鐵尾礦規模化利用研究現狀及其利用途徑

劉愛平，曹苗佳，張雄濤

（華北理工大學材料科學與工程學院，河北 唐山 063210）

我國的鋼鐵等重工業正在迅猛發展，經濟飛速發展的同時，也帶來了不容忽視的環境問題，其中一大問題則是我國的尾礦庫數量及尾礦堆存量巨大，還呈現不斷上升的趨勢。據調查，目前的尾礦廢渣量高達十幾億噸，處理不當，利用率低，并且逐年增加上億噸，不光是許多礦山企業頭疼的問題，也給環境帶來了沉重的負擔。主要表現在：

①破壞土壤結構。由于鐵尾礦數量巨大，因此只得堆放在露天，長期直接與土地接觸，再加上自然條件作用，極容易使鐵尾礦中的有害物質進入土壤，長此以往，改變了土壤的酸堿性，穩定性，孔結構，濕度等，不利于農作物的種植。②污染水源。在自然環境下，鐵尾礦由于雨水沖刷，易隨水流匯入河流、湖泊等自然水源，鐵尾礦中含有重金屬物質，會打破水中生態平衡，水質改變、富營養化等嚴重問題隨之而來，魚群等水生生物也會受到污染，流入生物鏈，最終的受害者還是我們自己。③大氣受到污染。研究發現，與空氣接觸的鐵尾礦除了自身的揮發，粉末的隨風飄散，還會與空氣中物質發生化學反應，進而釋放對植物、動物、人體有害的氣體。④浪費土地資源。巨量的鐵尾礦產生量，使得礦山企業不得不征用那些用來種植農作物的高產量土地以及種植樹木的土壤肥沃的土地，并且征用的土地面積有增無減，致使當地的糧食生產總量下降。⑤安全隱患。由于鐵尾礦露天而放，加之雨水沖刷，風化等原因，使得鐵尾礦堆松弛，若發生塌方等事故，后果不堪設想。⑥資源浪費。目前國內外都重視了固體廢物的利用，以鐵尾礦為主要原料在建筑材料、陶瓷、再選富集等領域都開辟了道路，所以要加快研究，提高鐵尾礦的利用率。

綜上所述，鐵尾礦的綜合利用研究在變廢為寶產生經濟效益的同時，更能走可持續發展的道路，為后代創造綠水青山。

1 國內研究現狀

鐵尾礦是選礦后的廢棄物，是工業固體廢棄物的主要組成部分。隨著礦山企業的不斷發展，鐵尾礦的堆存量越來越多。大量尾礦帶來的危害促使國家制定相應措施，提倡礦山企業及鋼鐵工業對固體廢棄物的綜合利用，其中的鐵尾礦因占比多所以成為重要的研究對象。對鐵尾礦的處理已經成為礦山企業的發展的包袱。目前國內的研究利用主要體現在建筑材料、再選富集、陶瓷、土壤修復治理、微晶玻璃、礦渣纖維調質劑等方面。

目前的研究熱點主要集中在利用鐵尾礦制備建筑制品方面。楊傳猛[1]首先系統的分析了鐵尾礦的獨有特性：鐵尾礦的主要礦物組成為斜綠泥石 ((Mg, Fe)6(Si, Al)4O10(OH)8)、方解石(CaCO3)、石英(Si02)、赤鐵礦(Fe2O3)和黃鐵礦(FeS2)等，其中斜綠泥石的存在使得鐵尾礦具有較好的可塑性。以此為基礎，以鐵尾礦為主要原料，研究燒制了燒結磚和燒結陶粒的工藝，并對燒結磚和陶粒的性能進行了以下方面的分析。①對尾礦磚性能分析，結果表明：當燒結溫度在900℃~1000℃時，尾礦磚的吸水率在13%~18%之間，抗壓強度大，體積密度高，且質量損失小。②對陶粒性能分析，結果表明：鐵尾礦占比可達30%，堆積密度和表觀密度小，且膨脹系數均大于1，為符合國家標準的陶粒。

唐可[2]等人研究鐵尾礦砂對混凝土的流動性、粘聚性、保水性、力學性能及混凝土抵抗自身和自然環境雙重因素長期破壞作用能力的影響。發現當鐵尾礦砂摻量為25%～50%時，混凝土的和易性和力學性能隨鐵尾礦的增加而增強。當鐵尾礦砂摻量為75%時，檢測到混凝土的質量變化幅度最小，使得混凝土的密實性顯著提高，結構不易破壞，增加了混凝土的使用周期，還有利于抑制水分及硫酸鹽的侵入。

陳永亮[3]等人以鐵尾礦為主要原料，通過添加造孔劑、粘結劑和助熔劑來制備輕質保溫墻體材料。結果表明，鐵尾礦的最佳摻量可達46%，當燒結溫度為900℃時，通過綜合差熱分析(TGDSC)、X射線衍射分析(XRD)和掃描電子顯微鏡分析(SEM)，得到體積密度、抗壓強度、開口氣孔率和導熱系數分別為1.23g/cm~3g/cm、7.6MPa、45.54%和0.293W/(m·K)的符合國家標準的輕質保溫墻體材料。

