工业废渣赤泥的特性及回收利用现状
摘要:赤泥是氧化铝生产产生的最大工业废渣,给社会、环境带来了沉重的负担。本文概述了赤泥的工业特性,介绍了赤泥在金属回收以及新材料制备等方面的研究概况。
关键词:赤泥; 特性; 回收; 利用
赤泥是制铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣,一般平均每生产1 t氧化铝,附带产生1. 0～2. 0 t赤泥[ 1 ] 。我国作为世界第4大氧化铝生产国,每年排放的赤泥高达数百万吨。大量的赤泥不能充分有效的利用,只能依靠大面积的堆场堆放,占用了大量土地,也对环境造成了严重的污染。
我国借助国内赤泥高钙、高硅而低铁的特点,利用赤泥烧制水泥成为一条可喜的废渣利用途径。但是相对于赤泥巨大的排放量,有限的利用率仍然不能减缓赤泥给社会、环境带来的沉重负担。放眼21世纪,资源、能源、环境成为这个时代最大的问题,而工业废渣能否最大限度的利用又牵扯到这些问题的有效解决。
所以,更加全面深入研究赤泥的特性,如何研制工业废渣类新型材料,充分有效的回收利用赤泥已经成为现阶段一项迫在眉睫的任务。
1 赤泥的特性
1. 1 赤泥的成分特征
赤泥是在从铝土矿中提炼氧化铝的过程中形成,主要成分为SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3 ,其各组分含量又因铝土矿的产地和氧化铝的生产工艺不同而异。
赤泥中含有可再生利用的氧化物和多种有用金属元素,成为赤泥再生利用的基础。利用赤泥中含有较高的CaO、SiO2 可生产硅酸盐水泥及一些专用水泥; 利用它的SiO2、Al2O3、CaO、MgO 含量特征及少量的TiO2、MnO、Cr2O3 ,可以生产特种玻璃;同时,赤泥中含有丰富的铁、钪、钛等有用金属元素。
1. 2 赤泥的矿物特征
赤泥的矿物组成也因氧化铝的生产方法不同而异,景英仁等[ 2 ]采用偏光显微镜、扫描电镜等7种手段对赤泥的矿物成分进行测定,发现其主要成分为文石和方解石,其次为蛋白石、三水铝石、针铁矿,另有少量的钛矿物、菱铁矿、水玻璃、铝酸钠和火碱。
1. 3 赤泥的物理、化学性质
赤泥具有胶结的孔架状结构,主要由结构2凝聚体、结构2集粒体、结构2团聚体3级结构构成。3者之间形成了凝聚体空隙、集粒体空隙、团聚体空隙。这使赤泥具有较大的比表面积,而且以大小相差悬殊、变化幅度大为其明显特征。
赤泥属高压缩性、低抗剪强度废渣。以山西铝厂为例,其压缩系数a200 = 1. 0～1. 6MPa- 1 ,内摩擦角Φ =24°～33°,粘聚力C = 6. 6～33. 0MPa,二者都不会因溶液性质的改变而变化[ 2 ] 。赤泥含水量大,在震动时失水量为4. 7%～14. 9% ,震动后剩余水为72. 0% ～81. 3% ,二者构成了赤泥79% ～93%的大持水量[ 3 ] 。高持水量是造成赤泥堆放多年仍能不团结,呈软塑2流塑淤泥质状态的主要原因。赤泥的阳离子交换量波动范围大,最高可达57. 81mg/100g,最低20. 7mg/100g,大部分在25～35mg/100g[ 2 ] 。
2 赤泥的综合回收
赤泥中含有丰富的铁、铝、钙、钛、钪等有用金属元素。这些金属资源目前未得到充分的利用,尤其是在矿产资源日益缺乏的条件下,对赤泥中有用元素的回收显得日渐重要。
2. 1 铁的回收
在现今铁矿产资源日益枯竭的情况下,高铁赤泥成为重要的铁矿产资源。铁在赤泥中的赋存状态主要以Fe2O3 为主,伴有少量的FeO,黄柱成[ 4 ]研究表明,从热力学和动力学来看,从赤泥中还原铁是完全可行的。磁选法是回收铁的重要方法,姜平国等[ 5 ]在50～1250℃左右对赤泥进行烧结,完成晶体结构的重整,可使细粒分布的铁铝分离,磁性部分被还原熔炼产生生铁。
2. 2 二氧化钛的回收
.jpg) 图1 回收TiO2 工艺 |
