利用鐵尾礦制備低附加值產(chǎn)品研究進(jìn)展

林巖，郭客，張東，苑慶波，周麗

利用鐵尾礦制備低附加值產(chǎn)品研究進(jìn)展

林巖1*，郭客1，張東2，苑慶波3，周麗1

（1. 鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 鞍山 114000；2. 鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司齊大山鐵礦，遼寧 鞍山 114000； 3. 關(guān)寶山礦業(yè)有限公司，遼寧 鞍山 114000）

介紹了鐵尾礦的資源概況和綜合利用現(xiàn)狀。主要從制備建筑材料、肥料及土壤改良劑、微晶玻璃、多孔陶瓷、白炭黑等幾個(gè)方面綜述了目前鐵尾礦綜合利用的研究進(jìn)展，并淺談未來(lái)鐵尾礦利用研究方向。鐵尾礦作為建筑材料是最常見的利用方式，主要用于制造保溫材料和混凝土材料等，在制備高附加值產(chǎn)品方面的研究相對(duì)較少。因此，利用鐵尾礦制備晶須材料、化工染料、吸附材料等高附加值產(chǎn)品是未來(lái)研究的重點(diǎn)方向。

鐵尾礦；低附加值產(chǎn)品；研究進(jìn)展

近年來(lái)，隨著鋼鐵工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)廢氣、廢水和廢渣的數(shù)量逐年增加[1]。其中，采礦業(yè)是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基石，隨著人們對(duì)金屬資源需求的增加，對(duì)礦產(chǎn)資源的開采也隨之增加。同時(shí)，尾砂排放的增加導(dǎo)致大量尾砂的無(wú)序堆積，已成為全球性的安全問題和環(huán)境挑戰(zhàn)[2]。世界每年排放的鐵尾礦和廢石超過100億t，中國(guó)鐵礦石資源稀缺，鐵礦石年產(chǎn)量約為15億t，而鐵礦石尾礦庫(kù)年產(chǎn)量高達(dá)10億t[3]。鐵尾礦是一種重要的工業(yè)固體廢物，我國(guó)鐵尾礦的利用率很低，鐵尾礦通常儲(chǔ)存在尾礦壩中，占地面積大，管理成本高，鐵尾礦粒度細(xì)，會(huì)導(dǎo)致粉塵，威脅礦區(qū)及其周邊的生態(tài)環(huán)境，已成為制約社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的主要因素之一[4-7]。因此，如何實(shí)現(xiàn)鐵尾礦的有效利用，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境和提高資源利用效率意義重大。

1 鐵尾礦綜合利用及研究現(xiàn)狀

我國(guó)鐵尾礦的種類繁多，其主要成分為SiO2、Fe2O3、MgO、CaO和Al2O3等[8]，鐵尾礦中含有大量有價(jià)組分未被充分利用。鐵尾礦中有價(jià)組分的回收包括金屬與非金屬的回收，金屬組分主要包括鐵、鋁、鈣和鎂，非金屬主要為硅。目前鐵尾礦綜合利用研究方向主要包括制備建筑材料、肥料及土壤改良劑、微晶玻璃、多孔陶瓷和白炭黑等產(chǎn)品。

1.1 鐵尾礦制備建筑材料

近年來(lái)，隨著資源短缺和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，利用鐵尾礦作為建筑材料是最常見的利用方式，主要用于制造保溫材料和混凝土材料等[9]。其優(yōu)點(diǎn)可以通過消耗大量鐵尾礦廢棄物，解決水、土壤、空氣污染等相關(guān)問題[10]。

