紅土鎳礦冶煉鎳鐵廢渣環(huán)境安全性能研究

孔令軍，趙祥麟，劉廣龍

(金川鎳鈷研究設(shè)計院，甘肅金昌 737100)

1 引言

2010年進入我國不銹鋼生產(chǎn)的紅土鎳礦冶煉鎳鐵超過15萬t(含鎳量)［1］，2011年我國以紅土礦為原料生產(chǎn)的鎳鐵合金增加至大約25萬t(含鎳量)，2012年我國鎳鐵合金產(chǎn)量高達約45萬t(含鎳量)。隨著紅土鎳礦冶煉鎳鐵產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展，每年產(chǎn)生鎳鐵渣超過2500萬t，可能成為我國繼鐵渣、鋼渣、赤泥之后的第四大冶煉渣。鎳鐵渣目前的處理技術(shù)主要以堆存、填埋為主，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了潛在的威脅。為減少鎳鐵渣的生態(tài)環(huán)境危害，近年來，國內(nèi)對鎳鐵渣在水泥混合材、礦物棉、輔助膠凝材料等建材原料方面的資源化綜合利用研究和應(yīng)用逐漸加強［2-7］。但無論是對鎳鐵渣進行堆存、填埋，或者是將鎳鐵渣用于建材原料，其環(huán)境安全性對于鎳鐵渣的處理都尤為重要［8］，目前國內(nèi)缺乏鎳鐵渣的相關(guān)標準、也缺乏對于鎳鐵渣物化性能和毒性的系統(tǒng)研究。鎳鐵渣環(huán)境安全性能研究可以為鎳鐵渣綜合利用的標準化及其進一步深入奠定科學(xué)基礎(chǔ)。

2 實驗材料和方法

2.1 材料

鎳鐵渣是紅土鎳礦在高溫熔融狀態(tài)下經(jīng)還原提取鎳和部分鐵后，在水淬急冷狀態(tài)下產(chǎn)生的水淬渣，主要由鎂、鐵、鋁的硅酸鹽組分構(gòu)成，其主要化學(xué)成分見下表。

表1 鎳鐵渣化學(xué)成分/%

2.2 試驗方法

2.2.1 腐蝕性測定:根據(jù)國家標準GB/T15555.12-1995《固體廢物腐蝕性測定 玻璃電極法》對鎳鐵渣腐蝕性進行測定。

2.2.2 浸出毒性測定:根據(jù)HJ/T 299-2007《固體廢物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》對鎳鐵渣渣進行浸出毒性測定。

2.2.3 鎳鐵渣在自然環(huán)境中的水溶解穩(wěn)定性實驗:取100g鎳鐵渣烘干樣品，置于1L容量瓶中，分別加入1L中性水(PH=7，模擬雨水或地下水)、酸性水(PH=3.2，模擬酸雨)、鹽水(3.5%NaCl，模擬海水)中，對鎳鐵渣進行浸提(不間斷泵入空氣)，浸提總時間為12周。每三周分別對三種浸提液采集一次樣品，共采集4次12個樣品。采集樣品時，室溫下對裝有樣品和浸提液的容量瓶水平振蕩8h(振動頻率約110次，振幅為40mm)，靜置16h，移取約50mL溶液，過濾后用原子吸收光譜儀測定濾液中的鎳、銅、鐵、鈷、鋅、鈣、鎂、鉻等。

2.2.4 鎳鐵渣在自然環(huán)境中的熱穩(wěn)定性試驗:利用同步熱分析儀STA449C對鎳鐵渣進行熱重和差分析。

2.2.5 放射性測定:根據(jù)采用GB6566-2010《建筑材料放射性核素限量》測定鎳鐵渣放射性。

3 結(jié)果與討論

3.1 鎳鐵渣腐蝕性

依據(jù)GB/T5085.1-2007《危險廢物鑒別標準腐蝕性鑒別》規(guī)定:pH值小于等于2.0或pH值大于等于12.5，判定為危險廢物。實驗結(jié)果顯示，鎳鐵渣浸出液pH值為6.5，沒有超出標準限值?？梢耘卸?鎳鐵渣在堆存、填埋過程中，經(jīng)雨水、地下水浸瀝而產(chǎn)生的浸出液不會對周圍的土壤及農(nóng)作物造成腐蝕危害。

3.2 鎳鐵渣浸出毒性

鎳鐵渣浸出毒性結(jié)果見表2，檢測結(jié)果顯示，鎳鐵渣經(jīng)硫酸硝酸浸提液提取的浸出液中，各項有害元素指標均未超出GB5085.3-2007《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》規(guī)定的限值，可以判定，鎳鐵渣不具備浸出毒性，不屬于危險廢物，在自然堆放、填埋的過程中對環(huán)境沒有浸出毒性危害。

