第七章矿业固体废物的资源化

4第七章矿业固体废物的资源化目前，我国有95%以上的能源、80%以上的工业原料、70%以上的农业生产资料等都来自矿产资源。据不完全统计，全世界每年排出的矿业固体废物在100亿ｔ以上。7.1矿业固体废物的组成7.2矿业固体废物的性质7.3尾矿的资源化7.4废石的资源化7.1矿业固体废物的组成含氧盐矿物主要组成矿物氧化物和氢氧化物矿物硫化物及其类似化合物矿物其他矿物:卤化物和单质矿物一、含氧盐矿物：含氧盐矿物占已知矿物总数的2/3左右，在地壳里的分布极为广泛。（1）硅酸盐矿物：硅酸盐是组成岩石的最主要成分，已知硅酸盐矿物约800种之多，约占矿物总数的1/4，占地壳总重量的80%。（2）碳酸盐矿物：碳酸盐矿物在自然界中分布较广，已知矿物约80种之多，占地壳总重量的1.7%。其中以Ca、Mg碳酸盐矿物最多，其次为Fe、Mn等碳酸盐矿物。（4）其他含氧盐矿物：其他含氧盐矿物较常见的有磷酸盐、钨酸盐和钼酸盐，其他不常见的有硼酸盐、砷酸盐、钒酸盐、硝酸盐矿物等。（3）硫酸盐矿物：硫酸盐矿物在自然界中产出约有260种之多，但仅占地壳总重量的0.1%。其中常见和具工业意义的矿物不多，主要矿物有石膏、重晶石。二、氧化物和氢氧化物矿物氧化物和氢氧化物是地壳的重要组成矿物，它们的化合物有200种左右，约为地壳总重量的17%，其中SiO2（石英、石髓、蛋白石）分布最广，约占12.6%，Fe的氧化物和氢氧化物占3.9%，其次是Al、Mn、Ti、Cr的氧化物或氢氧化物。三、硫化物及其类似化合物矿物主要为金属硫化物，亦包括金属与硒、碲、砷、锑等的化合物。总数约350种左右，按重量约占地壳总重量的0.15%，其中以铁的硫化物为主，有色金属铜、铅、锌、锑、汞、镍、钴等也以硫化物为主要来源，故工业上具有重大意义。7.2矿业固体废物的性质包括物理性质和化学性质表面性质：白度、亮度、疏水性物理性质光学性质：矿物对光线的吸收、折射和反射所表现的各种性质力学性质：废物在外力作用下所表现的物理机械性能磁学性质：电学性质：矿物导电的能力及在外界能量作用下矿物发生带电现象一、光学性质：包括颜色、光泽、透明度等（1）颜色它是矿物对不同波长的光波吸收和反射的结果。如果对各种波长的光波普遍而又平均地吸收，则随吸收程度的不同而呈黑色（几乎全部吸收）、灰、白色。如果只吸收某些色光，则矿物呈现出反射光的混合色。矿物的颜色五彩缤纷，单纯色调的很少。为了简明、通俗地描述矿物的颜色，对两种颜色的混合色，常用双重名命法，如黄绿、褐红等。如同种颜色在色调上有深浅浓淡时，则用比较法，如深红、浅绿、淡黄等。有的还可以用比拟法，如乳白、铁黑、樱桃红、橄榄绿、天蓝色等。为了更好的掌握矿物颜色的描述，经常以一些颜色比较典型的矿物作为比较标准。常用的比色矿物有：紫色-紫水晶、褐色-多孔状褐铁矿、铜红色-自然铜、蓝色-蓝铜矿、黄褐色-粉末状褐铁矿、铁黑色-磁铁矿、绿色-孔雀石、锡白色-毒砂、黄铜色-黄铜矿、黄色-雌黄、铅灰色-方铅矿、金黄色-自然金、橙色-雄黄、钢灰色-黝铜矿、红色-辰砂、靛青蓝色-铜蓝。某些矿物具有鲜明的颜色，极易引人注目，往往成为很好的装饰材料矿物、颜料矿物等。颜色与色调的浓淡，还决定着这些矿物的价值。（2）光泽矿物表面对于投射光线的反射能力称为光泽。反射能力的强弱也就是光泽的强弱，可用反射率R表示，计算公式为：1%100irIIR强度矿物磨光表面的投射光强度矿物磨光表面的反射光R越大，光泽越强。按R的大小，将光泽由弱至强分成表4-1所示四个等级。表7-1光泽强弱的四个等级R值，%光泽特点举例2～10玻璃光泽，矿物表面象玻璃一样反光清澈。石英的晶面、萤石、石榴石等。10～19金刚光泽，象金刚石的反光一样光辉灿烂。锡石、闪锌矿、金刚石等。19～25半金属光泽，表面象久经使用的金属制品那样的反光。磁铁矿、黑钨矿、赤铁矿等。25以上金属光泽，象新鲜金属制品的反光一样耀眼。辉锑矿、辉铜矿、黄铜旷、自然金等。