1.1.1 鐵尾礦制備保溫材料

鐵尾礦中含有大量SiO2，隨著保溫材料的需求逐年增多，采用摻雜大比例鐵尾礦制備保溫材料對(duì)鐵尾礦的大量利用具有重要意義。喻杰[11]等采用鐵尾礦制備輕質(zhì)保溫墻體材料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵尾礦、水泥、膨脹珍珠巖、激發(fā)劑質(zhì)量比為2.5∶1∶0. 63∶0. 25，其性能較好。楊航[12]等在鐵尾礦中添加廢石制備防火保溫陶瓷材料，當(dāng)鐵尾礦摻雜量為40%～55%時(shí)，其導(dǎo)熱系數(shù)較低為0.09 W·(m·K)-1，防火等級(jí)達(dá)到A級(jí)。張鶯[13]以鐵尾礦中云母與長(zhǎng)石為原料制備的保溫材料，當(dāng)云母與長(zhǎng)石的配料為1∶1，制備出較低導(dǎo)熱系數(shù)0.084 W·(m·K)-1的保溫材料。王應(yīng)燦[14]等采用鐵尾礦和廢舊聚苯乙烯泡沫為原料制備出導(dǎo)熱系數(shù)為0.109 W·(m·K)-1輕質(zhì)隔熱保溫材料。喻振 賢[15]等以鐵尾礦和水泥為主要原材料制備出低密度導(dǎo)熱系數(shù)小于0.231 W·(m·K)-1的輕質(zhì)保溫材料。

綜上所述，利用鐵尾礦制備的保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，保溫性能好，且鐵尾礦的摻雜比例可達(dá)到40%以上。

1.1.2 鐵尾礦制備混凝土材料

目前，利用鐵尾礦制備混凝土是比較常見的。張立俠[16]采用水泥、鐵尾礦、粉煤灰、硅灰為主要原料制備泡沫混凝土砌塊，當(dāng)主要原料的配比為60∶75∶12∶1時(shí)，該混凝土砌塊的密度達(dá)到 600 kg·m-3。羅力[17]等以鐵尾礦為原料制備水泥熟料，當(dāng)鐵尾礦與水泥的摻雜量為17∶75時(shí)，水泥強(qiáng)度達(dá)到42.5等級(jí)。劉剛[18]等以鐵尾礦、水泥和硅灰為主要原料制備活性粉末混凝土，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)鐵尾礦摻雜量為55.51%時(shí)，活性粉末混凝土的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到152.6 MPa。田景松[19]將鐵尾礦砂和機(jī)制砂按不同比例混合，制備混凝土滿足現(xiàn)在施工技術(shù)要求。時(shí)彥寧[20]將鐵尾礦用于制備瀝青混合料，摻雜鐵尾礦的瀝青混合料的低溫抗裂性和水穩(wěn)型能滿足道路要求。劉俊杰[21]等以鐵尾礦為原料制備免燒磚，當(dāng)鐵尾礦摻雜量為60.97%，水固比為0.1，其抗壓強(qiáng)度7天達(dá)到12.14 MPa。鐵礦尾礦在選礦過程中作為廢棄物排放，引發(fā)了一系列的環(huán)境問題。ZHANG[22]等通過掃描電子顯微鏡和壓汞法等多種方法，研究了鐵礦尾礦替代人工砂對(duì)超高性能混凝土抗壓強(qiáng)度和滲透性的影響，當(dāng)鐵尾礦替代40%人工砂其性能最好。

1.2 鐵尾礦制備肥料及土壤改良劑

鐵尾礦的土壤利用技術(shù)將鐵尾礦的酸堿度、水分、孔隙結(jié)構(gòu)改造成與普通土壤具有同等儲(chǔ)存水分、養(yǎng)分和空氣能力的土壤，為植物提供更理想的生長(zhǎng)環(huán)境。近年來(lái)，研究者們采取了一系列合理有效的措施來(lái)改善采礦活動(dòng)破壞的生態(tài)系統(tǒng)[23]。CUI[23]等針對(duì)遼寧鞍山鐵尾礦進(jìn)行了為期105天的土壤改良試驗(yàn)，結(jié)果表明，尾礦利用技術(shù)的應(yīng)用不僅降低了尾礦的容重和pH值，而且提高了尾礦的含水率和孔隙率。尾礦肥力逐漸達(dá)到中、高水平，為植物提供了較為理想的生長(zhǎng)環(huán)境。付文昊[24]等采用不同土壤改良模式對(duì)鐵尾礦進(jìn)行土壤改良，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鐵尾礦土壤改良后有機(jī)質(zhì)、氮、鉀和鎂元素的含量增加。楊孝勇[25]針對(duì)鐵尾礦的新型鹽堿地的復(fù)合改良劑進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)改良劑鐵尾礦、脫硫石膏、碎秸稈、生物炭、有機(jī)肥的質(zhì)量比為40∶10∶10∶3∶3時(shí)效果最佳。劉晶磊[26]等采用水泥和土凝巖改良鐵尾礦用于公路路基材料，改良后的鐵尾礦可用于二級(jí)及二級(jí)以下公路建設(shè)。

