銅尾礦綜合利用現狀與展望

朱兵兵,田 鍵,2,朱艷超,2,田 進,申盛偉

(1.湖北大學材料科學與工程學院,武漢 430062; 2.湖北大學天沭新能源材料工業研究設計院,武漢 430062)

銅尾礦綜合利用現狀與展望

朱兵兵1,田 鍵1,2,朱艷超1,2,田 進1,申盛偉1

(1.湖北大學材料科學與工程學院,武漢 430062; 2.湖北大學天沭新能源材料工業研究設計院,武漢 430062)

開展銅尾礦綜合利用,變廢為寶,可緩解資源危機與環境壓力。介紹我國銅尾礦利用現狀,重點總結銅尾礦綜合利用途徑以及最新研究進展,在對各種銅尾礦綜合利用技術總結分析的基礎上,提出對銅尾礦綜合利用發展趨勢的思考。

銅尾礦; 綜合利用; 發展趨勢

礦產資源的開發利用是人類賴以生存和發展的物質基礎,然而礦產資源作為一種不可再生資源,隨著社會經濟的不斷發展和工業化進程的持續加速,對礦產資源的需求量日益加劇,有限的資源日漸枯竭,資源危機已經開始顯現。礦石尾礦是礦石經過磨礦選礦,將有用礦物選出后排出的廢棄物。我國尾礦含有多種脈石礦物,具有量大、顆粒細小、種類多的特點[1],是工業固體廢棄物的主要組成部分。隨著采礦工業的快速發展,礦產資源的大量開采必然導致尾礦的大量排放。尾礦的大量排放不僅占用廣闊的土地資源,而且尾礦引起的環境污染嚴重威脅人類的生存環境與正常生活[2-5],甚至破壞生態系統平衡,現已受到全社會的廣泛關注。隨著礦產資源的大量開發和利用,礦產資源和環境保護的雙重壓力日益加劇,尾礦作為二次資源再利用備受重視[6,7]。目前,我國工業固體廢棄物的綜合利用率為60%左右,但是金屬尾礦的綜合利用率平均不到20%[8]。因此,從我國尾礦資源的實際出發,大力發展尾礦資源綜合利用,對保護和改善生態環境、提高資源利用水平具有十分重要的意義。

銅尾礦作為有色金屬尾礦的重要組成部分,銅尾礦的綜合利用不僅可以緩解銅礦資源壓力,同時可以促進社會經濟發展和生態環境建設,因此銅尾礦資源綜合利用受到全社會高度重視[9,10]。我國銅尾礦含銅品位較高外,粒度細、類型多、成分雜、以氧化銅礦物和鋁硅酸鹽為主是其普遍特征[11]。介紹我國銅尾礦利用現狀,總結銅尾礦綜合利用方法與最新研究進展,在對各種銅尾礦綜合利用技術總結分析的基礎上,提出對銅尾礦綜合利用發展趨勢的思考。

1 銅尾礦利用現狀

我國銅礦資源開發利用歷史悠久,銅尾礦以其龐大的數量及規模,在尾礦領域比較具有代表性。我國銅尾礦資源分布區域廣泛,銅礦尾礦中的銅平均品位估計不低于0.077%[12]。銅尾礦資源中銅的賦存狀態復雜多樣、銅的嵌布粒度細、銅的解離度低,而且銅尾礦中含泥量大[13],這些特點影響銅尾礦回收利用率,加大銅尾礦回收利用難度,制約銅尾礦有效綜合利用技術的發展進步。

據統計[12],到2007年為止,全國銅尾礦的排放總量大約為24億t,且年排放量呈逐年增加的態勢;尤其是近幾年隨著社會經濟的不斷發展和工業化進程的持續加速,尾礦排放速度持續增加,我國2013年尾礦產量達16.49億t,其中銅尾礦3.19億t,占尾礦產量的19.3%[14]。根據我國銅尾礦資源組分含量及其基本特征,目前我國銅尾礦主要利用方式為尾礦回選提取有價成分、采礦填充以及用于制備建筑材料等方面,其中尾礦充填礦山采空區約占尾礦利用總量的53%,尾礦制備建筑材料約占尾礦利用總量的43%,尾礦回選與提取有價成分約占尾礦利用總量的3%。根據銅尾礦目前利用途徑及所占比例分析,我國銅尾礦利用存在綜合利用率不高,利用深度低,利用方式單一等諸多問題。根據銅尾礦的產量以及其物化特性分析,目前簡單單一的利用方式并不能滿足日益加劇的資源壓力與環保要求,只有開展高效、高附加值、深度循環的資源化綜合利用,才能真正地變廢為寶,徹底解決尾礦堆積危害。

