鉛鋅尾礦資源化利用研究進(jìn)展*

胡國(guó)峰 許曉明 蔣慶肯 邵雁

（中冶南方都市環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司）

我國(guó)鉛鋅資源儲(chǔ)量居世界第二，2020 年鉛精礦產(chǎn)量133.8 萬t，鋅精礦產(chǎn)量276.9 萬t［1］。與鉛鋅精礦相對(duì)應(yīng)，鉛鋅尾礦的產(chǎn)生量一般是鉛鋅精礦量的10倍以上，一般主要成分是SiO2、K2O、Al2O3等，同時(shí)還含有多種重金屬成分。

大量鉛鋅尾礦的堆積不僅占用寶貴的土地資源，而且其中所含的重金屬和殘留藥劑在一定條件下會(huì)形成酸性物質(zhì)，并進(jìn)入周邊水體和土壤，污染人類的生存環(huán)境，影響人體健康，同時(shí)尾礦庫還存在滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)［2］。隨著尾礦數(shù)量的不斷增加，礦企每年需投入大量的資金加高加固尾礦壩，甚至投入巨資重新選址修建新的接替尾礦庫。因此，尾礦的儲(chǔ)存已成為制約我國(guó)鉛鋅礦企業(yè)生存、發(fā)展的重大問題。

我國(guó)目前尾礦綜合利用率不足20%，遠(yuǎn)低于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家50%以上的先進(jìn)水平［3］。通過尾礦資源化利用，“變廢為寶”，可大量消納尾礦資源，減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)，建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)。

通過分析現(xiàn)有鉛鋅尾礦的資源化利用方式，對(duì)提升我國(guó)鉛鋅尾礦資源利用水平具有重要的經(jīng)濟(jì)意義與社會(huì)意義。本文將通過分析鉛鋅尾礦的理化性質(zhì)，介紹現(xiàn)有鉛鋅尾礦的資源化利用方法，并對(duì)鉛鋅尾礦綜合利用發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 鉛鋅尾礦的理化性質(zhì)

為了更好地開展尾礦綜合利用工藝的研究，需要對(duì)鉛鋅尾礦理化性質(zhì)進(jìn)行深入的了解。由于不同礦場(chǎng)的地質(zhì)構(gòu)造和形成條件千差萬別，因而每個(gè)選廠所采用的選礦工藝也差異巨大，造成不同尾礦庫的尾礦理化性質(zhì)存在較大差異。

從物理性質(zhì)來看，粒度粗細(xì)不均，整體上粒度偏細(xì)。西南某鉛鋅尾礦中大部分粒度在12～210 μm，堆積密度1.4 g/cm3左右。陜西漢中金遠(yuǎn)礦業(yè)等3 家礦企的尾礦粒徑均不到100 μm，而且平均粒徑小于50 μm［4］。粒徑的大小不會(huì)改變有價(jià)元素的分布和浸出趨勢(shì)，但是會(huì)顯著影響其存在的形態(tài)和浸出濃度。

大體上，組成鉛鋅尾礦的主要有Ca、Fe、Mg、Al、Si、S等成分，同時(shí)還往往共伴生有Mn、Ti、Zn、Sr等［5］。從化學(xué)成分來看，與建筑用河沙基本一致，以Fe2O3、SiO2、CaO 等為主，能夠作為天然河沙的替代性材料，作為道路及建筑物建設(shè)的基礎(chǔ)材料［6-8］。同時(shí)，鉛鋅尾礦中還含有Ag、Fe、S 等組分，經(jīng)過一定處理，可以回收這些有價(jià)組分。

2 鉛鋅尾礦的綜合利用［9-12］

2.1 回收尾礦中有用組分

鉛鋅尾礦成分復(fù)雜、伴生有價(jià)成分較多，通過再選可以降低尾礦中有價(jià)組分的含量［13］。銀是鉛鋅礦中很常見和很具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的伴生組分之一，我國(guó)每年從鉛鋅礦中回收的共伴生銀占銀總量的70%～80%。實(shí)際生產(chǎn)中，物理選礦往往可以回收其中的S、Mo、Sn、Bi等共生組分，并獲得相應(yīng)的精礦，其他一些元素則需在冶煉過程中回收［14］。

