晏全香

(福州大學(xué)紫金礦業(yè)學(xué)院，福建福州 350108)

隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用，引發(fā)的環(huán)境污染己成為不可忽視的重大問題。礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的尾礦、煤矸石、粉煤灰和冶煉礦渣，己成為我國排放量最大的工業(yè)固體廢棄物，約占總量的80%。大量礦產(chǎn)固體廢棄物排放，占用了寶貴的土地資源，造成生態(tài)環(huán)境惡化，同時(shí)也造成大量金屬與非金屬資源的流失，礦山排出的固體廢棄物亟待治理利用。礦產(chǎn)固體廢棄物己成為重要的污染源，對(duì)其綜合利用，以利用促治理，使之資源化，實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，已成為當(dāng)務(wù)之急。

1 尾礦鋁硅酸鹽回收利用現(xiàn)狀

冶金、工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的尾礦、粉煤灰、冶煉礦渣等，是目前危害嚴(yán)重的固體廢棄物二次資源。它們是極嚴(yán)重的污染源，但也具有綜合利用價(jià)值，其中含有大量可被利用的金屬、非金屬元素。這些廢棄物中的大半，甚至90%以上的非金屬組分更是極少開發(fā)利用，而這90%以上礦物組分都以鋁硅酸鹽形式存在。鋁硅酸鹽類礦物是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的復(fù)合礦物原料，可以作為建材、陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料等新的資源。對(duì)其進(jìn)行綜合利用，不僅可以實(shí)現(xiàn)污染物的減量化和無害化，而且變廢為寶，化害為利，既有顯著的環(huán)境效益，也有直接的經(jīng)濟(jì)利益。

二次資源回收包括金屬有價(jià)成分回收和鋁硅酸鹽類綜合回收，這是目前最理想的回收利用途徑。據(jù)國內(nèi)外開發(fā)利用尾礦總的途徑來看，也主要是尾礦的有價(jià)成分再選和尾礦的整體利用。這一利用途徑的實(shí)施，可在原有選礦工藝設(shè)備基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)工藝流程、選礦設(shè)備或增加部分流程和設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。有時(shí)需建立二次選廠，以新的工藝流程和設(shè)備來回收。一些國家在金屬尾礦再選與有價(jià)元素的綜合回收方面成就突出。美國、前蘇聯(lián)等國家在鐵選廠的尾礦中回收有價(jià)金屬均取得了顯著成績。自80年代末特別是90年代以來，我國一些礦山企業(yè)從提高經(jīng)濟(jì)效益考慮，陸續(xù)建成了一些鐵尾礦回收選廠，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。比如，鞍鋼西尾礦庫于1990年已停止使用，庫內(nèi)堆積浮選鐵尾礦1 870萬t、瓦斯泥及粉煤灰混合物540. 9萬t。鞍鋼礦山公司設(shè)計(jì)院對(duì)此尾礦庫尾礦進(jìn)行分析和探討，采用不同的途徑對(duì)庫內(nèi)的瓦斯泥、粉煤灰和浮選鐵尾礦進(jìn)行有價(jià)元素的回收，并獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

另外，一些部門也在開展制造高附價(jià)值的尾礦產(chǎn)品，包括尾礦再選產(chǎn)品的深加工，制造各種功能材料、復(fù)合材料、光學(xué)制品、化工產(chǎn)品、玻璃制品等，也包括無再選價(jià)值尾礦的整體利用產(chǎn)品，根據(jù)尾礦的化學(xué)成分、礦物成分、粒度特性、工藝性能，制造高附加值的微晶玻璃、?；u、建筑陶瓷、工美和日用陶瓷、鑄石和水泥等。

