利用鐵尾礦制備低附加值產品研究進展

林巖，郭客，張東，苑慶波，周麗

利用鐵尾礦制備低附加值產品研究進展

林巖1*，郭客1，張東2，苑慶波3，周麗1

（1. 鞍鋼集團礦業設計研究院有限公司，遼寧 鞍山 114000；2. 鞍鋼集團礦業公司齊大山鐵礦，遼寧 鞍山 114000； 3. 關寶山礦業有限公司，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、白炭黑等幾個方面綜述了目前鐵尾礦綜合利用的研究進展，并淺談未來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，在制備高附加值產品方面的研究相對較少。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品是未來研究的重點方向。

鐵尾礦；低附加值產品；研究進展

近年來，隨著鋼鐵工業的快速發展，工業廢氣、廢水和廢渣的數量逐年增加[1]。其中，采礦業是全球經濟發展的基石，隨著人們對金屬資源需求的增加，對礦產資源的開采也隨之增加。同時，尾砂排放的增加導致大量尾砂的無序堆積，已成為全球性的安全問題和環境挑戰[2]。世界每年排放的鐵尾礦和廢石超過100億t，中國鐵礦石資源稀缺，鐵礦石年產量約為15億t，而鐵礦石尾礦庫年產量高達10億t[3]。鐵尾礦是一種重要的工業固體廢物，我國鐵尾礦的利用率很低，鐵尾礦通常儲存在尾礦壩中，占地面積大，管理成本高，鐵尾礦粒度細，會導致粉塵，威脅礦區及其周邊的生態環境，已成為制約社會可持續發展的主要因素之一[4-7]。因此，如何實現鐵尾礦的有效利用，對改善生態環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狀

我國鐵尾礦的種類繁多，其主要成分為SiO2、Fe2O3、MgO、CaO和Al2O3等[8]，鐵尾礦中含有大量有價組分未被充分利用。鐵尾礦中有價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品。

1.1 鐵尾礦制備建筑材料

近年來，隨著資源短缺和環境保護意識的增強，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]。其優點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保溫墻體材料，發現當鐵尾礦、水泥、膨脹珍珠巖、激發劑質量比為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，當鐵尾礦摻雜量為40%～55%時，其導熱系數較低為0.09 W·(m·K)-1，防火等級達到A級。張鶯[13]以鐵尾礦中云母與長石為原料制備的保溫材料，當云母與長石的配料為1∶1，制備出較低導熱系數0.084 W·(m·K)-1的保溫材料。王應燦[14]等采用鐵尾礦和廢舊聚苯乙烯泡沫為原料制備出導熱系數為0.109 W·(m·K)-1輕質隔熱保溫材料。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熱系數小于0.231 W·(m·K)-1的輕質保溫材料。

綜上所述，利用鐵尾礦制備的保溫材料導熱系數較低，保溫性能好，且鐵尾礦的摻雜比例可達到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，當主要原料的配比為60∶75∶12∶1時，該混凝土砌塊的密度達到 600 kg·m-3。羅力[17]等以鐵尾礦為原料制備水泥熟料，當鐵尾礦與水泥的摻雜量為17∶75時，水泥強度達到42.5等級。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，通過實驗發現當鐵尾礦摻雜量為55.51%時，活性粉末混凝土的抗壓強度可達到152.6 MPa。田景松[19]將鐵尾礦砂和機制砂按不同比例混合，制備混凝土滿足現在施工技術要求。時彥寧[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，當鐵尾礦摻雜量為60.97%，水固比為0.1，其抗壓強度7天達到12.14 MPa。鐵礦尾礦在選礦過程中作為廢棄物排放，引發了一系列的環境問題。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超高性能混凝土抗壓強度和滲透性的影響，當鐵尾礦替代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將鐵尾礦的酸堿度、水分、孔隙結構改造成與普通土壤具有同等儲存水分、養分和空氣能力的土壤，為植物提供更理想的生長環境。近年來，研究者們采取了一系列合理有效的措施來改善采礦活動破壞的生態系統[23]。CUI[23]等針對遼寧鞍山鐵尾礦進行了為期105天的土壤改良試驗，結果表明，尾礦利用技術的應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。尾礦肥力逐漸達到中、高水平，為植物提供了較為理想的生長環境。付文昊[24]等采用不同土壤改良模式對鐵尾礦進行土壤改良，結果發現鐵尾礦土壤改良后有機質、氮、鉀和鎂元素的含量增加。楊孝勇[25]針對鐵尾礦的新型鹽堿地的復合改良劑進行研究，發現改良劑鐵尾礦、脫硫石膏、碎秸稈、生物炭、有機肥的質量比為40∶10∶10∶3∶3時效果最佳。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及二級以下公路建設。

