铝土矿尾矿
铝土矿尾矿、矿渣,或氧化铝精练矿渣,是氧化铝工业生产的副产品之一。氧化铝是生产金属铝的主要原料,同时也被广泛地应用于陶瓷、磨料及耐火材料的生产中。大量产生的铝土矿尾矿成为一种重要的废弃产品,其存储过程中所产生问题也随之受到重视,它的开发利用成为当务之急。全球超过95%的氧化铝采用拜耳法生产,每生产1吨氧化铝,需同时产出1至1.5吨的铝土矿尾矿/矿渣。2014年,全球氧化铝产量为1.08亿吨,其伴随约1.35亿吨铝土矿尾矿的产生。[1]
生产
[编辑]目前全球有超过60个炼铝厂使用拜耳法从铝土矿中提取氧化铝。铝土通常在露天条件下开采后运输到炼铝厂中进行处理。为了提取氧化铝,铝土矿中的可溶解部分被氢氧化钠在高温高压的条件下浸出。铝土中的不溶解部分(尾矿)被去除,以获得铝酸钠溶液,该溶液在加入晶种及降温的条件下,析出氢氧化铝。部分的氢氧化铝被返还到拜耳流程,作为晶种沉淀下一批次溶液,余下的氢氧化铝在超过1000摄氏度的条件下煅烧以获得氧化铝。被使用的铝土矿中的氧化铝含量一般为50%左右,然而含量范围更广的铝土矿也能够被才用。尾矿/矿渣中含有高浓度的铁氧化物,使之呈现特征的红色。拜耳流程中使用的氢氧化钠少量残留于尾矿中,使其呈现高碱性,一般条件下pH>12。为了提高拜耳流程的效率并且降低生产成本,在固液分离流程中,氢氧化钠循环利用的各种方法被尽可能的采用。上述措施降低了尾矿的最终碱性和处理难度。
成分
[编辑]经过氧化铝浸出的铝土矿尾矿,其主要成分是未反应的金属氧化物。炼铝厂产生的这些氧化物的比例取决于铝土矿的品位、属性以及浸出条件。铝土矿尾矿成份的变化范围很广,典型的成份构成如下:Fe2O3 5-60%, Al2O3 5-30%, TiO2 0.3-15%, CaO 2-14%, SiO2 3-50% and Na2O 1-10%。
炼铝厂以从铝土矿中尽可能多地、经济地提取更多的含铝的成份为目标。通常尾矿的成分构成与所采用铝土矿的非铝成分组成相似(部分硅化合物除外):二氧化硅晶体(石英)通常不与氢氧化钠反应,但是一些被称为活性二氧化硅的物质,在浸出条件下,会与之反应并且生成硅铝酸钠。
从矿物学角度分析,其中存在的组分为:方钠石(3Na2O·3Al2O3·6SiO2·Na2SO4) 4-40%; 针铁矿 10-30%; 赤铁矿10-30%; 二氧化硅5-20%; 水化铝酸钙 2-20%;软水铝石 0-20%; 二氧化钛2-15%; 白云母0-15%; 碳酸钙 2-10%; 三水铝石0-5%; 高岭土0-5%。
尾矿储存区域
[编辑]从工厂建立起,尾矿存储的方法持续变革。早年的处理方法是将含有大约20%固体的尾矿浆排入原先是铝土矿坑或废弃的采石场的池塘。在一些其他案例中,用水坝或者堤坝建造蓄泥池,或是,一些山谷被堤坝拦截,尾矿堆积于被拦截的区域内。[2]
在过去,尾矿常被通过管道或者驳船排放到河流、湖泊或者海洋中;或者,尾矿被弃置在远离海岸线几公里处的海洋深处的海沟。[3]目前向河流、湖泊或者海洋排放的方法已经被禁止。伴随弃置区域的用尽和湿法弃置的受关注,从20世纪80年代中期起,干法弃置逐渐被广泛才用。[4][5][6][7]
在这种方法中,尾矿被浓缩为高密度浆液(含48-55%或更高比例的固体),然后已能使其块化、干燥的方式弃置。[8]
过滤的方法正开始逐渐流行,得到滤饼(固体含量>30%)。[9]这些滤饼在被运输前经过水或者蒸汽处理以降低碱性,之后以半固体形式储存。尾矿的这种处理方式有利于其被再利用,因为它的低碱性,更低的运输成本,易于后续的处理。
使用
[编辑]自从拜耳流程于1894年被工业所采用以来,残余的氧化物的价值已经被认知。已有尝试对其中的主要成份进行回收,特别是对于铁。自从矿业开采以来,大量的科研精力被投入到寻求尾矿的再利用中。可行的应用可以被宽泛的分为如下几个方面:回收存在的特定成份,比如,铁、钛、稀土元素;被用作其他产品的主要原料,比如,水泥;用铝土尾矿作为建筑材料的组分,比如,混凝土、瓷砖、砖块;土壤改良或者覆盖剂;尾矿转变为有用的化合物,比如通过Virotec流程。
尾矿的广阔成份范围坐久了大量技术上可行的应用,包括:水泥制造,用作混凝土辅助凝固材料,铁回收,钛回收,建筑板材,砖,发泡隔热砖,瓦片,砾石/铁路铺石,土壤改良,钙和硅肥料,顶部封盖/地貌重建,镧系元素(稀土)回收,钪回收,镓回收,钇的回收,处理酸性尾矿废水,重金属吸附,染料,磷酸盐,氟化物,水处理化学制剂,玻璃陶瓷,陶瓷,发泡玻璃,颜料,石油钻探或天然气开采,聚氯乙烯填充料,木材替代品,地质聚合物,催化剂,铝和铜的等离子喷涂,制造的钛酸铝 - 莫来石复合材料的耐高温涂层,烟气除硫,砷去除,铬去除,土壤改良。[10]
据估计每年2百万到3百50万吨的铝土尾矿被使用:
钢铁工业原料,40万吨到150万吨;
填埋覆盖/铺路/土壤改良,20万吨到50万吨;[13]
建筑材料(砖,瓦,水泥等),10万吨到30万吨;
其他(耐火材料,吸附剂,中和酸性尾矿水,催化剂等),10万吨。[14]
欧盟的进展
[编辑]2015年一项由欧盟资助的旨在实现铝土矿增值利用的行动被发起。15名博士生参与到了此项欧洲培训网络-铝土尾矿的零废物化与增值利用项目中。核心关注点在于铁、钛和稀土元素(包括钪)的回收同时将尾矿转化为建筑材料。[15]
参考资料
[编辑]- ^ Annual statistics collected and published by World Aluminium. http://www.world-aluminium.org/statistics/alumina-production/ (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ K Evans, E. Nordheim and K. Tsesmelis, "Bauxite Residue Management", Light Metals, 63-66(2012).