2 整體處理用作建筑材料

前蘇聯(lián)等許多國家，鋁硅酸鹽類尾礦被大量用作建材原料。由于尾礦在類型、粒度、物理化學(xué)性質(zhì)等方面的差異，它們在工程建筑方面可有不同的用途。例如，塊狀尾礦可用作鐵路道渣、混凝土骨料，細(xì)粒尾礦被用作混凝土細(xì)骨料、砂漿等，有些尾礦可用作制造建筑陶瓷、免燒磚、水泥等。

2.1 混凝土骨料

中國尚處于現(xiàn)代化建設(shè)過程中，眾多工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活設(shè)施需要建設(shè)，每年消耗大量的混凝土?；炷恋墓橇现饕獊碓从诓墒瘓龊秃拥溃瑖?yán)重破壞了自然環(huán)境并影響到航運(yùn)的安全。如果將鐵礦選礦廠的尾礦進(jìn)行篩分，分成不同粒級(jí)，用來代替砂石作為混凝土的骨料使用，不僅可以緩解采石和采砂造成的環(huán)境破壞問題，而且還可節(jié)省大量尾礦的堆積維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)銷售尾礦砂還能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。眾多選礦廠和學(xué)者對(duì)尾礦砂作為骨料進(jìn)行了研究，例如舞陽礦業(yè)公司的馬茂君等人，對(duì)公司堆存的尾礦和圍巖是否可以作為混凝土骨料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，配制的混凝土完全滿足設(shè)計(jì)要求，1年可創(chuàng)造直接和間接經(jīng)濟(jì)效益1 320萬元。

首鋼礦業(yè)公司水廠選礦廠為滿足市場需求，專門建立了尾礦“中砂”生產(chǎn)線[9]，配置了水洗設(shè)備，對(duì)尾礦砂進(jìn)行3道水洗篩分，生產(chǎn)的建筑用砂銷往天津和周邊市場。按照現(xiàn)有“中砂”生產(chǎn)能力，綜合年經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)500萬元，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分可觀。

除礦山尾礦可以二次開發(fā)利用外，其他工業(yè)廢棄物也可經(jīng)加工處理再利用。把多種不同種類的固體廢棄物采用物理或化學(xué)方法復(fù)合，就可制成各種各樣的固體廢棄物復(fù)合材料，可提高附加值。二次資源復(fù)合材料是20世紀(jì)90年代初提出一種廢物資源化的概念。聚合物基二次資源復(fù)合材料是對(duì)工業(yè)固體廢棄物(如鑄造廢砂、尾礦、爐渣、粉煤灰)進(jìn)行一定處理(粒度處理、表面活化處理)后作為增強(qiáng)材料；把廢舊熱塑性塑料(PE、PP、PS、PVC)經(jīng)過破碎處理作為基體材料，再配以適當(dāng)?shù)奶砑觿?，?jīng)塑化復(fù)合而成。固體廢棄物種類和性質(zhì)不同，需要采用不同的配方并調(diào)整工藝參數(shù)，均可制備出具有使用價(jià)值的復(fù)合材料。這種材料既具有高分子聚合物的韌性，也具有無機(jī)非金屬材料的穩(wěn)定性和剛度，可在廣泛領(lǐng)域替代塑料、陶瓷、混凝土和木材制品。

2.2 制磚材料

由于實(shí)心黏土磚需要使用大量的黏土，不僅破壞了環(huán)境，也減少了有限的耕地，國家開始制定法規(guī)來限制生產(chǎn)使用實(shí)心黏土磚。2005年底，國家發(fā)改委等四部委發(fā)布公告，要求256個(gè)城市在2008年底前禁止使用實(shí)心黏土磚。這使尾礦中鋁硅酸鹽礦物大有可利用價(jià)值。免燒磚，又稱灰砂磚或鈣化磚，以比重較輕的細(xì)粒鋁硅酸鹽礦物為主要原料，經(jīng)鈣化處理而獲得，可廣泛用于工業(yè)或民用建筑業(yè)中。鋁硅酸鹽鑄石制品，以鐵硅質(zhì)尾礦和鐵、鎂、鈣含量較高的復(fù)成分尾礦為主要原料，制成耐磨、耐腐蝕、擠壓和絕緣性好的鑄石制品，能代替金屬和合金材料。

