铜尾矿资源的利用现状及展望

铜尾矿资源的利用现状及展望
张宏泉;李琦缘;文进;沈海燕;王振;喻彬璐;邱志勇
【摘要】介绍了我国铜尾矿的利用现状和应用途径,并对铜尾矿在保温隔热材料中的应用进行了分析与展望.利用铜尾矿研制的多孔陶瓷保温隔热建筑材料不仅可减少大量排放铜尾矿带来的环境污染问题,还可以有效提高铜尾矿资源的利用率、降低生产成本,为我国大量铜尾矿废弃物的再利用提供新的发展模式,对发展地区经济和构建环境友好型和资源节约型社会具有重要的社会意义.
【期刊名称】《现代矿业》
【年(卷),期】2017(000)001
【总页数】5页(P127-131)
【关键词】铜尾矿;综合利用;建筑材料
【作者】张宏泉;李琦缘;文进;沈海燕;王振;喻彬璐;邱志勇
【作者单位】武汉理工大学材料科学与工程学院;硅酸盐建筑材料国家重点实验室;武汉理工大学材料科学与工程学院;武汉理工大学材料科学与工程学院;硅酸盐建筑材料国家重点实验室;武汉理工大学材料科学与工程学院;武汉理工大学材料科学与工程学院;武汉理工大学材料科学与工程学院;武汉理工大学材料科学与工程学院【正文语种】中文
铜尾矿又称铜尾砂，是铜矿石经粉碎、精选后剩下的细粉沙粒。

根据我国国土资源经济研究院对我国铜尾矿资源的详尽统计分析[1]，仅仅在1949—2007年，我国铜尾矿的排放总量达到24亿t，且每年呈递增趋势。

尤其是最近几年，铜尾矿的
排放增长量更加迅速，仅江西某地每年就新增1 500余万t，2012年铜尾矿排放
量已高达5.9亿t[2]。

但是，由于铜矿石物理化学性质的复杂和多样化，目前铜尾矿的二次冶炼并不理想，资源化利用率很低。

由于铜尾矿中含有多种铝硅酸盐矿物，且其含量较高，这些铜尾矿在组成成分及工艺性能上更适合于硅酸盐建筑材料领域的工业化再利用[3]，可作为新型建材、化工、轻工及部分新材料的原料。

图1是近年来我国铜尾矿排放的分布图，其中华东地区的铜尾矿排放量最大，约
占全国总排量的33.4%；其次是西南地区，铜尾矿量达4.7亿t，约占全国总量的19.4%；第三是中南地区，铜尾矿达4.4亿t，约占全国总量的18.2%。

在中南地区的铜尾矿分布图中，湖北的铜尾矿排放量最多，达3.09亿t，约占中南地区总
量的70%；第二是广东，铜尾矿量达0.55亿t，约占中南地区总量的12.4%；第三是湖南，铜尾矿量达0.39亿t，约占中南地区总量的8.8%[1]。

图2是湖北大
冶2003—2013年铜尾矿的排放图，其铜尾矿的排放量逐年增加，仅大冶每年处
理的矿石量达280多万t[4]，产出的尾矿砂可达240万t，约占原矿石量的
85.70%。

近年来，大冶铜尾矿每年的排放量超200万t，其铜尾矿排放量已占到
全国总量的13%之多。

面对日益增加的铜尾矿，如何解决铜尾矿堆存带来的环境污染及其资源化再利用已成为我国面临的一个紧迫问题。

然而，多年来我国有色铜冶炼企业多采用简单堆放填埋的方式进行处理。

为此，每年均需为选矿厂拨款征地来扩大其尾矿库的规模和库存量，大量尾矿的堆放还带来了一系列问题[5-11]：
(1)铜尾矿的大量堆存导致土地资源的极大浪费，以及企业运营成本的增加。

尾矿库的建造通常需要占用大量的农田、林地等，并且尾矿库一旦溃泄或排泄不当等都会极大的破坏库存附近的土地。

我国国土面积虽然大，但人均占有耕地面积却很少，大量土地资源被侵占不但会严重影响我国国民经济的可持续健康发展，而且尾矿堆存后的土地往往会受到严重污染。

据相关统计，每年因征地、占地造成的粮
食减产达到100亿t，直接造成的经济损失达100亿元左右[5]。

尾矿处理设施是一个投资巨大、结构复杂的综合构筑物，其基建投资费用占到整个选矿厂的5%～40%，而尾矿库的后期维护仍需投入大量资金[6]。

据有关部门统计，我国冶金矿山尾矿库基建费约13元/t，建成后期管理费约35元/t。

由于尾矿数量基数庞大，企业的投入费用一般高达几十亿元[7]。

(2)铜尾矿的堆存严重污染环境，且存在诸多安全隐患。

尾矿中可能含有重金属离子，甚至砷、汞等污染物质，而在对矿石进行选别的过程中，加入的各种化学药剂会遗留在尾矿中，这些大量有害物质会跟随尾矿的废水流入河流或渗入地下，污染河流及地下水源，严重污染附近区域的生态环境，导致严重的植被破坏及土地退化，甚至直接威胁到人类和动物的生存，对整个生态环境造成严重的危害[8]。