2 銅尾礦利用途徑及研究現狀

2.1 銅尾礦回填與復墾

銅尾礦經過適當處理,可作為一種很好的采礦區填充材料,是一種有效的直接利用銅尾礦的途徑。在銅尾礦庫或者在銅尾礦填充地進行適宜性土地復墾,也是一種直接利用銅尾礦的有效途徑。對銅尾礦回填與復墾等直接利用方面的研究主要集中于對填充區與復墾土地的土壤狀況、植被生長狀況、生態環境等方面的研究、分析、評價。李克中等[15]以銅陵林沖尾礦地為例,研究復墾銅尾礦地不同植被恢復下的土壤養分特征,分析挑選尾礦地生態恢復的優勢植被。王友保等[16]調查分析銅陵銅尾礦庫植被狀況,研究發現尾礦庫區的物種多樣性水平偏低,尾礦庫基質較惡劣,并且發現幾種可優先選用于銅尾礦庫治理的物種。王育鵬等[17]研究巢湖底泥改良銅尾礦對豆科植物生長發育及基質無機氮素組分的影響作用,研究分析表明,巢湖底泥可有效改良銅尾礦基質營養條件,促進植物生長。Luís等[18]研究銅尾礦中不同廢棄物對印度芥菜的生長影響情況,研究表明肥堆等廢棄物可以改變尾礦礦山土壤的理化性質,允許印度芥菜植物的生長和發育,實現尾礦植被修復目的。Verónica等[19]研究銅尾礦區土壤質量改善方法,研究發現通過污泥改善尾礦區土壤可以增加土壤中微生物質量,而植被復墾對未被污染區域土壤質量、微生物數量都沒有影響,在尾礦區土壤中定期添加污泥和種植當地豆科植物可以修復改善土壤質量。

2.2 銅尾礦再選與有價成分提取

銅尾礦作為二次資源,在對銅尾礦進行全面的物理化學分析的基礎上,對有再選價值的銅尾礦進行再選處理,提取其中的有價成分。宋磊等[13]研究分析了影響銅尾礦中金屬礦物綜合回收的主要因素,采用預先分級處理、銅礦物表面處理、先硫后氧不脫泥分步硫化浮選等針對性工藝措施,可以有效回收銅尾礦中銅礦物。崔立鳳等[20]在以原礦工藝礦物學研究的基礎,采用先脫硫再浮選的選礦工藝流程回收鎢,獲得含硫48.98%、回收率98.15%的硫精礦,并且獲得含WO355.88%,WO3回收率為80.35%的白鎢精礦。Michel等[21]在集中器中通過浮選回收銅和鈷尾礦中的銅和鈷,銅的最高回收率為44.8%、鈷的最高回收率為88.3%。Maxim I等[22]利用硫酸與生物方法產生的硫酸鐵從轉爐銅渣中提取銅和鋅,獲得鐵的回收率為26.2%,經過處理后最終銅渣中的銅含量為0.13%,鋅含量為3.69%。陳濤[23]等利用浮選和分級沉淀技術回收低品位硫化銅尾礦中的金屬,研究可獲得含Fe 49.13%、Cu 19.53%、Zn 33.48%、Mn 14.10%沉淀物,表明低品位硫化銅尾礦中的金屬也可以通過環保方式回收利用。

2.3 利用銅尾礦制備建筑材料

利用銅尾礦可制備尾礦水泥、裝飾材料、墻體材料等建筑材料,應用于建筑工程和基礎工程中,這也是銅尾礦的一種主要利用途徑。方永浩等[24]研究了配合料組成和成型、蒸養工藝參數對低硅銅尾礦蒸壓灰砂磚力學性能的影響,含65%低硅銅尾礦的配合料在175～190℃蒸壓反應可制得銅尾礦蒸壓砂磚,該砂磚的物理力學性能符合《蒸壓灰砂磚》(GB 11945—1999)MU 15蒸壓灰砂磚的技術要求。黃曉燕等[25]采用銅尾礦、礦渣、水泥熟料與風積砂原料體系制備壓加氣混凝土,研究得到D06級銅尾礦加氣混凝土的絕干密度為610 kg/m2,抗壓強度為4.0 MPa,達到了《蒸壓加氣混凝土砌塊》(GB 11968—2006)規定的D06級加氣混凝土的技術要求。Blessen等[26]研究銅尾礦取代天然骨料制備的銅尾礦混凝土的強度與耐久性,研究表明在水灰比為0.4,0.45與0.5時,銅尾礦可取代60%的天然骨料,制備的銅尾礦混凝土具有良好的強度與耐久性。Obinna等[27]研究銅尾礦對水泥砂漿水化硬化特性的影響,研究表明干銅尾礦影響砂漿的均勻性,而濕銅尾礦對砂漿的均勻性影響較小;水泥砂漿添加銅尾礦可以提高其強度、耐磨性、抗酸、抗Cl-性能,砂漿的吸水率增大;濕銅尾礦添加量為5%時,砂漿性能達到最佳。Saeed等[28]利用銅尾礦制備環保磚,制備工藝中包括銅尾礦與堿溶液混合,加壓成型,升溫固化等過程,其中堿溶液濃度、含水量、形成壓力與固化溫度等因素,影響銅尾礦環保磚的性能,制備的銅尾礦環保磚符合ASTM相關要求。

