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1、矿山废石和尾矿的 50 种可能应用领域- 1 -矿山废石和尾矿的 50 种可能应用领域(不包括有用金属及稀有元素选、冶回收方面)(也不包括用于水泥和混凝土方面) 2005-8-25北京科技大学 陈希廉一、引言我国现有矿山企业 15.5 万多个，各类中小矿山 14.5 多万个。至于全国矿山已堆积的废石和尾矿及其继续排放量究竟有多少，目前说法不一，例如，有人说：“各类矿山 2000 年的年排放尾矿约 6 亿吨 1（尚未计排放的废石）”；也有人说：“金属矿山堆存的尾矿超过 50 亿吨 2(尚不包括化工等非金属矿的尾矿)”；还有人说：“煤矸石年排放 1.4 亿吨，煤矸石的堆放量已达 70 亿吨 3，占
2、地约 70km2。”；但是，刘宝珺院士今年刚发表的文章 4中提到：“从全国来看，我国每年矿石采掘量有 50 多亿吨，矿业固体废弃物已经积存了 65 亿吨，每年还要净增 6 亿吨”。从 2004 年发表的参考文献 3来看，仅仅煤矸石的堆放量就已达到 70 亿吨，那么矿业固体废弃物的积存量何只 65 亿吨？！。笔者认为这是由于还没有进行过全国范围有组织的详细调查统计的缘故；如果进行详尽的调查统计，各类矿山总的废石和尾矿的堆存量，肯定还要大大超过现有不同学者的统计量。由上述可见，汇总上述不同学者的不完整统计，如果说金属矿山、非金属矿山和煤矿现有固体废弃物的总堆放量已超过 150 亿吨亦不为过；因为光
3、是尾矿加煤矸石已达到 120 亿吨。何况许多大露天矿的废石量往往还超过其尾矿量！这些矿山排放的废弃物，不仅占用堆放土地，而且污染土壤及江、河、湖、海等水体，影响农、林、牧、副、渔等生产，乃至影响人类的健康。但是，如果能加以利用，却可能化废为宝，化害为利，而有利于生产建设的持续发展；特别是将废石或尾矿当作原料用，还可节省开采乃至破碎、细磨等成本；可惜目前我国尾矿的利用率仅8.2%左右 2，煤矸石接近 20，而废石的堆放及利用率尚未见统计。这些矿山废弃物的利用率，较之粉煤灰利用率 45，冶金渣利用率 50低得多，因此怎样尽快解决尾矿和废石的利用问题是当务之急，不仅是国民经济持续发展的需要，更是老矿
4、业基地振兴的需要。尾矿和废石的利用率为什么这样低？除了某些矿山不够重视的因素外，主要是由于这些废弃物的利用牵涉到其它非地质或采选专业的知识，因而还不知其有何用途，而没有将其利用起来。为此，笔者收集了有关资料，写出本文以供参考。目前，对于尾矿中存在的金属或稀有元素等有用组份的选、冶回收利用，多数矿山已经较重视，所以这里仅阐述其它方面的用途；而不涉及共生或伴生金属或稀有元素等的回收利用问题。同时，考虑到废石及尾矿用于水泥和混凝土领域的前景更远大，将另文说明。矿山废石和尾矿的 50 种可能应用领域- 2 -二、废石尾矿的各种可能用途1.用作生产矿物聚合物的原料 567：矿物聚合物(Mineral P
5、olymer)又名地质聚合物(Geopolymer)，是近年来新发展起来的碱激发胶凝材料，它在许多场合可代替水泥；较之生产水泥，能耗可减少 70%，排放污染物可减少约 90；同时，它具有高抗折强度、耐腐蚀、耐高温、隔热以及更好的体积稳定性，特别是阻止重金属从构筑物中溶出方面性能优异。但是，与水泥相比较价格优势不明显，因而尚难以完全取代水泥；目前还主要用于对强污染废弃物的固化等方面。但是，现在已经有人开始研究利用尾矿来制造这种材料，并获得初步成功。例如，以中国地质大学马鸿文教授为首的实验室，已经利用福建沙县田口钾长石尾矿和北京平谷县将军关金矿尾矿试制这种材料，试验结果都表明是可行的。由于原料中以
