氰化尾渣制輕集料同步處理重金屬探索試驗研究

翟菊彬，遲崇哲，蘭馨輝，崔崇龍，程偉鳳

摘要：針對某金礦全泥氰化尾渣理化性質和污染物特點，以達到GB/T 30760—2014 《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》中水泥熟料中重金屬鉛量限制要求為目的，探索采用自研藥劑協同熱處理氰化尾渣輕集料載體中重金屬鉛的可行性。試驗考察了不同凈化劑類型、凈化劑投加量、預焙燒溫度及時間、焙燒溫度及時間等因素對鉛去除效果的影響，并確定最佳反應條件。試驗結果表明：采用1#凈化劑和2#凈化劑協同熱處理后的輕集料均可以滿足標準要求；輕集料配方A確定的最佳反應條件為預焙燒溫度450 ℃，預焙燒時間1 h，焙燒溫度1 200 ℃，焙燒時間0.5 h，1#凈化劑投加量1.5 %；輕集料配方B確定的最佳反應條件為預焙燒溫度400 ℃，預焙燒時間30 min，焙燒溫度1 175 ℃，焙燒時間20 min，選擇2#凈化劑，投加量1.5 %，生產成本約為100元/t。

關鍵詞：氰化尾渣；輕集料；協同熱處理；凈化劑；重金屬

中圖分類號：TD926.4文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

文章編號：1001-1277（2023）05-0082-06doi：10.11792/hj20230518

引言

中國不但是世界最大的黃金消費國，還是最大的產金國。隨著經濟的發展，礦產資源不斷被開發，浮選尾礦、氰化尾渣、冶煉渣等尾礦量也日漸增長［1］。近年來，國內外各大礦業集團、高校、科研院所都對尾礦進行了系統、深入研究，提出一些尾礦處理的新方法、新工藝［2-6］。礦山尾礦固體廢物已從傳統的環保治理轉變為資源化利用。

全泥氰化尾渣一般富含氧化硅、無機非金屬礦物，其組分與許多建材產品的原料成分相似，添加少量輔助劑可實現黃金尾礦制磚、水泥、膠泥、混凝土骨料及陶瓷等建筑材料，具有可觀的經濟價值和良好的發展前景［7-9］。但是，目前大多數黃金生產企業在進行尾礦全量化建材利用時，未考慮產品中污染物影響［10］，在2020年1月14日生態環境部發布的HJ 1091—2020 《固體廢物再生利用污染防治技術導則》中明確要求：利用固體廢物生產磚瓦、輕骨料、集料、玻璃、陶瓷、陶粒、路基材料等建材過程的污染控制執行相關行業污染物排放標準，相關產品中有害物質含量參照GB 30760—2014 《水泥窯協同處置固體廢物技術規范》（下稱“水泥窯協同處置規范”）的要求執行。該標準中對于產品有害物質含量的要求，是為了控制建筑材料產品使用過程中有害物質可能引起的環境風險［11］。雖然不同建筑材料生產工藝原理不同，但在評估其作為產品使用過程中可能引發環境風險時的“最不利條件”是相同的。本文以某金礦全泥氰化尾渣中重金屬為切入點，以輕集料為凈化載體，對氰化尾渣深度凈化工藝進行了探索，分析了預焙燒溫度及時間、焙燒溫度及時間、凈化劑類型及投加量對氰化尾渣中重金屬處理效果的影響，并分析配方B工業應用生產成本。

1試驗材料與方法

1.1儀器與藥劑

試驗儀器：UV-1700紫外分光光度計；IC1000離子色譜儀；AA6300原子吸收分光光度計；化學滴定裝置；RHGQ-9-14型回轉窯爐；SX2-4-18TP型箱式電阻爐；SK2型雙輥破碎機；BSA224S天平；鼓風干燥箱。

試驗藥劑：1#凈化劑（自研藥劑）、2#凈化劑（自研藥劑）、粉煤灰、煤粉、秸稈、市政污泥。

1.2氰化尾渣組分分析

取某金礦全泥氰化尾渣進行組分分析，結果如表1所示。

表1分析結果對照水泥窯協同處置規范中水泥熟料中重金屬鉛量限制要求可以看出，氰化尾渣中Pb（質量分數為625 mg/kg）是標準（w（Pb）=100 mg/kg）要求的6.25倍；但同時該氰化尾渣中SiO2、K和Na含量較高，有利于輕集料制備。試驗確定以輕集料為凈化載體，深度凈化處理污染物為Pb，在滿足標準中重金屬含量限制要求的同時，檢測輕集料的質量指標。2023年第5期/第44卷安環與分析安環與分析黃金1.3試驗方法