硅酸鹽基二次資源復(fù)合材料是以工業(yè)廢渣(廢砂、尾礦、爐渣、粉煤灰)為主要原料，通過石灰和添加劑的合理配合，在濕熱條件下激發(fā)二次資源的潛在活性，生成CSH、CAH類膠凝礦物。這種新生的膠凝礦物是復(fù)合材料的基質(zhì)材料，沒有參與反應(yīng)的核心顆粒就變成了強(qiáng)化的骨架材料。這種復(fù)合材料的原理與我國傳統(tǒng)的蒸壓磚十分相似，不同之處在于配料上需要對(duì)二次資源進(jìn)行活化處理，以最大限度發(fā)揮鈣質(zhì)材料的作用。用這種技術(shù)來處理二次資源，最終制品是建筑墻體磚，可以大批量地消耗工業(yè)廢渣。

梅山礦業(yè)公司與與科研院所合作，對(duì)堆存的鐵礦尾礦性質(zhì)進(jìn)行研究，并進(jìn)行了細(xì)粒尾礦作為黏土替代品燒制磚瓦的工業(yè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，產(chǎn)品質(zhì)量滿足要求。如能建成3條生產(chǎn)線，可以消耗梅山鐵礦1年產(chǎn)生的全部尾礦90萬t，實(shí)現(xiàn)無尾礦山的目標(biāo)。山東理工大學(xué)的劉鳳春等人對(duì)金嶺鐵礦尾礦進(jìn)行分析研究，將其與爐渣、河砂以及石灰按照不同的比例混合后制成了免蒸免燒磚。

2.3 尾礦硅酸鹽水泥填充料

經(jīng)過廣大科技工作者和水泥企業(yè)的研究和實(shí)踐，粉煤灰、礦渣、硅灰、偏高嶺土已經(jīng)作為活性混合材成為水泥生產(chǎn)不可缺少的組分，其中，我國每年產(chǎn)生的9000多萬t礦渣已全部用來生產(chǎn)礦渣水泥或礦渣微粉。山東棗莊某水泥廠采用鐵礦尾礦來部分代替鐵礦粉生產(chǎn)水泥，生料易磨性好，熟料上火快、窯利用率高。不僅產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo)，而且單位能耗和生產(chǎn)成本下降明顯，在增加了年產(chǎn)量的同時(shí)，還降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

山東冶金科學(xué)研究院利用從劉嶺鐵礦尾礦中回收的品位大于20%的含鐵物料，不再進(jìn)行磨選鐵精礦，而是代替部分黏土質(zhì)原料生產(chǎn)硅酸鹽水泥，使尾礦排放量減少至43.52%，鐵的回收率由70.89%提高到84.62%。不僅減少了水泥生料配料中鐵礦粉的用量，而且降低了生料粉磨能耗，實(shí)現(xiàn)了資源開發(fā)利用的優(yōu)化配置，對(duì)減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。

2.4 微晶玻璃和陶瓷原料

玻璃陶瓷基二次資源復(fù)合材料是以工業(yè)廢渣(廢砂、廢玻璃、爐渣、粉煤灰)為主要原料，采用燒結(jié)工藝復(fù)合而成；其基體相是燒結(jié)產(chǎn)生的玻璃體，增強(qiáng)相是高溫不熔顆粒以及在熱處理過程中形成的玻璃微晶，這種材料的性能接近微晶玻璃，但工藝要簡單得多，可替代陶瓷和天然石材作為建筑裝飾材料使用。

