論黃鈉鐵礬渣資源化利用

楊德駿，陳云嫩

（江西理工大學江西省礦冶環境污染控制重點實驗室，江西 贛州 341000）

紅土鎳礦是一種重要的金屬礦產資源，具有分布廣、提煉成本低、工藝簡單且成熟等特性，被廣泛用于濕法鎳、鈷冶金生產中。由于紅土鎳礦難以通過選礦提高礦石品位，因此在回收金屬鎳、鈷的同時，濕法工藝往往產生大量廢渣，其中黃鈉鐵礬除鐵渣占比最大。相比中和水解除鐵，黃鈉鐵礬渣具有夾帶金屬少、渣粒粗、渣過濾性能好等優點[1-2]，渣中主要成分為Fe2O3、MgO、SiO2、Al2O3和CaSO4，同時含有少量銅、鎳、鈷、鉻等金屬化合物。常規處理方法是用石灰中和后堆存，但是堆存環境變化會導致黃鈉鐵礬渣發生分解反應，生成污染環境的物質。

1 黃鈉鐵礬渣資源化利用

當前，我國生態環境問題比較突出，隨著生態文明建設的推進，資源化利用技術得以迅速發展。目前，黃鈉鐵礬渣資源化利用主要有作為煉鐵原料、回收有價金屬、制備鐵系產品、生產建筑材料等方式。

1.1 作為煉鐵原料

本工藝在高溫環境下分解黃鈉鐵礬渣，并利用還原物質或還原氛圍將其還原成金屬，最后綜合回收生成的氧化物，以達到資源化利用目的[3]。本工藝雖然可以回收鐵系金屬，但降低了熔煉設備的冶煉效率，增加了能源消耗，重復加工也增加了生產成本。同時，大部分濕法冶煉鎳、鈷工廠及周邊未配有煉鐵廠，因此本工藝難以實施，可行性不高。

1.2 回收有價金屬

黃鈉鐵礬渣成分復雜，特別是在除鐵過程中形成強吸附力的Fe(OH)3[4]，導致渣中不僅有鎳、鈷、銅，還吸附較多雜質元素。同時，由于生產工藝、原料、操作過程控制各異，黃鈉鐵礬渣組分波動較大，含鐵18%～25%、硫10%～13%、鈉4%～9%、硅1%～4%、鎳0.05%～7.00%、鈷0.1%～2.0%、銅0.5%～1.0%，雜質元素鉛、鋇、鋅、錳、鈣、鎂等共占約1%，砷、鉍等金屬存在有無、多寡現象。黃鈉鐵礬渣具有3個顯著特點。一是鐵、硫、鈉等含量高的金屬幾乎沒有市場價值；二是鉛、鋅、錳、鈣、鎂等雜質元素難以去除，易影響產品質量，處理不當反而會導致生產系統癱瘓；三是其他雜質，如活性炭、樹脂、砂石等，雖然其對整體生產是有益的，但其成分復雜，難以分解。黃鈉鐵礬渣含有少量的鎳、鈷、銅等有回收價值的金屬，但無論是其他元素（鐵、硫、鈉），還是雜質元素（鉛、鋅、錳、鈣、鎂等），幾乎沒有回收價值，且鉛、砷、鉍等現有工藝難去除或去除成本高。現有主流的有價金屬回收工藝難以滿足回收要求，短期內無法實施，但隨著工藝的進步、科技的發展，未來回收有價金屬必然是主流選擇。

1.3 制備鐵系產品

黃鈉鐵礬渣生產鐵系產品，具有較高的研究價值和廣闊的市場前景，主流的研究方向包括鐵粉類、鐵系顏料類和鐵鹽類無機化工產品。其中，鐵鹽類又以鐵渣綜合利用項目居多。目前比較熱門的研究方向還有利用黃鈉鐵礬渣制備鐵黃，所制的納米級鐵黃具有量子納米特性，其具有優越的光性能，對紫外線的吸收和屏蔽效率高，被廣泛用于涂料、汽車漆、皮革等方面[3]。

1.4 生產建筑材料

我國經歷了依靠資源消耗來實現經濟快速增長的粗放型經濟發展模式，新時代，節約資源、提高資源利用率成為新的發展基本出發點，也是建設資源節約型環境友好型社會的重要環節。同時，建筑節能后勁十足，不僅是直接、有效的節能途徑，也能緩和資源供應壓力大的問題。現階段，從工藝技術、經濟附加值和投資而言，黃鈉鐵礬渣生產建筑材料都具可行性。