1.3 鐵尾礦制備微晶玻璃

利用鐵尾礦制備微晶玻璃可實現鐵尾礦中鈣、鎂、鋁和硅有價組分的高效利用。孫強強[27]等以鐵尾礦為原料制備微晶泡沫玻璃，當加入40%的鐵尾礦，在溫度為900 ℃下發泡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，抗壓強度達到27.22 MPa。為實現鐵尾礦中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工藝制備四元體系的微晶玻璃，當溫度為900 ℃下晶化保溫120 min時，其抗壓強度和化學穩定性較好。王長龍[29]等以鐵尾礦和煤矸石為原料制備微晶玻璃，當鐵尾礦、煤矸石和其他化學原料的配比為13∶66∶21時可制備出普通輝石微晶玻璃，在溫度為697 ℃核化保溫時間 2 h，然后在1 040 ℃下晶化2 h，此時微晶玻璃的性能最佳，其抗壓強度達到216.49 MPa，耐酸腐蝕為99.21%。王亞利[30]利用鐵尾礦采用燒結法制備微晶玻璃，尾礦摻雜量比例較高達到75%，對實現鐵尾礦大量利用減少環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-礦物學組成表明它可替代傳統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合材料，研究表明該陶瓷復合材料存在非晶結構，其抗折強度模量為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-燒結工藝利用鐵尾礦制備多孔基板，并將制備的鐵尾礦多孔基板應用于Co3O4納米材料的合成，制備的鐵尾礦多孔基板可代替傳統的基板，實現了鐵尾礦的高效利用。劉晨[35]等發現在制備輕質淤泥陶粒過程中添加鐵尾礦可明顯提高陶粒的發泡性能且陶粒氣孔均勻致密，當添加10%的鐵尾礦陶粒的吸水率達到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法制備多孔陶瓷，當鐵尾礦的摻雜量為45%，在1 100 ℃條件下保溫3 h時，多孔陶瓷的綜合性能最好，此時多孔陶瓷的抗壓強度達到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，硫鐵尾礦經酸處理后在630 ℃下煅燒3 h后進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

為了實現鐵尾礦制備高附加值產品，相關學者對利用鐵尾礦制備白炭黑和介孔二氧化硅材料進行了相關研究，為鐵尾礦中有價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行堿處理后，將鐵尾礦中的SiO2反應生成水玻璃后用酸調節pH，通過實驗探究當鐵尾礦與堿溶液固液比為1∶2、堿浸溫度為110 ℃，堿浸時間為6 h，用HCl調節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，并采用鹽酸進行酸化，通過實驗探究發現最佳工藝為500 ℃下煅燒3 h，此時鐵尾礦中SiO2浸出率達到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，通過對工藝條件優化可制備出粒徑在50～100 nm之間的納米白炭黑，產率可達到97.41%。為了實現鐵尾礦中鐵和硅有價組分的高效利用，蘇琳[41]等利用鐵尾礦采用酸堿聯合工藝制備氧化鐵和白炭黑，鐵和硅的浸出率分別達到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，可制備出符合國家標準的氫氧化鎂粉末和白炭黑產品。

2 結論及展望

鐵尾礦中鐵、硅、鈣、鎂和鋁等資源豐富，目前主要應用于制備建筑材料、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品方面的研究相對較少。為了實現鐵尾礦大量高效利用，提出以下幾點建議：

1）利用鐵尾礦制備高附加值產品，以鐵尾礦為主要原料進行有價組分的綜合利用，提高有價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）大力推動鐵尾礦綜合利用的新工藝和新技術，以“無害化”“減量化”為前提，以“資源化”為條件，拓寬鐵尾礦綜合利用領域，做到鐵尾礦“生態化”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