從成本控制和材料易得性出發，對輕集料原料配方進行設計，結果如表2所示。

為保證氰化尾渣在輕集料中的均勻性，將氰化尾渣于鼓風干燥箱中105 ℃烘干2 h，并將大塊顆粒進行研磨，之后與配方中其他配料攪拌均勻。將混合后原料人工球團，球團后的樣品放在不銹鋼托盤內自然干燥2.5 h，之后放入105 ℃鼓風干燥箱內烘干2 h，初步定型；將烘干后的球團放入箱式電阻爐中，在預焙燒溫度下保持一定時間；設置階段升溫程序，將箱式電阻爐溫度升至焙燒溫度，進行深度焙燒處理；關閉電源，爐內自然降溫。待冷卻至室溫后，取出樣品，進行破碎研磨制樣，分析樣品中金屬元素的殘留量。

2試驗結果與討論

2.1配方A深度凈化條件試驗

2.1.11#凈化劑投加量探索試驗

設置預焙燒溫度450 ℃，預焙燒時間1 h，兩段式升溫程序（450 ℃→900 ℃、900 ℃→1 200 ℃），焙燒溫度1 200 ℃，焙燒時間1 h。氰化尾渣與秸稈質量比為3∶1，1#凈化劑投加量分別為1 %、3 %、5 %、7 %。不同1#凈化劑投加量條件下制成的輕集料Pb殘留量如圖1所示。

由圖1可以看出：隨著1#凈化劑投加量的增加，Pb處理效果逐漸增強。1#凈化劑投加量為1 %時，Pb質量分數由625 mg/kg降至75.2 mg/kg，符合水泥窯協同處置規范對水泥熟料中鉛量限制要求；1#凈化劑投加量增加至7 %時，Pb質量分數進一步降低至11.1 mg/kg。考慮藥劑成本和實際生產要求，進行1#凈化劑投加量細化試驗研究。

2.1.21#凈化劑投加量細化試驗

設置預焙燒溫度450 ℃，預焙燒時間1 h，兩段式升溫程序（450 ℃→900 ℃、900 ℃→1 200 ℃），焙燒溫度1 200 ℃，焙燒時間1 h。氰化尾渣與秸稈質量比為3∶1，1#凈化劑投加量分別為0.25 %、0.5 %、0.75 %、1.0 %、1.25 %、1.5 %、2.0 %、2.5 %。1#凈化劑投加量細化條件下制成的輕集料Pb殘留量如圖2所示。人工球團、低溫烘干和高溫焙燒后輕集料形態如圖3所示。

由圖2可以看出：當1#凈化劑投加量為1.5 %時，Pb質量分數由625 mg/kg降至92.4 mg/kg，達到水泥窯協同處置規范對水泥熟料中鉛量限制要求，且隨1#凈化劑投加量增加，Pb質量分數進一步降低。考慮藥劑成本和實際生產要求，1#凈化劑投加量選擇為1.5 %。

由圖3可以看出：人工球團效果較好，低溫烘干后，輕集料外形較完好，無明顯碎裂和裂紋。經高溫焙燒后，輕集料表面出現明顯釉質光澤，但有部分出現粘連現象，這是因為當焙燒溫度不斷升高時，生料球開始熔融，產生的液相量不斷增多。觀察發現，當溫度升高到1 170 ℃時，液相黏度和產氣量均快速增加，液相包裹住氣體并不斷膨脹。當溫度過高，陶粒內部產生過多的液相，液相黏度降低，大量氣體不斷逸出，孔間壁不能保持固定的結構，孔結構遭到破壞，會出現部分塌孔和連通孔現象［12-13］。

2.1.3短時焙燒試驗

當焙燒溫度1 200 ℃，焙燒時間1 h時，輕集料液化現象嚴重，出現粘連粘壁現象。調整焙燒時間，考察輕集料形態和Pb凈化效果。設置預焙燒溫度450 ℃，預焙燒時間1 h，兩段式升溫程序（450 ℃→900 ℃、900 ℃→1 200 ℃），焙燒溫度1 200 ℃，焙燒時間縮短為0.5 h。氰化尾渣與秸稈質量比為3∶1，煤粉固定摻量為5 %，1#凈化劑投加量為0.5 %、0.75 %、1.0 %、1.25 %、1.5 %、2.0 %，制成的輕集料Pb殘留量如圖4所示。高溫焙燒后輕集料形態如圖5所示。

由圖4可以看出：當1#凈化劑投加量為1.25 %時，Pb質量分數由625 mg/kg降至95 mg/kg，達到水泥窯協同處置規范對水泥熟料中鉛量限制要求，且隨1#凈化劑投加量增加，Pb質量分數進一步降低；1#凈化劑投加量為1.5 %時，Pb質量分數可穩定達到要求。考慮藥劑成本和實際生產要求，1#凈化劑投加量選擇為1.5 %。