6、尾矿为主(平谷金矿尾矿的配加量可达 80)，所以降低了生产成本，而且可以享受减免税费的优惠，使其与水泥有了一定竞争力。能用作矿物聚合材料的尾矿要求是成份中以铝硅酸盐为主，并含有一定量的碱金属；而且希望其中非晶质物质含量较高。2.用作污水处理时直接降解重金属的材料：最早利用矿山尾矿用于污水处理的是瑞典，早在 30 多年前瑞典已经在利用波立登和克里斯廷贝两座选矿厂的尾矿来净化酸性污水和城市污水 8。尾矿净化污水的原理是：用尾矿泥加入城市污水，矿泥能将重金属离子吸附于尾矿的表面，形成沉淀物从水中分离，而且比一般的氢氧化物吸附分离要充分。研究表明，如果吸附是纯表面的结合，那么每吨尾矿可吸附几磅金属；如
7、果能兼起化学反应，例如像磁黄铁矿对于汞离子起化学作用那样，那么每吨尾矿可吸收数百磅金属。据我国 互联网 2004 年 10 月 13 日的报导：“天然磁黄铁矿,已有的研究表明,它具有极好的处理含六价铬废水的能力。”这又是一个例证，而且说明磁黄铁矿不仅可以用于处理含汞废水，还可以处理含铬废水。就笔者所知，有的矿山如福建尤溪某多金属矿，由于当地不让用硫铁矿提取硫磺(怕污染环境 )，尾矿中磁黄铁矿含量高达 30多，理应可利用于这个领域。3.用作物理法处理污水的滤料 9：“物理法处理污水常用于一级处理，是为了去除污水中的悬浮物或乳浊物。物理法有多种，其中过滤法常用的滤料是石英砂、石榴石粒、磁铁矿粒、
8、白云石粒、花岗岩粒等，国外还有用钛矿砂者。 ”这些物质是尾矿中所常见的。但是，能用作这种滤料对粒度有一定要求；例如，对石英砂的粒度要求是矿山废石和尾矿的 50 种可能应用领域- 3 -0.51.2mm，对石榴石砂的要求是 0.20.5mm。某些钨矿山的尾矿中常以石英粒或花岗岩粒为主，故有可能从其跳汰粗选尾矿中筛选出符合粒度要求的这种滤料。4.用作化学法处理酸性污水的碱性滤料 9：化学处理常用于工业废水的处理。有多种方法，其中过滤中和法( 适用于酸的浓度不太大时)的滤料有三种：石灰石、大理石和白云石。这三种岩石在矿山废石中是常见的，但由于其量少而块度又不大，既不能用作建筑饰材，也不能用作烧石灰或
9、用作冶炼熔剂，而附近如果有工厂需要进行酸性污水处理，则挑选出来用作滤料却不失为物尽其用。5.用作曝气生物滤池(BAF)的滤料 1011：目前尾矿或废石用于污水处理的最大量用途，却可能是先进的曝气生物滤池污水处理的滤料。其中专业名称为“Arlita”的滤料，经笔者研究，完全可以用粘土矿物含量高的尾矿或废石中的页岩(包括煤矸石)，并添加少量辅料来制造。符合这种原料要求的是必须含有较多的伊利石或蒙脱石等粘土矿物，这些矿物的特点是当高温焙烧时，熔化与膨胀基本同步。根据笔者的研究，某沉积铁矿的顶板围岩，配加少量辅料后，不仅可用于制造这种滤料，而且还可以同时提取钾肥。6.用于生产膨胀珍珠岩 8：膨胀珍珠岩
10、是一种轻质、保温、隔热、吸音材料。该材料已广泛用于建筑、化工、电力、深冷工程等领域，以及作为食品、制药工业的过滤辅助原料等。膨胀珍珠岩主要利用珍珠岩为原料,但也可以利用玻璃质含量高的各种火山岩为原料。近年来发现与火山岩有关的矿床很多，矿山废石中如有这些岩石，当然可以加以利用。7.用于制造微晶玻璃饰材 212：微晶玻璃饰材是高档建筑饰材之一，它具有高强、耐磨、光泽度高、无色差、可以任意着色等特点。地质科学院原尾矿利用中心主任李章大教授最早开展利用尾矿制造微晶玻璃的研究；笔者所在的北京科技大学也进行了此项研究，并都已获得成功。为了适应尾矿成分复杂多变的特点，笔者还编制了微晶玻璃计算机优化配料系统，
11、已经过大量试验的验证，并已通过专家的鉴定。适合于制造微晶玻璃的尾矿是高硅低铁的尾矿，最好能含有一定量的碱金属，例如某些高岭土矿山、黄金矿山、钨矿山的尾矿等。目前利用正规原料烧制的微晶玻璃多是单晶相的，北科大在研制某钒钛铁矿的尾矿用于制造微晶玻璃时，由于尾矿成分复杂，出现了双晶相(硅灰石和透辉石)的微晶玻璃，其效果也不错，说明当原料成分复杂时也可制成微晶玻璃。近年还发展出制造微晶玻璃陶瓷复合板的技术，这种板材由于在晶化时可以不用莫来石的模具，可大大降低成本，相应可大大降低售价，因而有可能让此产品进入千家万户，这就大大拓宽了其市场。值得注意的是，微晶玻璃由于其高绝缘性还可用作绝缘材料。8.用于制造
