利用铁尾矿制备低附加值产品研究进展

林岩，郭客，张东，苑庆波，周丽

利用铁尾矿制备低附加值产品研究进展

林岩1*，郭客1，张东2，苑庆波3，周丽1

（1. 鞍钢集团矿业设计研究院有限公司，辽宁 鞍山 114000；2. 鞍钢集团矿业公司齐大山铁矿，辽宁 鞍山 114000； 3. 关宝山矿业有限公司，辽宁 鞍山 114000）

介绍了铁尾矿的资源概况和综合利用现状。主要从制备建筑材料、肥料及土壤改良剂、微晶玻璃、多孔陶瓷、白炭黑等几个方面综述了目前铁尾矿综合利用的研究进展，并浅谈未来铁尾矿利用研究方向。铁尾矿作为建筑材料是最常见的利用方式，主要用于制造保温材料和混凝土材料等，在制备高附加值产品方面的研究相对较少。因此，利用铁尾矿制备晶须材料、化工染料、吸附材料等高附加值产品是未来研究的重点方向。

铁尾矿；低附加值产品；研究进展

近年来，随着钢铁工业的快速发展，工业废气、废水和废渣的数量逐年增加[1]。其中，采矿业是全球经济发展的基石，随着人们对金属资源需求的增加，对矿产资源的开采也随之增加。同时，尾砂排放的增加导致大量尾砂的无序堆积，已成为全球性的安全问题和环境挑战[2]。世界每年排放的铁尾矿和废石超过100亿t，中国铁矿石资源稀缺，铁矿石年产量约为15亿t，而铁矿石尾矿库年产量高达10亿t[3]。铁尾矿是一种重要的工业固体废物，我国铁尾矿的利用率很低，铁尾矿通常储存在尾矿坝中，占地面积大，管理成本高，铁尾矿粒度细，会导致粉尘，威胁矿区及其周边的生态环境，已成为制约社会可持续发展的主要因素之一[4-7]。因此，如何实现铁尾矿的有效利用，对改善生态环境和提高资源利用效率意义重大。

1 铁尾矿综合利用及研究现状

我国铁尾矿的种类繁多，其主要成分为SiO2、Fe2O3、MgO、CaO和Al2O3等[8]，铁尾矿中含有大量有价组分未被充分利用。铁尾矿中有价组分的回收包括金属与非金属的回收，金属组分主要包括铁、铝、钙和镁，非金属主要为硅。目前铁尾矿综合利用研究方向主要包括制备建筑材料、肥料及土壤改良剂、微晶玻璃、多孔陶瓷和白炭黑等产品。

1.1 铁尾矿制备建筑材料

近年来，随着资源短缺和环境保护意识的增强，利用铁尾矿作为建筑材料是最常见的利用方式，主要用于制造保温材料和混凝土材料等[9]。其优点可以通过消耗大量铁尾矿废弃物，解决水、土壤、空气污染等相关问题[10]。

1.1.1 铁尾矿制备保温材料

铁尾矿中含有大量SiO2，随着保温材料的需求逐年增多，采用掺杂大比例铁尾矿制备保温材料对铁尾矿的大量利用具有重要意义。喻杰[11]等采用铁尾矿制备轻质保温墙体材料，发现当铁尾矿、水泥、膨胀珍珠岩、激发剂质量比为2.5∶1∶0. 63∶0. 25，其性能较好。杨航[12]等在铁尾矿中添加废石制备防火保温陶瓷材料，当铁尾矿掺杂量为40%～55%时，其导热系数较低为0.09 W·(m·K)-1，防火等级达到A级。张莺[13]以铁尾矿中云母与长石为原料制备的保温材料，当云母与长石的配料为1∶1，制备出较低导热系数0.084 W·(m·K)-1的保温材料。王应灿[14]等采用铁尾矿和废旧聚苯乙烯泡沫为原料制备出导热系数为0.109 W·(m·K)-1轻质隔热保温材料。喻振 贤[15]等以铁尾矿和水泥为主要原材料制备出低密度导热系数小于0.231 W·(m·K)-1的轻质保温材料。