由圖5可以看出，高溫焙燒時間縮短后，輕集料形態完整，無明顯粘連液化現象。

2.2配方B深度凈化條件試驗

2.2.1預焙燒時間

設置預焙燒溫度400 ℃，預焙燒時間15 min、30 min、45 min、60 min，兩段式升溫程序（400 ℃→900 ℃、900 ℃→1 175 ℃），焙燒溫度1 175 ℃，焙燒時間20 min。氰化尾渣與市政污泥質量比為5∶1，2#凈化劑投加量為1.5 %。不同預焙燒時間條件下制成的輕集料Pb殘留量如圖6所示。

由圖6可以看出：隨預焙燒時間的延長，Pb殘留量逐漸升高，但均達到水泥窯協同處置規范對水泥熟料中鉛量限制要求。預焙燒階段主要是含硫礦物分解，產生SO2等氣體，同時樣品中部分市政污泥燃燒，使陶粒的成孔效果更好，保證陶粒不會由于氣體的快速生成導致其炸裂，也為陶粒的表層軟化做好準備。綜合考慮，選擇預焙燒時間為30 min。

2.2.2預焙燒溫度

設置預焙燒溫度400 ℃、450 ℃、500 ℃，預焙燒時間30 min，兩段式升溫程序（400 ℃→900 ℃、900 ℃→1 175 ℃），焙燒溫度1 175 ℃，焙燒時間20 min。氰化尾渣與市政污泥質量比為5∶1，2#凈化劑投加量為1.5 %。不同預焙燒溫度條件下制成的輕集料Pb殘留量如圖7所示。

由圖7可以看出：當預焙燒溫度為400 ℃、500 ℃時，Pb殘留量較低，分別為6.5 mg/kg和5.0 mg/kg；預焙燒溫度為450 ℃時，Pb殘留量升高至71.1 mg/kg，但均達到水泥窯協同處置規范對水泥熟料中鉛量限制要求。綜合考慮能耗成本和輕集料性能，選擇預焙燒溫度為400 ℃。

2.2.3焙燒時間

設置預焙燒溫度400 ℃，預焙燒時間30 min，兩段式升溫程序（400 ℃→900 ℃、900 ℃→1 175 ℃），焙燒溫度1 175 ℃，焙燒時間5 min、10 min、20 min、30 min、45 min、60 min。氰化尾渣與市政污泥質量比為5∶1，2#凈化劑投加量為1.5 %。不同焙燒時間條件下制成的輕集料Pb殘留量如圖8所示。

由圖8可以看出：當焙燒時間為20 min時，Pb殘圖8焙燒時間對Pb殘留量的影響留量為12.7 mg/kg，凈化效果較為理想；當焙燒時間為60 min時，Pb殘留量最低，為8.2 mg/kg；其他焙燒時間下Pb殘留量相對較高，但均達到水泥窯協同處置規范對水泥熟料中鉛量限制要求。綜合考慮能耗成本和輕集料性能，選擇焙燒時間為20 min。

2.2.4焙燒溫度

設置預焙燒溫度400 ℃，預焙燒時間30 min，兩段式升溫程序，焙燒溫度1 200 ℃、1 175 ℃、1 150 ℃、1 125 ℃、1 100 ℃、1 075 ℃、1 050 ℃、1 025 ℃、1 000 ℃、900 ℃、800 ℃、700 ℃，焙燒時間20 min。氰化尾渣與市政污泥質量比為5∶1，2#凈化劑投加量為1.5 %。不同焙燒溫度條件下制成的輕集料Pb殘留量如圖9所示，1 100 ℃和1 175 ℃焙燒溫度下輕集料形態如圖10所示。

由圖9可以看出：焙燒溫度為700 ℃～1 175 ℃時，隨焙燒溫度升高，Pb質量分數降低，在1 100 ℃達到最低，為1.7 mg/kg。焙燒溫度為1 200 ℃時，Pb質量分數升高，但也達到水泥窯協同處置規范對水泥熟料中鉛量限制要求。

由圖10可以看出：1 100 ℃條件下制成的輕集料雖然Pb質量分數最低，但表面粗糙，吸水率較高，筒壓強度較低；1 175 ℃條件下制成的輕集料表面光滑，有明顯釉質光澤，形態較好，吸水率和燒失量較低，筒壓強度較高。綜合考慮能耗成本和輕集料產品性能，選擇焙燒溫度為1 175 ℃。

2.2.51#和2#凈化劑的影響

設置預焙燒溫度400 ℃，預焙燒時間30 min，兩段式升溫程序（400 ℃→900 ℃、900 ℃→1 175 ℃），焙燒溫度1 175 ℃，焙燒時間20 min。氰化尾渣與市政污泥質量比為5∶1，1#和2#凈化劑投加量均為1.0 %、1.5 %、2.0 %。1#和2#凈化劑不同投加量條件下制成的輕集料Pb殘留量如圖11所示。