另外，尾矿库主要由尾矿坝和尾矿库库区这两部分构成，库内储放了大量的尾矿，并且积累了大量的库水。

因此，尾矿库是一座具有高势能的人为形成的物源区，因为具有溃坝的隐患，所以是一种极大的危险源。

如果尾矿坝发生溃坝，将直接威胁尾矿库下游人民的生命财产安全及周边地区的生态环境。

我国尾矿库众多，据不完全统计，在全国12 655座尾矿库中，有危库613座，险库1 265座，病库3 032座，正常库7745座[9]。

我国近20 a来发生的一次性死亡10人以上的尾矿库事故有6次[10]，而国外有关尾矿库事故的报道也屡见不鲜。

1985年意大利的普瑞皮尔尾矿库溃坝，导致250人丧生。

1965年智利某铜矿的尾矿库因为地震而溃坝，造成210人死亡。

南非某铂矿和赞比亚某铜矿的尾矿库，分别在1974年和1970年发生溃坝，死亡100人。

美国布法罗尼河矿的尾矿坝溃坝直接造成125人死亡，并且有400人家园被破坏[11]。

(3)铜尾矿二次再利用进展缓慢。

受经济状况及技术水平等一系列因素的限制，目前选矿的工艺水平较差，存在许多
不尽完善的地方，并且在实际操作中也会受到人工等众多因素的影响，无法做到完全不损失一些有价元素进入尾矿中。

仅冶金矿山方面，我国尾矿年排放量高达1.5亿t，而其中尾矿平均含铁量为11%，最高可达27%，相当于1 600万t的铁金
属量。

据有关部门统计，我国现有四千多座矿山尾矿库，尾矿存量约50亿t，且
每年还在以3亿t的速度剧增，但我国尾矿的综合利用率却不到10%。

尾矿中的
有价金属组分和大量的非金属组分得不到可再选回收或有效利用，造成了资源的极大浪费[12]。

我国大多数铜矿的矿石品位较低、多呈多组分共伴生，铜冶炼产生的尾渣量巨大。

但是，尾矿中还存在许多可再利用的成分，尾矿的二次资源化再利用已成为减少铜尾矿的一个重要途径。

因此，铜尾矿的资源化再利用越来越受到人们的广泛关注。

我国大冶有色丰山铜矿通过重—浮—磁—重选联合工艺试验对尾矿进行再选[13]，得到了铜含量为20.5%的铜精矿；除此之外，还获得了铁含量为55.61%的铁精矿和硫含量为43.61%的硫精矿及WO3含量为82.7%的钨粗精矿。

王占岐等利用简单的浮选工艺，对某铜浮选尾矿(锌含量为0.32%)中的闪锌矿进行了综合回收试验，得到了含锌为42.16%的锌精矿，闪锌矿回收率高达86.70%。

同时，国外也广泛
采用选冶联合流程进行铜尾矿的再选[14]，在对铜再回收时，也回收其他组分。

如印度从浮选铜的尾矿中先用摇床重选，然后用湿法回收铀；南非弗斯克公司从选铜尾矿中浮选获得含P2O5 36.6%、回收率为65.6 %的磷精矿；日本赤金铜矿则从
铜尾矿中再选回收秘和钨。

铜尾矿作为二次资源虽然可通过再选而获取精矿产品，但由于目前尾矿再选成本比原矿生产成本高，尾矿再选还未能大规模开展。

同时，由于在技术、设备及管理体制等方面还不完善，导致选矿回收率普遍较低。

如在含钙镁碳酸盐矿物的处理、生产成本的控制、选冶废弃物的处理、硫化铜矿物的溶解技术等方面，还存在着一定的问题[15]。

铜矿尾砂中主要以石英矿物为主，云母次之，此外还含有少量的绿泥石、方解石、白云石、黄铁矿、褐铁矿等，其主要化学成分是SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3和CaO等，同时含有Zn、Mn、Cu、Fe等微量元素。