二氧化钛也是赤泥中含量较丰富的资源之一,有较大的回收价值。目前比较先进的赤泥回收工艺流程如图1。从赤泥中回收TiO2 成本较高,但如果考虑环境的破坏和长期占用土地资源所造成的损失,通过副产品路线回收是值得的。
2. 3 钪的回收
钪是一种典型的稀散金属元素,迄今为止在自然界中发现的独立的钪矿物,如钪钇石、水磷钪矿、钪钛硅矿,资源很少,不能通过自然界开采来成为钪的来源。回收铝土矿等矿物的尾矿或废渣中的伴生钪成为工业上获得钪的主要途径。
氧化铝工业中,原料铝土矿含有丰富的钪,经过冶炼后,在其残渣赤泥中得到进一步富集。肖金凯[ 6 ]通过淋滤实验、酸处理实验以及电子探针分析证实,赤泥中的钪不是离子吸附型,也不存在于新形成的铝硅酸盐矿物中。池汝安等[ 7 ]探讨了从赤泥中提取钪的方法,先将赤泥还原熔炼产生铁和铝钙渣,把铝钙渣用碳酸钠溶液浸出,形成白泥,再从白泥中用化学方法回收钪,得到纯度大于99. 7%的钪,钪回收率为60% ～80%。邵明望[ 8 ]将赤泥先后用硫酸、水浸出,然后用P204 +仲辛醇+磺化煤油进行萃取,NaOH溶液进行反萃取,之后加入盐酸、草酸,得到草酸钪,灼烧后得到白色氧化钪粉末,钪回收率大于80%。
3 赤泥的综合利用
3. 1 用于制备建筑材料
烧结法赤泥的主要矿物是硅酸二钙,与硅酸盐水泥生料接近,因而可用其配以适当的石灰石、砂岩来制备水泥生料。
将赤泥与少量的石灰和粉煤灰以适当的比例制备的新型赤泥道路基层材料,完全符合国家标准,并且有较好的冻稳定性和干缩、温缩性[ 9 ] 。将赤泥、粉煤灰、石渣等工业废料以适当比例混合,加入固化剂,加水搅拌后直接压制成型并养护,可制出符合国标的免蒸养砖。将赤泥结合粉煤灰等其他废料可以制作烧结砖。
目前已研制出利用赤泥、粉煤灰等加入一定的天然矿物添加剂制备出的高性能的艺术型清水砖[ 10 ] ,孔隙率达到40%～50% ,抗折强度可达到50～85MPa。
另外,还可以以赤泥为主要原料,添加铬矿渣、石英砂、工业纯碱、长石等可制得以透辉石为主晶相的,具有较高耐磨、耐腐蚀性以及良好机械强度的微晶玻璃[ 11 ] ,主要用作结构材料。
3. 2 用于制备硅钙复合肥料
赤泥中含有植物生长所必需的微量元素,因而可用来制备效果良好的碱性复合肥料。其生产方法是先将赤泥经过脱水,再在120～300℃进行烘干活化,磨细后即可成为农业肥,对水稻、小麦等农作物具有良好的增产作用。
3. 3 用于塑料填料
在塑料工业中,赤泥主要用作塑料功能性填料。由于赤泥特有的化学组成,使其具有良好的抗老化性能及热稳定性能,同时赤泥对PVC具有补强作用。同时,因为赤泥的流动性要好于其它填料,这就使塑料具有良好的加工性能。赤泥的加入也使红泥塑料具有较好的耐酸、碱性和更强的阻燃性[ 12 ] 。
3. 4 用于废水处理
赤泥经过一些特殊处理,可分别对应吸附废水中的放射性元素铯、锶、铀,重金属离子Cd2 + 、Zn2 + 、Cu2 + ,
以及非金属离子含磷、氟、砷的离子等[ 13 ] 。同时,赤泥可用来制作酪业废水处理的絮凝剂[ 14 ] ,纺织行业废水处理的絮凝剂和混凝剂,以及过滤污水用多孔陶瓷滤料。
4 结 语
铝业是金属冶炼行业中仅次于钢铁的第二大产业,随着铝工业的不断发展,外排的赤泥越来越多,赤泥的综合利用成为全世界共同关注的一大问题。虽然国内外已在这方面做了大量的研究工作,也开发了不少赤泥制产品。但赤泥彻底性的综合治理仍然任重而道远,需要我们展开更深的研究工作,综合分析赤泥的组成和性质、扩大赤泥的应用领域、探索高附加值赤泥产品的生产方法是今后回收、利用赤泥的主要途径。赤泥的有效利用不仅会给铝工业生产带来极大的促进,而且也会带动其他工业领域的良性发展,解决资源浪费、环境恶化等问题,带来巨大的经济效益和社会效益。
参考文献
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