由圖11可以看出：Pb質量分數隨1#凈化劑投加量增加而升高，隨2#凈化劑投加量增加而降低；但2種凈化劑在所考察的投加量范圍內均達到水泥窯協同處置規范對水泥熟料中鉛量限制要求。2#凈化劑用量為1.5 %時，輕集料Pb殘留量為71.1 mg/kg，優于1#凈化劑在同等條件下的表現（74.9 mg/kg）。綜合考慮試驗效果和藥劑成本，選擇2#凈化劑為氰化尾渣深度凈化藥劑。

2.2.6成本分析

氰化尾渣制備輕集料同步處理重金屬生產成本主要包括能耗、原料、廢氣治理、人工及折舊等。①能耗。目前，生產能耗在50～70元/t（生物質燃料約50元/t，電費約60元/t，煤質燃料約70元/t），擬采用電作為能源，能耗按照60元/t計。②原料。生產原料主要包括氰化尾渣、市政污泥、2#凈化劑。其中，2#凈化劑投加量按照1.5 %計，單價按照500～1 000元/t計，成本為7.5～15元/t；市政污泥按照20 %計，干化焚燒處理政府補貼50～80元/t。因此，原料成本暫按照10元/t計。③廢氣治理。廢氣采用常規的處理工藝進行治理，治理費用暫按照20元/t計。需要注意的是，產生的粉塵如果不能得到有效利用，則屬于危險廢物。④人工及折舊。勞動定員按16人計（4班3倒），工資5 000元計，人工費約為3.3元/t，設備投資2 000萬元，按照10 a的運行年限，折舊費為7元/t。因此，人工及折舊按10元/t計。綜上所述，氰化尾渣制輕集料同步處理重金屬成本約為100元/t。根據市場調研結果，目前市場輕集料產品銷售價格在150元/t左右。因此，該工藝生產氰化尾渣輕集料的經濟效益顯著。

3結論

本研究以某金礦全泥氰化尾渣為主要原料，設計了2種原料配比，即輕集料配方A（氰化尾渣與秸稈質量比為3∶1，煤粉固定摻量為5 %）、輕集料配方B（氰化尾渣與市政污泥質量比為5∶1），分別對2種配方制備的輕集料中Pb進行了深度凈化研究，探究了高溫自研藥劑處理氰化尾渣輕集料載體中重金屬的可行性。在最佳試驗參數下，輕集料中Pb質量分數能穩定達到水泥窯協同處置規范對水泥熟料中鉛量限制要求。

1）輕集料配方A最佳反應條件為：預焙燒溫度450 ℃，預焙燒時間1 h，焙燒溫度1 200 ℃，焙燒時間0.5 h，1#凈化劑投加量1.5 %。

2）輕集料配方B最佳反應條件為：預焙燒溫度400 ℃，預焙燒時間30 min，焙燒溫度1 175 ℃，焙燒時間20 min，選擇2#凈化劑，投加量1.5 %。

3）輕集料配方B處理成本：能耗60元/t、原料成本10元/t、廢氣治理費用20元/t、人工及折舊10元/t，則氰化尾渣制輕集料生產成本約為100元/t。

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Exploratory experimental research on the simultaneous treatment

of heavy metals in cyanide tailings made lightweight aggregateZhai Jubin，Chi Chongzhe，Lan Xinhui，Cui Chonglong，Cheng Weifeng

（Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.）

Abstract：According to the physical and chemical properties and pollutant characteristics of all-sliming cyanidation tailings from a gold mine，to meet the limit requirements of heavy metals Pb content in cement clinker in GB/T 30760—2014 Technical Specification for Coprocessing of Solid Waste in Cement Kiln，the feasibility of using a self-developed agent to treat the heavy metal Pb in cyanide tailings lightweight aggregate carrier with collaborative treatment at high temperature is explored.The effects of different types of purifying agents，the dosage of purifying agents，pre-roasting temperature and time，and roasting temperature and time on the removal of the heavy metal Pb are investigated，and the optimum reaction conditions are determined.The test results show that the lightweight aggregate treated with 1# purifying agent and 2# purifying agent （self-developed agent） with collaborative treatment at a high temperature can meet the requirements of the standard;for the lightweight aggregate formula A，the optimum reaction conditions are determined as follows：pre-roasting temperature 450 ℃，pre-roasting time 1 h，roasting temperature 1 200 ℃，roasting time 0.5 h，1# purifying agent dosage 1.5 %;for the light aggregate formula B，the optimum reaction conditions are determined as follows：pre-roasting temperature 400 ℃，pre-roasting time 30 min，roasting temperature 1 175 ℃，roasting time 20 min，1.5 % dosage for 2# purifying agent and about 100 yuan/t for the operation cost.

Keywords：cyanide tailings;lightweight aggregate;collaborative treatment at high temperature;purifying agent;heavy metal