工業(yè)廢渣赤泥的特性及回收利用現狀
摘要:赤泥是氧化鋁生產產生的最大工業(yè)廢渣,給社會、環(huán)境帶來了沉重的負擔。本文概述了赤泥的工業(yè)特性,介紹了赤泥在金屬回收以及新材料制備等方面的研究概況。
關鍵詞:赤泥; 特性; 回收; 利用
赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時排出的污染性廢渣,一般平均每生產1 t氧化鋁,附帶產生1. 0～2. 0 t赤泥[ 1 ] 。我國作為世界第4大氧化鋁生產國,每年排放的赤泥高達數百萬噸。大量的赤泥不能充分有效的利用,只能依靠大面積的堆場堆放,占用了大量土地,也對環(huán)境造成了嚴重的污染。
我國借助國內赤泥高鈣、高硅而低鐵的特點,利用赤泥燒制水泥成為一條可喜的廢渣利用途徑。但是相對于赤泥巨大的排放量,有限的利用率仍然不能減緩赤泥給社會、環(huán)境帶來的沉重負擔。放眼21世紀,資源、能源、環(huán)境成為這個時代最大的問題,而工業(yè)廢渣能否最大限度的利用又牽扯到這些問題的有效解決。
所以,更加全面深入研究赤泥的特性,如何研制工業(yè)廢渣類新型材料,充分有效的回收利用赤泥已經成為現階段一項迫在眉睫的任務。
1 赤泥的特性
1. 1 赤泥的成分特征
赤泥是在從鋁土礦中提煉氧化鋁的過程中形成,主要成分為SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3 ,其各組分含量又因鋁土礦的產地和氧化鋁的生產工藝不同而異。
赤泥中含有可再生利用的氧化物和多種有用金屬元素,成為赤泥再生利用的基礎。利用赤泥中含有較高的CaO、SiO2 可生產硅酸鹽水泥及一些專用水泥; 利用它的SiO2、Al2O3、CaO、MgO 含量特征及少量的TiO2、MnO、Cr2O3 ,可以生產特種玻璃;同時,赤泥中含有豐富的鐵、鈧、鈦等有用金屬元素。
1. 2 赤泥的礦物特征
赤泥的礦物組成也因氧化鋁的生產方法不同而異,景英仁等[ 2 ]采用偏光顯微鏡、掃描電鏡等7種手段對赤泥的礦物成分進行測定,發(fā)現其主要成分為文石和方解石,其次為蛋白石、三水鋁石、針鐵礦,另有少量的鈦礦物、菱鐵礦、水玻璃、鋁酸鈉和火堿。
1. 3 赤泥的物理、化學性質
赤泥具有膠結的孔架狀結構,主要由結構2凝聚體、結構2集粒體、結構2團聚體3級結構構成。3者之間形成了凝聚體空隙、集粒體空隙、團聚體空隙。這使赤泥具有較大的比表面積,而且以大小相差懸殊、變化幅度大為其明顯特征。
赤泥屬高壓縮性、低抗剪強度廢渣。以山西鋁廠為例,其壓縮系數a200 = 1. 0～1. 6MPa- 1 ,內摩擦角Φ =24°～33°,粘聚力C = 6. 6～33. 0MPa,二者都不會因溶液性質的改變而變化[ 2 ] 。赤泥含水量大,在震動時失水量為4. 7%～14. 9% ,震動后剩余水為72. 0% ～81. 3% ,二者構成了赤泥79% ～93%的大持水量[ 3 ] 。高持水量是造成赤泥堆放多年仍能不團結,呈軟塑2流塑淤泥質狀態(tài)的主要原因。赤泥的陽離子交換量波動范圍大,最高可達57. 81mg/100g,最低20. 7mg/100g,大部分在25～35mg/100g[ 2 ] 。
2 赤泥的綜合回收
赤泥中含有豐富的鐵、鋁、鈣、鈦、鈧等有用金屬元素。這些金屬資源目前未得到充分的利用,尤其是在礦產資源日益缺乏的條件下,對赤泥中有用元素的回收顯得日漸重要。
2. 1 鐵的回收
在現今鐵礦產資源日益枯竭的情況下,高鐵赤泥成為重要的鐵礦產資源。鐵在赤泥中的賦存狀態(tài)主要以Fe2O3 為主,伴有少量的FeO,黃柱成[ 4 ]研究表明,從熱力學和動力學來看,從赤泥中還原鐵是完全可行的。磁選法是回收鐵的重要方法,姜平國等[ 5 ]在50～1250℃左右對赤泥進行燒結,完成晶體結構的重整,可使細粒分布的鐵鋁分離,磁性部分被還原熔煉產生生鐵。
2. 2 二氧化鈦的回收
.jpg) 圖1 回收TiO2 工藝 |