目前，我国铜尾矿主要有以下几种利用途径。

3.1 铜尾矿用于矿井充填或复垦土地
采矿区充填是目前被认为直接利用铜尾矿最有效的方法之一。

该方法具有来源充足、物流快速和就地取材等优点，并且还能省掉增建、扩建尾矿库的费用。

中国甘肃的金川公司曾进行了一系列尾砂充填试验，包括全尾砂和细砂二合一充当骨料、分级尾砂用作胶凝充填骨料、全尾砂胶凝充填等试验[16]。

试验结果表明，尾砂在低掺入浓度以及全水速凝条件下充填效果较好，可有效解决井下充填料缺乏、细泥筑坝等难题，并且可省去选矿厂脱泥工序。

在土地复垦方面，铜尾矿的再利用也受到国内外的普遍重视。

在美国、德国、澳大利亚等国家的矿山土地复垦率已达到80%，而我国矿山的土地复垦工作起步较晚，直到1980年后期这项工作才开始加快[4]。

20世纪90年代初，马鞍山矿山研究
院曾在姑山尾矿库开展了关于植被复垦方面的研究，研究人员开发研制出了一种“冶金矿山土地复垦专家系统”，它能够为不同地域、不同气候状况、不同土壤及矿石特征的矿山提供最佳的复垦方案和专家意见。

铜尾矿用于井下充填或复垦植被还存在许多问题。

由于尾矿中硫含量较高[17]，无机硫和单质硫如果在空气中暴露时间过长，会很容易被空气中的氧气氧化，从而加速尾矿的酸化过程，并且在酸性条件下还会进一步加快铜等伴生金属向生物效态的转化，导致恶性循环，这对植物的长期生存极为有害。

3.2 铜尾矿用于生产水泥
铜尾矿具有水泥生产所需的多种矿物成分，且粒度细、类型多，作为水泥生产用原料，因其粒度细小，用于水泥生产可减少破碎、粉磨成本[18]。

另外，铜尾矿中含
有Fe、Cu、Zn等微量元素，可用作水泥复合矿化剂，这些微量元素不仅可以降
低烧成温度，还能改善制品的性能。

因此，与黏土等原料相比，具有较大优势。

目前，国内已对利用铜尾矿煅烧生产水泥做了大量工作。

大部分研究结果表明，在水泥生料中单独掺入或混合掺入铜尾矿时，可有效提高水泥熟料的质量和产量，并且能够降低烧成能耗。

山东省昌乐县特种水泥厂[19]进行配料时，发现在掺入5%的铜尾矿后能极大的提高生料的易烧性和降低烧成温度，吨水泥熟料耗煤比标定指标降低16个百分点左右，同时可满足企业对高标号水泥的生产要求；利用铜尾矿代替复合矿化剂，可使企业生产成本降低12个百分点。

施正伦[20]等在2 500
t/d的新型干法回转窑生产线上进行了浙江诸暨铜尾矿替代黏土配料的应用试验研究。

试验结果表明，掺铜尾矿配料较黏土配料，其熟料平均日产量提高10.07个
百分点，熟料标煤耗降低8.29个百分点。

但研究的同时发现，大冶铜尾矿掺杂到
水泥中的比例只能达到24%左右，其他铜尾矿的掺合量在5%～13%。

由于铜尾
矿中微量元素最终将固溶于熟料矿物中，在水化过程中，水泥颗粒表面形成一层薄膜，阻碍了水泥的早期水化，使水泥早期强度降低[21]。

3.3 铜尾矿制作免烧砖
利用尾矿制备的免烧砖主要原料往往为细尾砂，配以少量的骨料和水泥以及外加剂，再掺入一定量的水，均匀搅拌后在压力机上模压成型，脱模后进行标准养护，即成尾矿免烧砖成品。

冯启明[22]等先对四川某铜选厂的尾矿进行了矿物相组成、化学组成、粒度分析，之后利用混凝土发泡剂和废弃聚苯泡沫粒作为预孔剂，适量的水泥和石灰作为尾矿激发剂，通过调整尾矿、石灰和水泥的质量配比，进行浇注、捣压，并且在自然条件下和蒸养条件下养护，最后制备出了强度为10.4 MPa的免烧砖。

利用尾矿制备免烧砖具有生产工艺简单、投资少、见效快的特点，且可大量利用铜尾矿制备性能良好的免烧制品。

铜尾矿中的石英含量很低，与CaO的反应活性低，
且铜尾矿级配较差、粒度过细，直接用于生产将会严重影响蒸压灰砂砖的质量，不宜单独作为生产蒸压灰砂砖的原料。

利用铜尾矿制备免烧砖需要在原料中掺入高SiO2含量的硅质材料。

3.4 铜尾矿制备微晶玻璃
不同产地的铜尾矿化学组成波动较大，其主要化学成分为SiO2，还含有大量的
Al2O3和Fe2O3，除此之外，仍有少量的CaO、K2O以及Na2O等化学成分。