综上所述，利用铁尾矿制备的保温材料导热系数较低，保温性能好，且铁尾矿的掺杂比例可达到40%以上。

1.1.2 铁尾矿制备混凝土材料

目前，利用铁尾矿制备混凝土是比较常见的。张立侠[16]采用水泥、铁尾矿、粉煤灰、硅灰为主要原料制备泡沫混凝土砌块，当主要原料的配比为60∶75∶12∶1时，该混凝土砌块的密度达到 600 kg·m-3。罗力[17]等以铁尾矿为原料制备水泥熟料，当铁尾矿与水泥的掺杂量为17∶75时，水泥强度达到42.5等级。刘刚[18]等以铁尾矿、水泥和硅灰为主要原料制备活性粉末混凝土，通过实验发现当铁尾矿掺杂量为55.51%时，活性粉末混凝土的抗压强度可达到152.6 MPa。田景松[19]将铁尾矿砂和机制砂按不同比例混合，制备混凝土满足现在施工技术要求。时彦宁[20]将铁尾矿用于制备沥青混合料，掺杂铁尾矿的沥青混合料的低温抗裂性和水稳型能满足道路要求。刘俊杰[21]等以铁尾矿为原料制备免烧砖，当铁尾矿掺杂量为60.97%，水固比为0.1，其抗压强度7天达到12.14 MPa。铁矿尾矿在选矿过程中作为废弃物排放，引发了一系列的环境问题。ZHANG[22]等通过扫描电子显微镜和压汞法等多种方法，研究了铁矿尾矿替代人工砂对超高性能混凝土抗压强度和渗透性的影响，当铁尾矿替代40%人工砂其性能最好。

1.2 铁尾矿制备肥料及土壤改良剂

铁尾矿的土壤利用技术将铁尾矿的酸碱度、水分、孔隙结构改造成与普通土壤具有同等储存水分、养分和空气能力的土壤，为植物提供更理想的生长环境。近年来，研究者们采取了一系列合理有效的措施来改善采矿活动破坏的生态系统[23]。CUI[23]等针对辽宁鞍山铁尾矿进行了为期105天的土壤改良试验，结果表明，尾矿利用技术的应用不仅降低了尾矿的容重和pH值，而且提高了尾矿的含水率和孔隙率。尾矿肥力逐渐达到中、高水平，为植物提供了较为理想的生长环境。付文昊[24]等采用不同土壤改良模式对铁尾矿进行土壤改良，结果发现铁尾矿土壤改良后有机质、氮、钾和镁元素的含量增加。杨孝勇[25]针对铁尾矿的新型盐碱地的复合改良剂进行研究，发现改良剂铁尾矿、脱硫石膏、碎秸秆、生物炭、有机肥的质量比为40∶10∶10∶3∶3时效果最佳。刘晶磊[26]等采用水泥和土凝岩改良铁尾矿用于公路路基材料，改良后的铁尾矿可用于二级及二级以下公路建设。

1.3 铁尾矿制备微晶玻璃

利用铁尾矿制备微晶玻璃可实现铁尾矿中钙、镁、铝和硅有价组分的高效利用。孙强强[27]等以铁尾矿为原料制备微晶泡沫玻璃，当加入40%的铁尾矿，在温度为900 ℃下发泡30 min，温度为1 120 ℃下晶化2 h制备的微晶泡沫玻璃的孔径为 1.6～2 mm，抗压强度达到27.22 MPa。为实现铁尾矿中Ca、Mg、Al和Si元素的高效利用，南宁[28]等以铁尾矿为原料采用烧结工艺制备四元体系的微晶玻璃，当温度为900 ℃下晶化保温120 min时，其抗压强度和化学稳定性较好。王长龙[29]等以铁尾矿和煤矸石为原料制备微晶玻璃，当铁尾矿、煤矸石和其他化学原料的配比为13∶66∶21时可制备出普通辉石微晶玻璃，在温度为697 ℃核化保温时间 2 h，然后在1 040 ℃下晶化2 h，此时微晶玻璃的性能最佳，其抗压强度达到216.49 MPa，耐酸腐蚀为99.21%。王亚利[30]利用铁尾矿采用烧结法制备微晶玻璃，尾矿掺杂量比例较高达到75%，对实现铁尾矿大量利用减少环境污染具有重要意义。