提取矿业固体废物中的有价矿物，可借助于它与脉石矿物光泽、颜色的差异进行光电分选。（3）透明度：矿物透光的能力自然界绝对不透明的矿物、绝对透明的矿物都是不存在的。透明度是一个相对的概念。矿物透明与不透明的区分界限，是指矿物磨至0.03mm标准厚度时的透光程度而言。一般将矿物分为：①透明矿物，绝大部分光线能通过，能完全或基本上透见另一物体。如无色水晶、冰洲石、云母等。②半透明矿物，能透过小部分光线，只能模糊透过另一物体，如辰砂、闪锌矿等。③不透明矿物，光几乎完全不能通过，如石墨、磁铁矿等。透明度是鉴定矿业固体废物能否作为光学材料使用的特征之一，也是能否作为填料使用的特征之一。如石英、CaCO3常作为无色透明的填料使用。二、力学性质：硬度、韧性、比重等性能。（1）硬度指废物抵抗某种外来机械作用的能力，可借助测定矿物硬度的方法来测定。测定矿物硬度的方法很多，但在矿物学中一直沿用的是摩氏硬度计法，目前可用专门测硬度的仪器和显微硬度计精确测定矿物的硬度。图4-5所示为三种方法测定结果对比。图7-5摩氏硬度、新摩氏硬度和显微硬度等级的对比废物硬度与废物粉碎关系密切。废物硬度不同，粉碎的难易程度、粉碎所需时间和设备不同。硬度越大，越难粉碎，粉碎时消耗的能量也越大。另外，硬度不同的废物，其应用价值不同。硬度大的废物可作为磨料使用，硬度小的废物可作为填料使用。（2）韧性废物受压轧、锤击、弯曲或拉引等力作用时所呈现的抵抗能力。如：①脆性，废物容易被打碎或压碎的性质。大多数废物具有脆性。②挠性，废物在外力作用下趋于弯曲而不发生折断，除去外力后不能恢复原状的性质。如片状石膏、绿泥石、蛭石等废矿物。③弹性，外力作用下趋于变形，但外力解除后又恢复原状的性质。如云母、石棉等废矿物。韧性对某些废物原料进行加工具有重要意义。韧性不同的矿业废物，所采用的粉碎流程不同，所选用的粉碎设备也不同。（3）密度矿物的比重是矿物在4℃时的重量与同体积的水的重量之比。密度在选择资源化方法时具有重要指导意义。一般将矿物按密度分为三级：①轻密度矿物，密度在2.5以下的矿物；②中等密度矿物，密度在2.5～4之间的矿物；③重密度矿物，密度在4以上的矿物。在矿物学上测密度的方法很多，常见的有比重瓶法、重液法和体积计法三种。三、电学性质：导电性及荷电性。（1）导电性矿物对电流的传导能力。矿物的导电性可用矿物的导电率γ来表示。γ=102Ω-1·cm-1以上的矿物：导体，如自然金属矿物、大部分硫化物矿物。γ≤10-12Ω-1·cm-1的矿物：非导体或绝缘体，如硅酸盐、碳酸盐类矿物。γ值介于前两者之间的矿物属于：半导体矿物，如部分硫化物及金属氧化物类矿物。某些矿物的导电性有重要的实用意义，如金属和石墨是电的良导体可作电极材料，云母是不良导体可作绝缘材料，而半导体则广泛地被应用在无线电工业中。在固体废物资源化利用中，可根据废物中矿物导电率的不同采用静电分离法来分离提纯有用矿物。（2）矿物的荷电性：在受外力作用，如摩擦、加热、加压影响下，发生带电现象的性能。实质是矿物中的热能或机械能转化为电能的形式。凡具有荷电性的矿物，其导电性均极为低弱或者根本不具导电性。荷电性按所施外力不同，有以下几种：①摩擦电性，某些矿物当与丝绢或毛皮摩擦时，呈现电荷现象。如自然硫、金刚石、琥珀C10H16O4等具有这种性质。②焦电性，某些矿物受热时，在晶体的某些部位产生电荷的现象，即热能转化为电能，如电气石即具有这种性质。③压电性:某些矿物在压力或张力影响下，因变形而呈现出电荷的性质。在压缩时发生正电荷的部位，在伸张时就发生负电荷，因此在机械的一压一张的相互不断作用下，就产生了一个交变电场，这种效应称为电压效应。反过来，具有压电性的矿物晶体，又能借电能产生机械能。即把它放在一个变电场中，会产生一伸一缩的机械振动，这种效应称为电致伸缩。当交变电场的频率和压电性矿物本身机械振动的频率一定时，发生振动特别强烈的共振现象。