3 銅尾礦綜合利用發展趨勢及思考

3.1 銅尾礦綜合利用發展趨勢

目前階段,銅尾礦利用主要集中于尾礦回填采礦區,尾礦重選與提取有價成分,制備水泥、免燒磚、混凝土等建筑材料方面,存在利用率不高、利用深度低、利用方式單一等問題。隨著銅尾礦排放量持續增加與環境壓力日益加劇,迫切需要一種高效、高附加值、深度資源化綜合利用處理方式,真正變廢為寶,徹底解決銅尾礦堆積問題。這種高效、高附加值、深度循環資源化綜合利用方式的研究應用,有助于提高尾礦綜合利用水平,節約自然資源,有利于保護和改善生態環境,具有重要的社會效益與環境效益。

3.2 銅尾礦綜合利用方式的思考

針對目前銅尾礦綜合利用存在的利用率不高、利用深度低、利用方式單一等問題,筆者課題組提出一種高效、高附加值、深度循環的資源化綜合利用處理方式,真正做到變廢為寶,徹底解決銅尾礦堆積問題。通過對銅尾礦進行全面物理化學特性分析,研究銅尾礦中有價金屬的存在形式及離析、提取機理,采用干式分級分選出銅尾礦中的有價金屬;分析研究銅尾礦物料的顆粒特性,利用表面能、機械能及化學能優化匹配循環遞減共性粉磨技術,制備銅尾礦再生渣微粉;通過單因素實驗研究方法,優化配料比,簡化制備工藝,制備干壓銅尾礦再生渣微粉免燒磚;探究銅尾礦再生渣對加氣混凝土性能影響,優化配合比,制備銅尾礦加氣混凝土。該設計思路的實施將實現銅尾礦零排放,節約土地資源,有助于提高銅尾礦的利用率和附加值,促進相關建材行業的創新發展,將產生巨大的經濟效益、社會效益和環境效益。

3.3 銅尾礦綜合利用發展展望

銅尾礦的大量排放堆積,不僅侵占土地資源,而且會引起環境污染,嚴重威脅人類生存環境與日常生活。面臨資源危機與環境污染的雙重壓力,銅尾礦利用處理方式必將由簡單單一、低值利用轉變為高效、高附加值、深度資源化綜合利用,實現銅尾礦零排放、零堆積。銅尾礦高效、高附加值的深度資源化利用方式,節約自然資源,有助于提高尾礦資源綜合利用水平,有利于緩解資源危機與環境壓力,必將取代傳統簡單的銅尾礦處理方式,具有顯著的發展優勢與廣闊的發展前景。

4 結 論

a.我國尾礦大量排放堆積,綜合利用率較低。

b.銅尾礦主要用于回填采礦區、尾礦重選與有價成分提取以及制備建筑材料等方面。

c.銅尾礦利用處理方式存在利用率不高、方式單一、利用深度低等問題。

d.銅尾礦高效、高附加值深度資源化綜合利用方式,具有顯著的發展優勢與廣闊的發展前景。

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Current Situation and Prospect of Comprehensive Utilization of Copper Mine Tailings

ZHU Bing-bing1,TIAN Jian1,2,ZHU Yan-chao1,2,TIAN Jin1,SHEN Sheng-wei1
(1.College of Materials Science and Engineering,Hubei University,Wuhan 430062,China;2.Tianshu New Energy Materials Industry Research&Development Institute,Hubei University,Wuhan 430062,China)

The comprehensive utilization of copper mine tailings can make waste to treasure,and alleviate the energy crisis and environment pressure.In this article,the current situation of utilization of copper mine tailings is introduced, and the research of comprehensive utilization of copper mine tailings is highlighted.Based on summary and analysis of various utilization technologies,the prospect of comprehensive utilization of copper mine tailings is put forward.

copper mine tailing; comprehensive utilization; development trend

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.020

2015-08-05.

湖北省重大科技創新計劃項目(2014ACA042)和湖北省科技支撐計劃項目(2013BCA025).

朱兵兵(1990-),碩士生.E-mail:zbb-1201@sohu.com