根據(jù)尾礦中共伴生組分的不同，通常需要采用不同的工藝組合以便提高有價(jià)組分的回收率。凡口鉛鋅礦尾礦Zn 品位1.5%、Pb 品位1.3%，采用細(xì)篩分級(jí)—重選—浮選工藝處理，可從中分選出含鉛17.83%、含鋅29.60%，鉛、鋅回收率分別達(dá)71.82%和85.46%的鉛鋅混合精礦［15］。云南某鉛鋅尾礦鐵品位為17.74%（磁性鐵、赤褐鐵分別占18.73% 和59.58%），采用弱磁選—強(qiáng)磁選—再磨精選—浮選脫硫聯(lián)合工藝流程從中選鐵，最終得到鐵品位64.35%、回收率65.68%、含硫0.19%的鐵精礦，達(dá)到了很好的鐵回收效果［16］。青海某鉛鋅尾礦重晶石含量較高，具有回收利用價(jià)值，試驗(yàn)采用重選—浮選聯(lián)合工藝，獲得了BaSO4含量高達(dá)90.18%的重晶石精礦，重晶石回收率達(dá)52.45%［17］。龍泉鉛鋅尾礦采用重選脫泥—浮選工藝回收磁黃鐵礦，試驗(yàn)獲得了硫品位32.77%、含鐵42.73%、硫回收率81.26%的硫精礦，經(jīng)濟(jì)效益顯著［18］。

由于鉛鋅尾礦組分復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)過程中采用單一選別工藝通常難以實(shí)現(xiàn)有價(jià)組分的高效回收。因此，在開展鉛鋅尾礦回收利用研究時(shí)，需要結(jié)合尾礦特性，采用磁選、浮選、重選等工藝的組合進(jìn)行選別，以實(shí)現(xiàn)高效回收有價(jià)組分的目的。

2.2 建材化利用

鉛鋅尾礦除含有少量高價(jià)值的金屬組分，其作為一種復(fù)合礦物原料，主要成分還包括石英、鈣鎂碳酸鹽礦物、鋁硅酸鹽礦物等，化學(xué)成分以Si、Al、Mg、Fe、Ca 等的氧化物為主，在成分和粒徑上大都滿足建筑材料制備的要求［19］。因此，開發(fā)符合當(dāng)下尾礦資源化綜合利用宗旨，契合未來環(huán)境保護(hù)需求的技術(shù)，建設(shè)可以消納大量尾礦、生產(chǎn)各種類型建筑材料的綠色礦山企業(yè)具有廣闊的前景［20］，典型的建筑材料包括免燒磚、微晶玻璃、水泥等［21］。

馮啟明以青海某鉛鋅礦尾礦為骨料，摻雜量70%～80%情況下，加入適量水泥（膠結(jié)劑）、石灰（激發(fā)劑）、聚苯泡沫粒（預(yù)孔劑）和混凝土（發(fā)泡劑），制備出輕質(zhì)免燒磚，養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)9.3 MPa，可作為建筑物填充砌塊［22］。郭艷平等［23］以鉛鋅尾礦為主要原料，采用燒結(jié)法制備出機(jī)械性能良好，化學(xué)性能穩(wěn)定的CaO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃，拋光處理后平均顯微硬度為8.76 GPa，平均抗折強(qiáng)度為223.1 MPa。

基于鉛鋅尾礦中富含鐵氧化物等組分，近年來，大量的研究者將重點(diǎn)放在以鉛鋅尾礦為材料生產(chǎn)水泥的研究上。這種技術(shù)在改善水泥熟料產(chǎn)量和質(zhì)量方面效果突出，同時(shí)可以顯著降低水泥生產(chǎn)的單位能耗，能夠帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。以湖南凡口鉛鋅尾礦為原料生產(chǎn)的水泥年產(chǎn)量超過15萬t［24］。

2.3 尾礦井下充填

大體上，尾礦充填可以分為干式、水砂、分級(jí)尾砂、高濃度全尾砂、膏體等充填工藝［25］。在礦山開采過程中往往會(huì)產(chǎn)生大量的采空區(qū)，這些采空區(qū)通常存在礦柱損壞、頂板破壞和地面塌陷等安全隱患，尾礦膠結(jié)充填已被證明是一種環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)高效的尾礦安全處置與采空區(qū)安全管理的方法。尾礦膠結(jié)充填可同時(shí)消除采空區(qū)坍塌等安全隱患和鉛鋅尾礦大量堆存造成的資源浪費(fèi)問題。此外，尾礦的大量利用可縮小尾礦庫的規(guī)模，降低尾礦庫損毀的風(fēng)險(xiǎn)，而且充填膏體會(huì)固封尾礦中的重金屬，一定程度上緩解尾礦造成的環(huán)境污染問題。

