久性以及功能性三大方面，包括砌块和板材等。张丛香等［28］利用铁尾矿（掺量达50%）制作轻质保温墙板材的工艺技术，制作的轻质保温墙板各性能指标达到建筑使用要求。张立侠等［29］以水泥、铁尾矿粉、粉煤灰、硅灰为主要原料制备了泡沫混凝土砌块，密度为600 kg/m3。

喻杰等［30］对铁尾矿进行了活性激发，以此提高铁尾矿的掺量，制备的试件28 d抗压强度大于5 MPa，满足轻质保温墙体材料性能要求，实现了铁尾矿的大比例掺用（掺量57%）目标。杨航等［31］以河北某铁尾矿和废石为原料，制备了建筑外墙防火陶瓷保温材料，掺加铁尾矿有利于降低材料的干密度。

5 制备功能材料

铁尾矿因富含铁、硅而可成为制备功能材料的原料。金家康［32］探讨了利用铁尾矿砂制备磁屏蔽功能材料的可行性，基本思路是在适当的焙烧温度和还原气氛下，将铁尾矿中铁的存在形式向磁性物质转变，保证转变后的磁性物质在不同环境下都能稳定存在；再以此磁性原料与适当的胶结材料结合，得到兼有结构性和功能性的磁屏蔽功能材料。牟文宁等［33］以铁尾矿为原料，采用硫酸法焙烧，熟料酸浸获得含铁硫酸盐溶液，再利用中和沉淀法制备含铁前驱体，而后煅烧制备α-Fe2O3，用于有机染料甲基橙的光催化降解。