压电材料在电子工业中用作各种换能器，如超声波发生器等。石英由于振动频率稳定，质地坚硬和化学性稳定，是最优良的天然压电材料。2433223COOFeCOOFe287400226670SOSFeOFeSC四、磁性矿物的磁性是指矿物能被永久磁铁或电磁铁吸引或矿物本身能够吸引铁物体的性质。自然界具有磁性的矿物极为普遍，但磁性显著的矿物则不多。矿物磁性的强弱，可用比磁化系数表示，它表示1cm3的矿物在磁场强度为1Oe的外磁场中所产生的磁力。对于黄铁矿或白铁矿可通过氧化焙烧形成强磁性矿物Fe7S8，再进行磁选：2433223COOFeCOOFe287400226670SOSFeOFeSC对于黄铁矿或白铁矿可通过氧化焙烧形成强磁性矿物Fe7S8，再进行磁选：比磁化系数越大，表示矿物被磁化的能力越强。在矿业固体废物资源化中，常根据废物中不同矿物的磁性差异进行磁选分离磁性不同的矿物。按比磁化系数的不同，矿物分成四类：（1）强磁性矿物比磁化系数大于3000×10-6cm3/g，在弱磁场（900～1200Oe）就能与其他矿物分离，如磁铁矿、磁黄铁矿等。（2）中磁性矿物比磁化系数大于（600～3000）×10-6cm3/g之间，在磁场强度2000～8000Oe才能与其他矿物分离，如钛铁矿、铬铁矿及含磁铁矿的赤铁矿等。287400226670SOSFeOFeSC对于黄铁矿或白铁矿可通过氧化焙烧形成强磁性矿物Fe7S8，再进行磁选：（3）弱磁性矿物比磁化系数大于（15～600）×10-6cm3/g之间，在磁场强度10000Oe以上才能与其他矿物分离，如赤铁矿、褐铁矿、黑钨矿、辉铜矿、菱铁矿、黄铁矿等。（4）非磁性矿物比磁化系数小于15×10-6cm3/g的矿物，无法采用磁选分离法分离回收，如石英、方解石、长石等。对于某些磁性弱的矿物，可通过适当的人工焙烧增强其磁性。如赤铁矿、褐铁矿的还原焙烧，反应式为：2433223COOFeCOOFe五、矿物的润湿性矿物的润湿性是浮选的理论基础，是浮选上常用来判别矿物可浮性好坏的标志。矿物表面能否被液滴所润湿的性质，称为润湿性。易被水润湿的矿物称为亲水性矿物，如云母、石英、方解石等。不易被水润湿的矿物称为疏水性矿物，如滑石、石墨、辉钼矿、方铅矿、黄铜矿等。矿物的润湿性主要由矿物内部构造所决定。分子键矿物为疏水性，即难润湿的矿物。原子键矿物为亲水性，即润湿性强的矿物。各种矿物由于润湿性的不同，在水介质中可能上浮或下沉。一般，难润湿的矿物（疏水性）易浮，如方铅矿颗粒（比重7.4）在水中与气泡相遇，矿粒表层的水层迅速破裂，矿粒与汽泡紧密结合而上升。润湿性强的矿物（亲水性）难浮，如比重为2.65的石英颗粒，在水介质中，石英表面与水紧密结合，空气不能排除石英表面的水层，则石英颗粒不易附着在气泡上，仍留于水中。因此，矿物在水介质中是上浮还是下沉，其主导作用的是其润湿性，而不是比重。矿物化学性质：当矿物与空气、水等接触时，将引起不同的物理、化学变化，如氧化、水解及水化等。与固体废物资源化有关的化学性质主要包括矿物的可溶性、氧化性。一、可溶性矿物中有价成分在不同溶剂中的溶出性能，是浸出提取有价元素的重要依据如在常温常压下，硫酸盐、碳酸盐以及含有氢氧根和水的矿物易溶于水，大部分硫化物、氧化物及硅酸盐类矿物难溶于水。二、氧化性矿物被氧化后，其成分、结构及矿物表面性质均发生变化，对废物的资源化利用具有较大影响。如硫化矿物的适当氧化可促进其浮选的进行或酸处理的效果。矿物氧化主要与环境中氧化剂的作用、矿物本身的性质、矿物的氧化与矿物的共生组合特征等有关。（1）环境中氧化剂的作用：水、氧水本身具有偶极性和解离性，能使很多矿物溶解于水。因此，水是矿物氧化中最活跃的因素。氧是矿物氧化中最强的氧化剂之一。氧的作用可使露天堆存的废矿物中的低价离子变成高价离子，氧化后废矿物的性质也随之改变，如硫化物的氧化：4422424222422272FeSOCuSOOCuFeSSOHFeSOOHOFeS（2）矿物本身