1.3 鐵尾礦制備微晶玻璃

利用鐵尾礦制備微晶玻璃可實(shí)現(xiàn)鐵尾礦中鈣、鎂、鋁和硅有價(jià)組分的高效利用。孫強(qiáng)強(qiáng)[27]等以鐵尾礦為原料制備微晶泡沫玻璃，當(dāng)加入40%的鐵尾礦，在溫度為900 ℃下發(fā)泡30 min，溫度為1 120 ℃下晶化2 h制備的微晶泡沫玻璃的孔徑為 1.6～2 mm，抗壓強(qiáng)度達(dá)到27.22 MPa。為實(shí)現(xiàn)鐵尾礦中Ca、Mg、Al和Si元素的高效利用，南寧[28]等以鐵尾礦為原料采用燒結(jié)工藝制備四元體系的微晶玻璃，當(dāng)溫度為900 ℃下晶化保溫120 min時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性較好。王長(zhǎng)龍[29]等以鐵尾礦和煤矸石為原料制備微晶玻璃，當(dāng)鐵尾礦、煤矸石和其他化學(xué)原料的配比為13∶66∶21時(shí)可制備出普通輝石微晶玻璃，在溫度為697 ℃核化保溫時(shí)間 2 h，然后在1 040 ℃下晶化2 h，此時(shí)微晶玻璃的性能最佳，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到216.49 MPa，耐酸腐蝕為99.21%。王亞利[30]利用鐵尾礦采用燒結(jié)法制備微晶玻璃，尾礦摻雜量比例較高達(dá)到75%，對(duì)實(shí)現(xiàn)鐵尾礦大量利用減少環(huán)境污染具有重要意義。

1.4 鐵尾礦制備多孔陶瓷

鐵尾礦的化學(xué)-礦物學(xué)組成表明它可替代傳統(tǒng)原材料和天然骨料制備陶瓷[31]。CECHIN[32]等以鐵尾礦和高爐爐渣為原料制備陶瓷復(fù)合材料，研究表明該陶瓷復(fù)合材料存在非晶結(jié)構(gòu)，其抗折強(qiáng)度模量為12.19 MPa，吸水率為2%～ 22%，線收縮率為0.02% ～ 6.50%，表觀密度為1.63 ～ 2.03 g·cm-3，該復(fù)合材料可用于砌體、陶瓷砌塊、墻體和地板覆層等建筑材料。LI[33]等以鐵尾礦和粉煤灰為原料，制備具有污水處理功能的多孔人造陶粒濾料，多孔人造陶粒濾料的比表面積、孔隙率和鹽酸溶解度分別為1.185 m2·g-1、62%和0.41%。黃丹丹[34]等采用模壓-燒結(jié)工藝?yán)描F尾礦制備多孔基板，并將制備的鐵尾礦多孔基板應(yīng)用于Co3O4納米材料的合成，制備的鐵尾礦多孔基板可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的基板，實(shí)現(xiàn)了鐵尾礦的高效利用。劉晨[35]等發(fā)現(xiàn)在制備輕質(zhì)淤泥陶粒過程中添加鐵尾礦可明顯提高陶粒的發(fā)泡性能且陶粒氣孔均勻致密，當(dāng)添加10%的鐵尾礦陶粒的吸水率達(dá)到13.34%，堆積密度為0.432 g·cm-3。孫智勇[36]以鐵尾礦為原料采用常壓燒結(jié)法制備多孔陶瓷，當(dāng)鐵尾礦的摻雜量為45%，在1 100 ℃條件下保溫3 h時(shí)，多孔陶瓷的綜合性能最好，此時(shí)多孔陶瓷的抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.45 MPa、體積密度為 0.42 g·cm-3。王明珠[37]采用硫鐵尾礦制備沸石，硫鐵尾礦經(jīng)酸處理后在630 ℃下煅燒3 h后進(jìn)行堿處理可制備出晶體分布均勻的4A沸石立方晶體。