利用尾礦生產(chǎn)微晶玻璃是一種高附加值的尾礦利用。這是目前尾礦整體利用層次最高的產(chǎn)品，以鋁硅酸鹽礦物為主要原料制成，廣泛用于建筑裝飾業(yè)，被譽(yù)為21世紀(jì)的建筑材料。在20世紀(jì)70年代，國際上迅速發(fā)展起來的微晶玻璃材料，具有玻璃和陶瓷的優(yōu)點(diǎn)，兼有常規(guī)材料不能達(dá)到的物理性能，但又不同于玻璃和陶瓷，具有優(yōu)良的耐腐蝕、抗氧化、低膨脹系數(shù)等性質(zhì)，廣泛用于電子、化工、軍事、航天、核工業(yè)和建筑等領(lǐng)域。

建筑微晶玻璃最主要的成分就是SiO2，尾礦中又含有大量的SiO2，其他成分也在玻璃形成范圍內(nèi)。劉軍等利用尾礦進(jìn)行了生產(chǎn)建筑微晶玻璃的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，利用尾礦可以生產(chǎn)建筑微晶玻璃，尾礦摻量達(dá)65%以上，而且可采用的復(fù)合晶核劑種類較多，范圍較廣。河北理工大學(xué)張錦瑞教授對(duì)唐山地區(qū)的鐵尾礦成分進(jìn)行了分析，選擇合理的熱處理工藝來利用鐵尾礦試制微晶玻璃。有些金屬尾礦的成分與陶瓷的坯體成分非常相似，許多單位已成功的生產(chǎn)出陶瓷釉面磚、屋面瓦、彩釉墻地磚、瓶罐玻璃、色玻璃、光敏玻璃和平板玻璃等。

3 其他用途

由于尾礦中含有多種非金屬礦物，如硅石或石英、長石及各類黏土或高嶺土、白云石或石灰石、蛇紋石等，這些都是較高價(jià)值的非金屬礦物資源。例如東鞍山鐵礦每年從尾礦中不僅可回收鐵精礦5.14×105t，還可以回收硅石粉4.73×105t，每年尾礦利用的純經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到664. 4萬元，而且尾礦管理費(fèi)減少30%。

部分礦渣可以直接填充采空區(qū)，充當(dāng)井下填料一般都是將尾礦作為膠結(jié)充填料中的骨料，用水泥固化處理后再進(jìn)行填充。解決塌陷區(qū)潛在危險(xiǎn)，并使尾礦庫得到徹底的治理，解決了這兩個(gè)重大危險(xiǎn)源并再造耕地面積，美化了環(huán)境。

另外，也可用作礦物肥料或土壤改良劑。尾礦肥料，從含微量元素的尾礦和含鈣、鎂、錳、磷、鉀等組分較高的尾礦中獲得，要注意有無污染組分和放射性組分等。這些尾礦含有某些植物生長所需的微量元素，將尾礦適當(dāng)加工，施于土壤中，起到了施鉀肥、磷肥、微量元素肥的作用。尾礦往往可用作土壤改良劑，例如含鈣尾礦適量施于酸性土壤，可達(dá)到中和酸性、改良土壤的目的。

用于井下充填或造地復(fù)田，這是尾礦開發(fā)利用最常見的形式，也是尾礦消耗量較大的領(lǐng)域，對(duì)開發(fā)土地資源、減少尾礦污染及改善礦山環(huán)境均有積極意義。

4 結(jié)語

尾礦利用是礦山實(shí)現(xiàn)無尾化過程的最有效途徑，是礦山實(shí)現(xiàn)尾礦資源化、無害化最有前景的發(fā)展方向，不僅可以使礦產(chǎn)資源得到充分利用，解決生態(tài)環(huán)境污染問題，還可以產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益。但從目前幾種尾礦二次資源復(fù)合材料的形成機(jī)理、制備工藝、材料性能上看，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)尾礦等固體廢物數(shù)量巨大、急待處理和高附加值利用的迫切需要，必須拓展研究領(lǐng)域，開發(fā)新型的二次資源復(fù)合材料。

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