根据铜尾矿化学组成的特征，利用铜尾矿制备微晶玻璃通常选择CaO-Fe2O3-
SiO2[13]及CaO-Al2O3-SiO2体系作为配料的依据。

江勤[23]以钢渣、铜尾矿、粉煤灰为主要原料，以Cr2O3和Fe2O3为复合晶核剂，采用熔融法制备以透辉石(Ca(Fe，Al)(Si，Al)2O6)为主晶相的CaO-Al2O3-SiO2
系统的复合尾矿微晶玻璃，最后得到体积密度分别为2.99，3.12 g/cm3，吸水率、耐酸碱性近乎达到0，抗弯强度分别为192.99，225.82 MPa的复合尾矿微晶玻璃；同时，它的耐急热急冷性能优于大理石、瓷质砖和花岗岩这3种材料，尾矿
利用率达到60%以上。

阎浩[24]等以铜尾矿为主要原料，选择CaO-Fe2O3-SiO2体系作为配料依据，混合料在1 450 ℃保温23 h，再经退火和晶化处理后制得了
以硅灰石为主晶相的微晶玻璃；最后对制得的微晶玻璃进行一系列理化性能测试，结果表明其性能比大理石和花岗岩更优异，并且还在基础玻璃配方中进一步掺入不同的晶核剂，分别引人4%～10%的Cr2O3、TiO2、P2O5，在还原气氛下烧制，各得到咖啡色、淡黄色和灰白色的微晶玻璃。

匡敬忠[25]等利用德兴铜矿的铜尾矿也获得了主晶相为硅灰石的微晶玻璃，并且研究了尾矿加入量、晶核剂的种类、CaO掺入量对核化晶化过程的影响。

3.5 铜尾矿生产陶瓷
建筑陶瓷通常为烧结制品，从陶瓷的形成条件看，它对坯料的化学组分要求不高，一般能够满足成型条件，任何成分系统均可能形成陶瓷材料[26]。

尾矿中含有大量
的硅酸盐矿物，富含SiO2和Al2O3，此外还含有Fe2O3、CaO、Na2O和K2O 等低熔点成分，具有作为陶瓷坯体瘠原料和熔剂原料的基础，可生产尾矿釉面砖等陶瓷制品。

利用尾矿生产陶瓷制品，不但可以充分利用废弃尾矿，缓解对生态环境的破坏，还可大大改善陶瓷材料的隔音、隔热性能。

杜斌[27]等以粉煤灰和铜尾矿为主要原料，掺加膨润土和赤泥，以长石为助熔剂，PVA为稳泡剂，松香皂为发泡剂，利用浆料发泡烧结法进行泡沫陶瓷外墙保温板
的制备。

生产该制品适宜的原料组成为粉煤灰40%、铜尾矿38%、长石10%、膨润土10%、赤泥2%，用松香皂发泡后泡沫引入量为15%时具有较好的综合性能，可制得吸水率为0.95%、体积密度为1.00 g/m3、显气孔率为0.61%、抗压强度
为7 MPa、导热系数为0.10 W/(m·K)的泡沫陶瓷。

丁向群[28]等利用铜尾矿为主要原料，以磷酸盐为主的无机液体黏结剂、碳粉为主的固体发泡剂、金属氧化物和金属氢氧化物为固化剂，通过调整各原料的用量，在900 ℃时成功制备出轻质陶
瓷材料。

我国建筑墙体保温的发展历程较短，建筑节能意识淡薄，目前我国建筑能耗已超过全国总能源消耗的四分之一。

据国家发改委能源项目中心最新数据表明，我国外墙单位建筑面积的能耗量大体是发达国家的4～5倍，单位建筑面积的采暖和空调负荷是发达国家的2～3倍，建筑节能水平低[29]。

随着我国城乡建设的发展，既有建筑约430亿m2，但符合国家建筑节能标准的
建筑不到3.2亿m2。

建筑材料工业“十二五”发展规划预测，2015年新型墙体
材料将需5 700亿块标砖，累计增长达10个百分点，保温绝热材料需求达1 000万t，累计增长达13个百分点，巨大的新增建设量及既有建筑改造为保温隔热建
筑材料提供了广阔的市场空间。

轻质多孔保温隔热陶瓷材料是一种绿色环保陶瓷材料，具有比强度高、热导率低、比表面大及体积密度小等多孔陶瓷的共同属性之外，还具有化学稳定性能和耐热震
性能优良等特点，可根据使用环境选择适合的材料和制备工艺制得适合各种恶劣环境的多孔陶瓷。

利用铜尾矿研制的多孔陶瓷保温隔热建筑材料不仅可以减少由于铜尾矿大量排放带来的环境污染问题，还能有效提高铜尾矿资源化的利用率，最大限度地减少资源浪费，有效降低生产成本、改善生态环境，为我国大量铜尾矿废弃物的再利用提供新的发展模式，对发展地区经济和构建环境友好型和资源节约型社会具有重要的社会意义。

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