高濃度尾礦濃縮充填工藝的研究始于20世紀(jì)70年代，美國(guó)和南非從20 世紀(jì)80 年代初開始采用全尾礦充填工藝。Bad Ground 礦山在全尾膏體中混加適量的水泥以及廢石，制備全尾礦膏體充填采空區(qū)，取得了理想的效果［26］。會(huì)澤鉛鋅礦利用膏體填充工藝，有效減少了尾礦的堆存量，該工藝的實(shí)施保護(hù)了環(huán)境，創(chuàng)造了顯著的社會(huì)效益［27］。凡口鉛鋅礦和南京銀茂鉛鋅銀礦將尾礦漿二段脫水后，與水泥混合，充填料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在70%～76%，輸送至井下進(jìn)行充填，尾礦利用率高達(dá)95%以上［28-29］。

作為一種優(yōu)質(zhì)充填材料，尾礦可就地取材，節(jié)省采集、破碎、運(yùn)輸?shù)瘸杀?，是鉛鋅礦山尾礦綜合利用的重要途徑。

2.4 土地復(fù)墾

尾礦的長(zhǎng)期大量堆存往往會(huì)引起采場(chǎng)、尾礦庫等區(qū)域土地的退化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)退化成寸草不生的廢地，所以尾礦堆存地的再利用得到各國(guó)的廣泛重視。目前，尾礦堆存地的恢復(fù)主要有物理、化學(xué)、生物等方法，而生物法實(shí)施尤其簡(jiǎn)便、二次污染風(fēng)險(xiǎn)小、成本低廉等，因而成為主流方式。對(duì)蘭坪鉛鋅尾礦的復(fù)墾研究發(fā)現(xiàn)，植物根系附近的尾礦土壤性質(zhì)和土壤肥力得到顯著改善，同時(shí)植物地上組織中并未出現(xiàn)有害重金屬元素的富集現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了尾礦堆存地的再利用和生態(tài)環(huán)境改善［30］。

我國(guó)北部干旱地區(qū)有許多間歇河，由于河道內(nèi)大小不一的鵝卵石的存在，導(dǎo)致其喪失耕種潛能。對(duì)于這種局面，可用尾礦圍池復(fù)墾造田，種植經(jīng)濟(jì)作物，緩解土地緊張，并保持水土，尾礦中的鋅、鉬、硼、鐵等微量元素還可滿足植物生長(zhǎng)發(fā)育的需求［31-32］。

3 結(jié)語與展望

由于國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)鉛鋅金屬的需求旺盛，導(dǎo)致鉛鋅尾礦的大量產(chǎn)生，這些尾礦不僅會(huì)加重尾礦庫的負(fù)荷，產(chǎn)生地質(zhì)安全隱患與生態(tài)環(huán)境隱患，而且也是對(duì)資源的一種極大浪費(fèi)。因此，圍繞鉛鋅尾礦開展系統(tǒng)的資源化綜合利用技術(shù)研究和實(shí)踐就顯得尤為重要。雖然在利用水平上國(guó)內(nèi)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步，但是在實(shí)踐中依然存在一些不容忽視的問題，比如回收有價(jià)組分的效率低下、再利用產(chǎn)品附加值低、消納速度滯后于尾礦的產(chǎn)生速度等問題，而且不同礦場(chǎng)鉛鋅尾礦的組分存在很大差異，形成統(tǒng)一高效的資源化利用方式較難實(shí)現(xiàn)。目前綜合利用是一礦一策，不同礦場(chǎng)的尾礦采用的工藝方案很難在其他礦場(chǎng)復(fù)制推廣。因此，下一步需要在研發(fā)上持續(xù)加大人員和資金的投入，在理論層面上深入研究，從而在關(guān)鍵技術(shù)裝備上形成突破。針對(duì)鉛鋅尾礦資源化綜合利用，在通過建材化利用實(shí)現(xiàn)少尾和無尾的同時(shí)，還應(yīng)開發(fā)高附加值的建材產(chǎn)品，創(chuàng)造良好的社會(huì)效益。同時(shí)還應(yīng)著重開展土地復(fù)墾領(lǐng)域的研究，在實(shí)現(xiàn)尾礦庫復(fù)墾和生態(tài)重建的同時(shí)，有效地解決尾礦庫因尾礦大量堆積而引發(fā)的一系列安全問題。