1.5 鐵尾礦制備白炭黑

為了實(shí)現(xiàn)鐵尾礦制備高附加值產(chǎn)品，相關(guān)學(xué)者對(duì)利用鐵尾礦制備白炭黑和介孔二氧化硅材料進(jìn)行了相關(guān)研究，為鐵尾礦中有價(jià)組分硅的高附加值利用提供了新的途徑。于洪浩[38-39]等分別采用常壓堿浸法和熔鹽煅燒酸浸法處理鐵尾礦，常壓堿浸法是鐵尾礦進(jìn)行堿處理后，將鐵尾礦中的SiO2反應(yīng)生成水玻璃后用酸調(diào)節(jié)pH，通過實(shí)驗(yàn)探究當(dāng)鐵尾礦與堿溶液固液比為1∶2、堿浸溫度為110 ℃，堿浸時(shí)間為6 h，用HCl調(diào)節(jié)pH為8～9，即可獲得SiO2含量為92.3%的白炭黑。熔鹽煅燒酸浸法是鐵尾礦、氫氧化鈉和硝酸鈉高溫煅燒，并采用鹽酸進(jìn)行酸化，通過實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)最佳工藝為500 ℃下煅燒3 h，此時(shí)鐵尾礦中SiO2浸出率達(dá)到88.42%，獲得的白炭黑純度為99.30%。張明熹[40]等利用熱堿-酸洗工藝處理鐵尾礦，通過對(duì)工藝條件優(yōu)化可制備出粒徑在50～100 nm之間的納米白炭黑，產(chǎn)率可達(dá)到97.41%。為了實(shí)現(xiàn)鐵尾礦中鐵和硅有價(jià)組分的高效利用，蘇琳[41]等利用鐵尾礦采用酸堿聯(lián)合工藝制備氧化鐵和白炭黑，鐵和硅的浸出率分別達(dá)到91.5%和63.48%，氧化鐵和白炭黑的粒徑分別為1 μm和 150 nm左右。陳安安[42]采用硫酸-氨水-氫氧化鈉法處理鎳鐵尾礦，可制備出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的氫氧化鎂粉末和白炭黑產(chǎn)品。

2 結(jié)論及展望

鐵尾礦中鐵、硅、鈣、鎂和鋁等資源豐富，目前主要應(yīng)用于制備建筑材料、土壤改良劑、微晶玻璃、多孔陶瓷等，在制備白炭黑、介孔分子篩和水玻璃等高附加值產(chǎn)品方面的研究相對(duì)較少。為了實(shí)現(xiàn)鐵尾礦大量高效利用，提出以下幾點(diǎn)建議：

1）利用鐵尾礦制備高附加值產(chǎn)品，以鐵尾礦為主要原料進(jìn)行有價(jià)組分的綜合利用，提高有價(jià)組分在制備新材料方面的研究，如晶須材料、化工染料、吸附材料等。

2）大力推動(dòng)鐵尾礦綜合利用的新工藝和新技術(shù)，以“無(wú)害化”“減量化”為前提，以“資源化”為條件，拓寬鐵尾礦綜合利用領(lǐng)域，做到鐵尾礦“生態(tài)化”治理。

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Research Progress in Preparation of Low Value-added Products From Iron Tailings

1,1,2,3,1

2. Angang Group Mining Design and Research Institute Co., Ltd., Anshan Liaoning 114000, China; Angang Group Mining Company Qidashan Iron Mine, Anshan Liaoning 114000, China;3. Guanbaoshan Mining Co., Ltd., Anshan Liaoning 114000, China)

The resource general situation and comprehensive utilization of iron tailings were introduced. The current research progress of comprehensive utilization of iron tailings was reviewed from the aspects of preparation of building materials, fertilizers and soil conditioners, glass-ceramics, porous ceramics, silica particles. The future research direction of iron tailings utilization was discussed. The use of iron tailings to prepare building materials is the most common way of utilization, mainly used in the manufacture of thermal insulation materials and concrete materials, but there are relatively few studies on the preparation of high value-added products. Therefore, the preparation of high value-added products such as whisker materials, chemical dyes and adsorption materials from iron tailings are the key directions of future research.

Iron tailings; Low value-added products; Research progress

2022-03-25

林巖（1993-），女，碩士研究生，研究方向：化工材料。

TD926.4

A

1004-0935（2023）01-0128-04