- ^ G. Power, M. Graefe and C. Klauber,"Bauxite residue issues: Current Management, Disposal and Storage Practices", Hydrometallurgy, 108, 33-45 (2011).
- ^ B. G. Purnell, “Mud Disposal at the Burntisland Alumina Plant”. Light Metals, 157 – 159. (1986).
- ^ H. H. Pohland and A. J. Tielens, “Design and Operation on Non-decanted Red Mud Ponds in Ludwigshafen”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
- ^ E. I. Robinsky, “Current Status of the Sloped Thickened Tailings Disposal System”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
- ^ J. L. Chandler, “The Stacking and Solar Drying Process for disposal of bauxite tailings in Jamaica”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
- ^ Published by World Aluminium the European Aluminium “Bauxite Residue Management: Best Practice”, available from the International Aluminium Institute, 10 King Charles II Street, London, SW1Y 4AA, UK and on line from http://bauxite.world-aluminium.org/refining/bauxite-residue-management.html (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- ^ K. S. Sutherland, "Solid/Liquid Separation Equipment", Wiley-VCH, Weinheim (2005).
- ^ B. K. Parekh and W. M. Goldberger, “An assessment of technology for the possible utilization of Bayer process muds”, published by the U. S. Environmental Protection Agency, EPA 600/2-76-301.
- ^ Y.Pontiles and G.N. Angelopoulos "Bauxite residue in Cement and cementious materials", Resourc. Conserv. Recyl. 73, 53-63 (2013).
- ^ Y.Pontiles, G.N. Angelopoulos, B. Blanpain,, “Radioactive elements in Bayer’s process bauxite residue and their impact in valorization options”, Transportation of NORM, NORM Measurements and Strategies, Building Materials, Advances in Sci. and Tech, 45 2176-2181 (2006).
- ^ W.K.Biswas and D. J. Cooling, “Sustainability Assessment of Red SandTM as a substitute for Virgin Sand and Crushed Limestone”, J. of Ind. Ecology, 17(5) 756-762 (2013).
- ^ H. Genc¸-Fuhrman, J.C. Tjell, D. McConchie, "Adsorption of arsenic from water using activated neutralized red mud", Environ. Sci. Technol. 38 (2004) 2428–2434.
- ^ Project. Project | European Training Network for Zero-Waste Valorisation of Bauxite Residue (Red Mud). Etn.redmud.org. 2015-01-05 [2015-12-15]. (原始内容存档于2019-12-07).