2 黃鈉鐵礬渣生產蒸壓類建筑材料

蒸壓類建筑材料原料主要是水泥、石灰、砂等，經研究，黃鈉鐵礬渣中Fe2O3、SiO2、Al2O3、CaSO4可以代替部分水泥、砂等硅質材料，CaSO4可代替部分石灰，從而節約資源使用量，降低生產成本，而且水泥、石灰等膠凝材料反應生成的水化硅酸鹽凝膠能很好地固化重金屬離子，所生成的重金屬硅酸鹽不溶于水，在自然環境中可以達到穩定且長期固化重金屬離子的效果。這種固化方法可以避免煅燒、燒結等火法工序，不僅避免SO2、CO、硫化物等污染氣體產生，也避免黃鈉鐵釩渣中有毒有害物質的分解揮發，從源頭上解決環境污染問題。

2.1 反應機理

利用黃鈉鐵礬渣、水泥、砂等原料生產蒸壓類建筑材料，三者在蒸壓養護條件下發生一系列反應，整個反應體系可視為“CaO-SiO2-H2O”反應。其中，鈣質原料為黃鈉鐵礬渣中的氫氧化鈣和水泥水化反應生成的氫氧化鈣；硅質原料主要為黃鈉鐵礬渣（以非晶態形式存在的硅質材料）和細砂中活性二氧化硅。鈣質材料與硅質材料加水拌合后，在水熱條件下（190 ℃飽和蒸汽中）發生化學反應（CaO+SiO2+H2O→含水硅酸鹽物質），生成水化硅酸鈣、托貝莫來石等水化產物，同時可能生成含有與C-S-H凝膠組成相近的微晶體和凝膠體。這些微晶體彼此連生、咬合，加之凝膠體的填充、膠結，使得反應后物質產生抗壓強度。另外，黃鈉鐵礬渣為酸浸法鎳冶煉工藝產生的廢渣，原生礦物在冶煉過程中被強酸侵蝕，整個結構已被破壞，產生較多缺陷，有利于水化反應進行。同時，堆存過程采用石灰石中和處理，渣中析出新物相，同樣有利于整個反應進行，使得制品強度提高。

2.1.1 各階段反應

攪拌混合階段，硅質原料顆粒與鈣質原料顆粒相互反應。在坯體形成階段，顆粒相互靠近、接觸、擠壓，使得坯體具有一定強度。

靜停階段，由于鈣質材料的溶解，顆粒間的孔隙水不斷堿化，某些活潑組分開始發生反應，無定型的SiO2發生溶解，并與鈣質材料反應生成C-S-H凝膠，水泥中硅酸鹽發生反應。本階段水化反應主要有

蒸壓養護階段，蒸壓釜通入蒸汽后，蒸汽冷凝在磚坯表面，并滲透到制品孔隙中，加熱制品和其中的水分。在高溫水熱環境中，部分硅質材料溶于液相，并與液態氫氧化鈣反應生成所需的硅酸鈣[5-7]。生成的水化物溶解度較低，因此很容易使液相飽和。溶液中的水化硅酸鹽達到飽和狀態，即析出晶粒。各種硅質材料的溶解速率各異，硅質材料反應生成的產物在液相中的遷移速率存在差別，導致硅酸鈣最先生成并吸附在砂粒表面，然后以此為晶核逐步填充孔隙。隨著溫度不斷上升，原料礦物顆粒表面開始形成新生礦物。隨后，新生礦物結晶、長大，形成凝膠體和膠結體，并將骨料和未反應原料顆粒膠結起來，形成堅硬的硅酸鹽混凝土結構。該階段包含水泥水化反應和硅鈣三組元體系反應。水泥水化反應為

鈣質材料與硅質材料發生反應，蒸壓溫度小于200 ℃時，CaO-SiO2-H2O體系主要生成水化硅酸二鈣（C2SH2）、雙堿水化硅酸鈣C2SH(A)和C2SH(B)混合物、托貝莫來石等。具體反應為