由于傳統公路建設所需材料價格日益增長，所以要開發價格更為低廉的建設原料，吳進[4]則以鞍山地區齊大山鐵尾礦砂為研究對象,通過測定其粗細程度、表觀密度及集料各級粒徑顆粒的分配情況等工程技術指標，發現鐵尾礦砂可以用于建設公路，且鐵尾礦堆存量大，價格不高，可以在公路建設領域廣泛應用。

2 國外研究現狀

在國外鐵尾礦等因礦山企業和鋼鐵企業產生的固體廢棄物堆存量也相當巨大，但在國外對于鐵尾礦的綜合利用起步早，國家重視尾礦的處理及合理利用問題，在70年代，一些經濟發達且重視環境保護的國家就已經為固體廢棄物的堆存制定了相關的法律法規，改善了當地的土壤、水質、空氣等對人類至關重要的生存條件，不光如此，國外在有價成分的回收，建筑原料、路基材料、土地利用、土壤改良等領域取得了明顯的成效。

像德國、美國、澳大利亞等國家雖然地廣人稀，但卻注重土地的利用率。鐵尾礦的堆存改變了土壤的鹽堿性，但經過對鐵尾礦中的化學成分分析可知，其含有十分之一左右的鐵，若加入一定比例的氮、磷、鉀等植物需要量和收獲時帶走量較多的營養元素，組成復合肥，可使種植的農作物生長健壯，莖稈粗硬，增強病蟲害和抗倒伏的抵抗能力。而且經研究表明，在鐵尾礦上種植植物也有減少水土流失的作用，降低了鐵尾礦堆的安全隱患。

在國外鐵尾礦應用于建筑材料方面越來越廣泛。俄羅斯利用鐵尾礦生產建筑材料占鐵尾礦綜合利用的60%左右，生產出的微晶玻璃、耐化學腐蝕玻璃、膠結料等都具有較高的機械強度。

除了應用于建筑材料方面，在建筑墻體材料方面也得到了研究和應用，其中加拿大國家在此領域處于領先地位，以鐵尾礦為主要原料再加上粘結劑生產出的硅磚硬度大，已廣泛用于建筑墻體領域。

針對鐵尾礦中有價成分的回收，美國做了大量研究，回收的石英等礦物可二次應用于各個領域。又通過對鐵尾礦自身硬度、韌性、抗拉強度和耐久性的系統分析，得出鐵尾礦可作路基材料的結論。

3 鐵尾礦的利用途徑

（1）制備陶粒。為解決鐵尾礦帶來的環境壓力和資源堆存浪費等問題，以鐵尾礦為主要原料制備陶粒已經成為一條解決途徑。隨著鐵尾礦的加入，可使燒結陶粒的吸水率、膨脹率均升高, 筒壓強度和堆積密度總體均降低。

（2）建筑材料。①加氣混凝土。在以鐵尾礦為主要原料制備加氣混凝土方面，經實驗研究表明，鐵尾礦的加入可使加氣混凝土內部的小氣孔和微孔變得致密，質輕的特點可減輕建筑物自重，提高了加氣混凝土的防火、隔音、保溫、抗滲、抗震等性能。②尾礦瓷質磚。由于鐵尾礦中鐵、鈣含量較高,其可與原料中的石英及硅鋁酸鹽反應形成低共熔物,促進坯體的燒結致密。③水泥混凝土。鐵尾礦砂可提高混凝土密實性，適量鐵尾礦微粉的摻加使得硬化體內部缺陷減少,增大密實度,減少水分及硫酸鹽的侵入,抑制混凝土結構的破壞。

（3）再選富集。通過對鐵尾礦成分的分析，可確定對有效成分的回收利用，提高了鋅鉬混合精礦、硫精礦、鐵精礦的利用率。

（4）陶瓷。鐵尾礦中的主晶相石英因溶解于液相而使陶瓷衍射峰明顯變弱,同時可使燒結體結構緊密,強度顯著提高，顯氣孔率下降、孔徑變小,體積密度和抗壓強度增大、孔壁變厚。

（5）土壤化。利用生物技術改性鐵尾礦的酸堿度、濕度、穩定性、孔結構等進行鐵尾礦土壤化利用，并滿足使用要求。

（6）微晶玻璃。鐵尾礦的加入，提高了微晶玻璃的抗折強度、密度、耐酸性及耐堿性。

（7）礦渣纖維調質劑。隨著鐵尾礦加入量的增加，調質熔渣的黏度系數不斷增加致使流動性降低，適宜的成纖溫度范圍變大,鐵尾礦有利于改善高爐渣的成纖性能。