二氧化鈦也是赤泥中含量較豐富的資源之一,有較大的回收價值。目前比較先進的赤泥回收工藝流程如圖1。從赤泥中回收TiO2 成本較高,但如果考慮環(huán)境的破壞和長期占用土地資源所造成的損失,通過副產品路線回收是值得的。
2. 3 鈧的回收
鈧是一種典型的稀散金屬元素,迄今為止在自然界中發(fā)現的獨立的鈧礦物,如鈧釔石、水磷鈧礦、鈧鈦硅礦,資源很少,不能通過自然界開采來成為鈧的來源；厥珍X土礦等礦物的尾礦或廢渣中的伴生鈧成為工業(yè)上獲得鈧的主要途徑。
氧化鋁工業(yè)中,原料鋁土礦含有豐富的鈧,經過冶煉后,在其殘渣赤泥中得到進一步富集。肖金凱[ 6 ]通過淋濾實驗、酸處理實驗以及電子探針分析證實,赤泥中的鈧不是離子吸附型,也不存在于新形成的鋁硅酸鹽礦物中。池汝安等[ 7 ]探討了從赤泥中提取鈧的方法,先將赤泥還原熔煉產生鐵和鋁鈣渣,把鋁鈣渣用碳酸鈉溶液浸出,形成白泥,再從白泥中用化學方法回收鈧,得到純度大于99. 7%的鈧,鈧回收率為60% ～80%。邵明望[ 8 ]將赤泥先后用硫酸、水浸出,然后用P204 +仲辛醇+磺化煤油進行萃取,NaOH溶液進行反萃取,之后加入鹽酸、草酸,得到草酸鈧,灼燒后得到白色氧化鈧粉末,鈧回收率大于80%。
3 赤泥的綜合利用
3. 1 用于制備建筑材料
燒結法赤泥的主要礦物是硅酸二鈣,與硅酸鹽水泥生料接近,因而可用其配以適當的石灰石、砂巖來制備水泥生料。
將赤泥與少量的石灰和粉煤灰以適當的比例制備的新型赤泥道路基層材料,完全符合國家標準,并且有較好的凍穩(wěn)定性和干縮、溫縮性[ 9 ] 。將赤泥、粉煤灰、石渣等工業(yè)廢料以適當比例混合,加入固化劑,加水攪拌后直接壓制成型并養(yǎng)護,可制出符合國標的免蒸養(yǎng)磚。將赤泥結合粉煤灰等其他廢料可以制作燒結磚。
目前已研制出利用赤泥、粉煤灰等加入一定的天然礦物添加劑制備出的高性能的藝術型清水磚[ 10 ] ,孔隙率達到40%～50% ,抗折強度可達到50～85MPa。
另外,還可以以赤泥為主要原料,添加鉻礦渣、石英砂、工業(yè)純堿、長石等可制得以透輝石為主晶相的,具有較高耐磨、耐腐蝕性以及良好機械強度的微晶玻璃[ 11 ] ,主要用作結構材料。
3. 2 用于制備硅鈣復合肥料
赤泥中含有植物生長所必需的微量元素,因而可用來制備效果良好的堿性復合肥料。其生產方法是先將赤泥經過脫水,再在120～300℃進行烘干活化,磨細后即可成為農業(yè)肥,對水稻、小麥等農作物具有良好的增產作用。
3. 3 用于塑料填料
在塑料工業(yè)中,赤泥主要用作塑料功能性填料。由于赤泥特有的化學組成,使其具有良好的抗老化性能及熱穩(wěn)定性能,同時赤泥對PVC具有補強作用。同時,因為赤泥的流動性要好于其它填料,這就使塑料具有良好的加工性能。赤泥的加入也使紅泥塑料具有較好的耐酸、堿性和更強的阻燃性[ 12 ] 。
3. 4 用于廢水處理
赤泥經過一些特殊處理,可分別對應吸附廢水中的放射性元素銫、鍶、鈾,重金屬離子Cd2 + 、Zn2 + 、Cu2 + ,
以及非金屬離子含磷、氟、砷的離子等[ 13 ] 。同時,赤泥可用來制作酪業(yè)廢水處理的絮凝劑[ 14 ] ,紡織行業(yè)廢水處理的絮凝劑和混凝劑,以及過濾污水用多孔陶瓷濾料。
4 結 語
鋁業(yè)是金屬冶煉行業(yè)中僅次于鋼鐵的第二大產業(yè),隨著鋁工業(yè)的不斷發(fā)展,外排的赤泥越來越多,赤泥的綜合利用成為全世界共同關注的一大問題。雖然國內外已在這方面做了大量的研究工作,也開發(fā)了不少赤泥制產品。但赤泥徹底性的綜合治理仍然任重而道遠,需要我們展開更深的研究工作,綜合分析赤泥的組成和性質、擴大赤泥的應用領域、探索高附加值赤泥產品的生產方法是今后回收、利用赤泥的主要途徑。赤泥的有效利用不僅會給鋁工業(yè)生產帶來極大的促進,而且也會帶動其他工業(yè)領域的良性發(fā)展,解決資源浪費、環(huán)境惡化等問題,帶來巨大的經濟效益和社會效益。
參考文獻
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