12、泡沫微晶玻璃 1314：泡沫玻璃是一种保温、隔热、吸声的轻质新型建矿山废石和尾矿的 50 种可能应用领域- 4 -筑材料。这种新材料对原料的要求与微晶玻璃相近，所以也可以用一些与微晶玻璃相近似的废石或尾矿来生产，但要求添加一些发泡剂。9.利用煤矸石发电 31：煤矸石是煤矿的废石，截至 2002 年底，我国已有综合利用煤矸石、煤泥发电厂 163 座，装机容量 270 万 KW。这种煤矿废石的利用，既减少了煤矸石的占地面积，又增加了供电量。根据笔者的研究，北京某煤矸石热电厂发电后的炉渣，还可以用于生产曝气生物滤池的滤料。其实煤矸石就是一种含碳量较高的页岩，我国许多省份有所谓含钒石煤，也是一种含碳量
13、较高的页岩，有的矿山已在利用其提钒的同时进行发电，如湖南某含钒石煤矿。10.用作家畜、家禽的饲料添加剂 3637：随着科技的发展，人们发现矿物质中，至少有沸石、凹凸棒石、麦饭石、膨润土及稀土元素等可作为饲料添加剂；它们对家畜、家禽的生长有很大的助益。这些矿物中，尽管有些矿物质不可能出现于废石和尾矿中，但也有些矿物质可出现于废石或尾矿中，如麦饭石、沸石等；当然其纯度不如地道这些矿床的矿石，但是对于作为家禽饲料的添加剂，其纯度要求不太高，可以加以应用。11.水产养殖饲料的添加剂 38：在水产养殖中用得较多的是沸石、麦饭石和膨润土。它们作为添加剂用量不多，仅需添加饲料总量的 13；但有的不仅可有吸附
14、作用，可净化水质并增加水中含氧量，同时可吸附鱼类肠道中各种有毒物质和有害细菌；有的有离子交换作用，鱼类可吸收其所含的钾、镁、铁、锰、钡、锆等，并能将鱼体或饲料中的有毒重金属置换出来。尽管这些矿物质如果出现于废石或尾矿中可能品位不高，但只要稍增加洒入水体的用量，亦可发挥作用。12.用作生产矿物棉的原料 8：矿物棉是岩棉和矿渣棉的统称。是纤维状材料，具有绝热、防火、吸声、抗震等性能。可用于制造板、管、毡、带、纸以及仓库或超市的防火帘等各种制品，还可用于建筑和工业装备、管道、窑炉及仓库等。近年来，由于我国开始禁用石棉(因石棉有致癌作用) ，矿物棉的需求激增。尽管某些高炉渣可用于生产矿物棉，其成本虽低
15、，但往往成分波动大而影响到质量的稳定；如果用废石来生产，虽然成本稍高，但易于通过配料来保证成分的稳定。有许多废石或其组合都可以用作矿物棉的原料；例如，镁质泥灰岩、玄武岩(辉绿岩)或辉长岩掺加石灰岩、粘土岩掺加白云岩和白云质灰岩、砂岩掺加白云岩、6570的花岗岩配加 3035的白云质泥灰岩、正长岩掺加少量白云岩等。一般通过饱和系数来衡量岩石的组合是否可用，当饱和系数稍大于 1 时，才适于制造矿物棉。饱和系数 (SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO+Fe2O3+FeO+MnO)。13.用作矿物药材 394041：对于中药，可以入药的矿物有 50 中之多，如朱砂( 辰砂)、雄黄、阳起石、滑石、磁
16、铁矿等。但是，可能出现于废石中的只有阳起石、滑石、麦矿山废石和尾矿的 50 种可能应用领域- 5 -饭石等。其中最可能出现于废石中的是麦饭石，因为它是一种较常见的岩浆岩。它的应用，在我国始见于南北朝时期(距今 1500 多年)，在宋代的图经本草(距今 900 多年)中已有较详细的记载；到了明朝，李时珍在其本草纲目中也介绍它了它的用途。近代我国地质学者如王嘉荫等都进行过考证。日本称麦饭石为“健康石” ，南韩称其为“矿泉药石” ，台湾称其为“长寿石” 。在国外，对麦饭石进行研究的国家有：日本、美国、南韩和新加坡等。他们着重研究其理化作用和应用，主要利用麦饭石于改善水质和卫生保健。如日本用麦饭石制造矿泉水用来饮用、洗浴、和作为饲料的添加剂。麦饭石是什么岩石？根据地质工作者的考证，主要是二长斑岩类，这种岩石常成为小型的岩浆侵入体。次生蚀变或风化，对二长斑岩类是否能成为麦饭石极为重要，因为