2.1.2 重金屬離子固化

黃鈉鐵礬渣含有一定的重金屬離子，為避免其磚制品有重金屬離子溶出污染環境，要對重金屬離子進行固化。硅酸鹽水泥的水化產物主要是C-S-H凝膠[8]，它具有表面能高、吸附離子能力強的特點，既可以進行物理吸附，也可以進行化學置換。同時，它可以控制鎳、銅、鐵等常見金屬離子的遷移，也可以少量控制鈉、鉀等活潑金屬離子的遷移，具有很強的吸附和穩定固化效果。最終，C-S-H凝膠固化后，利用化學吸附作用吸附渣中游離的金屬離子，將其包裹于礦物晶格內，使其成為水化產物的一部分，從而固化金屬離子。

2.2 黃鈉鐵礬渣生產加氣混凝土砌塊

傳統砌塊制備工藝以硅質材料和鈣質材料為原料，以鋁膏為發氣劑。這種建筑材料具有質量輕、保溫隔熱率高、強度高、易加工、環境適應能力強等特性，廣泛應用于填充墻。

2.2.1 生產工藝

將黃鈉鐵礬渣、生石灰、石膏混合，放入球磨機加水制漿；在攪拌機混合時，依次加入高效減水劑、水泥、生石灰和鋁粉等原輔料；將制好的料漿注入模具，然后靜置養護，得到初坯；初坯切成所需規格后在一定壓力和溫度蒸汽養護數小時，得到成品。產品強度等級、放射性及浸出毒性均符合相關標準要求。

2.2.2 發展前景

20世紀中期，我國才開始進行加氣混凝土砌塊研究，起步較晚，但起點高，發展快速。“十三五”時期，其生產規模得到擴大，技術裝備和產品質量有了顯著提高。截至2020年底，我國已有2 000余家生產企業、近百家裝備制造及相關配套企業，產能增漲至3億m3。隨著建材市場的發展和改革，禁止使用實心黏土磚的政策陸續落地，蒸壓加氣混凝土已逐漸代替黏土實心磚作為新型墻體材料在市場中推廣，特別是對于地少人多的地區來說，蒸壓加氣混凝土技術更是對墻體材料改革起到積極推進作用。

2.3 黃鈉鐵礬渣生產蒸壓磚

蒸壓磚的原料是粉煤灰、礦渣和灰砂等，其以石灰、石膏以及骨料等作為添加劑，經制坯、高壓成型、高溫蒸汽養護等工序制成[6]。蒸壓磚具有良好的抗凍性與吸水性，耐高溫，耐化學腐蝕，自重小，保溫隔熱和防火性能好。蒸壓磚主要用于高層建筑的填充，起隔熱、保溫、保濕及部分承重等作用。

2.3.1 生產工藝

將黃鈉鐵礬渣、水泥、細砂及添加劑稱重，混合攪拌，然后送至輪碾攪拌機再次攪拌，為改善產品質量，保證物料塑性，要充分壓實并均勻；物料送至儲料倉儲存備用，壓制時送入高壓成型機；壓制的坯被牽引車牽引至蒸壓釜內進行高溫蒸汽養護，養護后出釜，即為產品。產品強度等級、放射性及浸出毒性均符合相關標準要求。

2.3.2 發展前景

目前，蒸壓磚主要應用于民用建筑，具有節能、隔熱保溫、質量輕、強度高等特點，同時也是國家產業政策優先支持發展的新型墻體材料，符合節能減排要求。固體廢物不僅會對土地、水和大氣等環境造成污染，而且其堆存占用寶貴的土地資源。當前，國家禁止使用黏土磚，同時出臺政策鼓勵發展蒸壓磚。生產企業可享受稅收減免、政策性貸款等政策。黃鈉鐵礬渣生產蒸壓磚不僅響應了推廣新型墻體材料的政策，也符合生態文明建設要求。

3 結語

黃鈉鐵礬渣的資源化、無害化利用不僅能減少環境污染，而且能變廢為寶，提高資源利用率。在國家推廣綠色低碳理念的今天，黃鈉鐵礬渣的資源化利用技術研究對企業的持續發展具有積極意義。為提高黃鈉鐵礬渣綜合利用率，要多學科聯合進行無害化、減量化與資源化研究，不斷發展和革新污染治理技術，同時結合黃鈉鐵礬渣特性，制定科學的資源化利用方案，在經濟、環境、社會等方面取得共贏。