1.4 铁尾矿制备多孔陶瓷

铁尾矿的化学-矿物学组成表明它可替代传统原材料和天然骨料制备陶瓷[31]。CECHIN[32]等以铁尾矿和高炉炉渣为原料制备陶瓷复合材料，研究表明该陶瓷复合材料存在非晶结构，其抗折强度模量为12.19 MPa，吸水率为2%～ 22%，线收缩率为0.02% ～ 6.50%，表观密度为1.63 ～ 2.03 g·cm-3，该复合材料可用于砌体、陶瓷砌块、墙体和地板覆层等建筑材料。LI[33]等以铁尾矿和粉煤灰为原料，制备具有污水处理功能的多孔人造陶粒滤料，多孔人造陶粒滤料的比表面积、孔隙率和盐酸溶解度分别为1.185 m2·g-1、62%和0.41%。黄丹丹[34]等采用模压-烧结工艺利用铁尾矿制备多孔基板，并将制备的铁尾矿多孔基板应用于Co3O4纳米材料的合成，制备的铁尾矿多孔基板可代替传统的基板，实现了铁尾矿的高效利用。刘晨[35]等发现在制备轻质淤泥陶粒过程中添加铁尾矿可明显提高陶粒的发泡性能且陶粒气孔均匀致密，当添加10%的铁尾矿陶粒的吸水率达到13.34%，堆积密度为0.432 g·cm-3。孙智勇[36]以铁尾矿为原料采用常压烧结法制备多孔陶瓷，当铁尾矿的掺杂量为45%，在1 100 ℃条件下保温3 h时，多孔陶瓷的综合性能最好，此时多孔陶瓷的抗压强度达到1.45 MPa、体积密度为 0.42 g·cm-3。王明珠[37]采用硫铁尾矿制备沸石，硫铁尾矿经酸处理后在630 ℃下煅烧3 h后进行碱处理可制备出晶体分布均匀的4A沸石立方晶体。

1.5 铁尾矿制备白炭黑

为了实现铁尾矿制备高附加值产品，相关学者对利用铁尾矿制备白炭黑和介孔二氧化硅材料进行了相关研究，为铁尾矿中有价组分硅的高附加值利用提供了新的途径。于洪浩[38-39]等分别采用常压碱浸法和熔盐煅烧酸浸法处理铁尾矿，常压碱浸法是铁尾矿进行碱处理后，将铁尾矿中的SiO2反应生成水玻璃后用酸调节pH，通过实验探究当铁尾矿与碱溶液固液比为1∶2、碱浸温度为110 ℃，碱浸时间为6 h，用HCl调节pH为8～9，即可获得SiO2含量为92.3%的白炭黑。熔盐煅烧酸浸法是铁尾矿、氢氧化钠和硝酸钠高温煅烧，并采用盐酸进行酸化，通过实验探究发现最佳工艺为500 ℃下煅烧3 h，此时铁尾矿中SiO2浸出率达到88.42%，获得的白炭黑纯度为99.30%。张明熹[40]等利用热碱-酸洗工艺处理铁尾矿，通过对工艺条件优化可制备出粒径在50～100 nm之间的纳米白炭黑，产率可达到97.41%。为了实现铁尾矿中铁和硅有价组分的高效利用，苏琳[41]等利用铁尾矿采用酸碱联合工艺制备氧化铁和白炭黑，铁和硅的浸出率分别达到91.5%和63.48%，氧化铁和白炭黑的粒径分别为1 μm和 150 nm左右。陈安安[42]采用硫酸-氨水-氢氧化钠法处理镍铁尾矿，可制备出符合国家标准的氢氧化镁粉末和白炭黑产品。

2 结论及展望

铁尾矿中铁、硅、钙、镁和铝等资源丰富，目前主要应用于制备建筑材料、土壤改良剂、微晶玻璃、多孔陶瓷等，在制备白炭黑、介孔分子筛和水玻璃等高附加值产品方面的研究相对较少。为了实现铁尾矿大量高效利用，提出以下几点建议：

1）利用铁尾矿制备高附加值产品，以铁尾矿为主要原料进行有价组分的综合利用，提高有价组分在制备新材料方面的研究，如晶须材料、化工染料、吸附材料等。

2）大力推动铁尾矿综合利用的新工艺和新技术，以“无害化”“减量化”为前提，以“资源化”为条件，拓宽铁尾矿综合利用领域，做到铁尾矿“生态化”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

林岩（1993-），女，硕士研究生，研究方向：化工材料。

TD926.4

A

1004-0935（2023）01-0128-04