表2 鎳鐵渣浸出毒性結(jié)果/mg/L

3.3 鎳鐵渣在自然環(huán)境中的水溶解穩(wěn)定性

鎳鐵渣在堆存、填埋、填?；蛴米鹘ú脑蠒r會接觸自然環(huán)境中的雨水、酸雨、地下水或海水、本實驗主要通過鎳鐵渣中鎳、銅、鐵、鈷、鋅、鈣、鎂、鉻等元素在中性水、酸性水、模擬海水中的變化趨勢來研究鎳鐵渣主要成分在自然環(huán)境中相對于水的化學(xué)穩(wěn)定性，從而在一定程度上說明鎳鐵渣在堆存、填埋或作為路基或建材骨料時其在自然環(huán)境中的穩(wěn)定性及其對周圍地下水、地表水或土壤的影響。

實驗結(jié)果見表3、表4、表5、表6。實驗結(jié)果顯示，鎳鐵渣中的鎳、銅、鐵、鈷、鋅、鉛、鉻等元素在中性水、酸性水、模擬海水中基本不溶解;鈣、鎂元素在中性水、酸性水、模擬海水中都有不同程度的溶解，但其溶解程度有限。以鎳鐵渣中主要成分鎂鹽的溶解趨勢作為考察對象，在中性水中，三周后鎳鐵渣中鎂鹽溶解性達到穩(wěn)定;在酸性水和鹽水中，六周后鎳鐵渣中鎂離子溶解達到穩(wěn)定，溶出率約0.1%。鎳鐵渣中鎂的溶解趨勢見圖2。

表3 鎳鐵渣在中性水(PH=7)中的浸出結(jié)果/mg/L

表4 鎳鐵渣在酸性水(PH=3.2)中的浸出結(jié)果/mg/L

表5 鎳鐵渣在鹽水(3.5%NaCl)中的浸出結(jié)果/mg/L

表6 鎳鐵渣鎂離子溶出率/%

3.4 鎳鐵渣在自然環(huán)境中的熱穩(wěn)定性

圖1 鎳鐵渣鎂離子溶解趨勢圖

下圖為鎳鐵渣的差熱-熱重分析曲線，分析曲線顯示，600℃以內(nèi)，鎳鐵渣在加熱狀態(tài)下，無明顯的吸熱峰和放熱峰，質(zhì)量變化很小，根據(jù)結(jié)果可推斷，鎳鐵渣在600℃內(nèi)的加熱過程中，自身體系內(nèi)部無化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，揮發(fā)組分含量很小，在自然環(huán)境中熱穩(wěn)定性較好。

圖2 鎳鐵渣熱重—差熱分析曲線

3.5 鎳鐵渣放射性

放射性檢測試驗表明，鎳鐵渣內(nèi)照射指數(shù)0.5，外照射指數(shù)0.4，作為建筑主體材料使用，不受到放射性污染指標限制。

表7 鎳鐵渣放射性測定值/Bq/Kg

4 結(jié)論

(1)鎳鐵渣腐蝕性、浸出毒性小于國家標準限值，不屬于國家標準界定的危險廢物。

(2)鎳鐵渣在自然環(huán)境中化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，在堆存、填埋或用作建材原料時，不會因溫度升高(600℃以內(nèi))造成自身體系內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)而改變其存在狀態(tài)。

(3)鎳鐵渣在地下水、雨水、酸雨或海水的侵蝕環(huán)境中，所含重金屬溶解進入周圍環(huán)境很少，鈣、鎂的溶解性能有限，不會對環(huán)境造成污染。

［1］許保見.我國鎳鐵行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.中國金屬通報.2011(14):20-21.

［2］肖安雄摘譯.美國金屬雜志對世界有色金屬冶煉廠的調(diào)查第三部:鎳紅土礦［J］.中國有色冶金.2008(4):1-5.

［3］鄒立.利用鎳鐵渣引入氧化鎂在立窯上的應(yīng)用［J］.四川水泥.2008(5):31-32.

［4］王熔蘭，等.短流程鎳鐵生產(chǎn)工藝中含鎳廢渣的處置研究.四川冶金［J］.2008(2):58-59.

［5］萬朝均，等.鎳鐵合金礦熱爐渣輔助膠凝材料的制備與性能［J］.重慶大學(xué)學(xué)報.2010(1):119-123.

［6］何其捷譯.鎳鐵渣制作礦物棉［J］.玻璃纖維.1990(4):35.

［7］段光福.江西某紅土鎳礦冶煉爐渣做水泥混合材［J］.金屬礦山.2012(11):159-161.

［8］郭朝暉.有色冶煉廢渣的礦物學(xué)特征與環(huán)境活性［J］.中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)2007(6):1100-1104.