磷尾矿在胶结充填材料制备中的应用.pdf

第3 4 卷 2 0 1 4 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 咂T A I J ．U R G I C A LE N G 矾E E R 矾G V 0 1 ．3 4 A u g u s t2 0 1 4 磷尾矿在胶结充填材料制备中的应用① 杨 丽1 ’2 ⋯，邱跃琴1 ’2 ’3 ，金恒1 ’2 ’3 ，张覃1 ’2 ’3 1 ．贵州大学矿业学院，贵州贵阳5 5 0 0 2 5 ；2 ．贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州贵阳5 5 0 0 2 5 ；3 ．贵州省优势矿产资源高效利用工程 实验室，贵州贵阳5 5 0 0 2 5 摘要对贵州某地磷矿浮选后产生的尾矿进行浸出试验，研究C u 、P b 、z n 、C d 这4 种重金属元素的浸出情况，发现浸出液中4 种 重金属元素浓度都未超过国家污染物排放标准 G B 8 9 7 8 - 1 9 9 6 ，可以作为清洁的胶结充填原料。使用水泥作为胶凝材料，在灰料 比 水泥磷尾矿 为l 4 、充填浓度为7 5 ．O ％时，充填材料2 8d 抗压强度最大达到3 ．9 2M P a ；粉煤灰中S i O 、A I 0 ，、C a O 为活性成 分，可以作为胶凝材料替代部分水泥，使充填材料抗压强度增大，在灰料比 水泥粉煤灰磷尾矿 为1 2 6 时，2 8d 抗压强度最大 提高了7 8 ．0 ％。 关键词磷尾矿；充填材料；浸出；抗压强度 中图分类号T D 9 2 6 ．4文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 6 0 9 9 ．2 0 1 4 ．0 8 ．1 3 1 文章编号0 2 5 3 - 6 0 9 9 2 0 1 4 0 8 - 0 4 7 5 0 3 磷矿作为重要的战略性紧缺矿种，其需求量逐年 增加，伴随着磷矿选厂的建设以及对磷矿贫矿资源开 发利用的深入，磷尾矿的产出量也与日俱增，在矿产资 源日益匮乏，尤其是富矿资源日益枯竭的今天，研究磷 尾矿作为二次资源加以回收利用的可能性，对缓解资 源紧张，解决磷尾矿堆存产生的安全和环保问题有着 重要的意义。2 1 。我国开展尾矿资源化利用研究较 晚，但近几年取得了一些进展，在制作建筑材料、尾矿 再选及尾矿用作土壤改良剂等方面取得了一定成 果”J ，充填采矿技术已发展成为了一种低贫损、高效 安全的方法，对解决尾矿大量堆存产生的环保和安全 问题具有很好的实际运用价值HJ 。 本文通过试验考察磷尾矿作为清洁胶结充填原料 的可能性，然后以水泥作为胶凝材料，研究充填材料抗 压强度的变化，并考察使用粉煤灰代替部分水泥后，其 抗压强度的变化情况。 1 试样性质 1 ．1 X 射线衍射分析 为确定磷尾矿物化特性对充填的影响，通过x 射 线衍射 X _ r t O 9 析确定其矿物组成，结果列于表1 中。 表1 磷尾矿的矿物组成 质量分数 ／％ 表I 显示，磷尾矿中主要的矿物组分为白云石，约 占8 7 ．8 5 ％，相对密度为2 ．8 2 ．9g ／c m 3 ，其次为磷灰 石，约占6 ．1 3 ％。另外磷尾矿中还有少量的方解石和 石英，所占比例分别约为3 ．1 7 ％和2 ．8 5 ％，磷尾矿的各 矿物组分在充填体系中不具备胶凝活性，主要作为充 填基体材料，与胶凝材料共同作用形成抗压强度。 1 ．2 磷尾矿微观结构特征 为考察磷尾矿微观结构对充填的影响，通过扫描 电镜分析观察其微观形貌，结果如图1 所示。 l ●， ．i 二”夏i 。j o 麓筝． - l 、薰。’，． 潦、．。、二誊雾‘ 图1 磷尾矿微观形貌 由图1 可以看出，白云石属菱面体晶类，集合体呈 粒状、致密块状、有时呈多孔状肾状体，在胶结充填材 料中作为基体材料，与胶凝材料相互作用，形成骨架， 对充填材料强度起支撑作用。 1 ．3 磷尾矿化学成分特征 对磷尾矿进行电感耦合等离子发射光谱 I C P A E S 分析，确定试样的化学成分及含量，分析结果列 于表2 中。 ①收稿日期2 0 1 4 0 7 - 1 2 基金项目国家科技支撑计划课题 2 0 1 3 B A B 0 7 8 0 3 ；贵州省重大科技专项项目 黔科合重大专项字2 0 1 0 6 0 0 3 作者简介杨丽 1 9 8 4 一 ，女，山西人，硕士研究生，主要从事矿物材料加工与利用方面研究。 通讯作者邱跃琴 1 9 7 4 - ，女，贵州人，副教授，主要研究方向为矿物材料加工与利用。 万方数据 4 7 6矿冶工程 第3 4 卷 表2 磷尾矿化学成分 质量分数 ／％ A lB aC aC dC ec rC uF e M g M n 0 _ 20 ．0 3 1 00 ．0 0 0 10 ．0 0 5 6 0 ．0 0 1 20 ．0 0 3 30 ．6 1 00 ．2 M oN aN iPp bs cS eS nYZ n 0 ．0 0 0 4O ．10 ．0 0 ∞50 ．0 0 1 30 ．0 0 0 5 0 ．0 0 0 l 0 ．0 0 0 10 ．0 0 4 70 ．0 2 从表2 可看出，磷尾矿中C a 、M g 元素含量较高， 由于磷尾矿主要组成矿物为白云石，化学成分为C a M g C O ， ，可知C a 、M g 应主要以碳酸盐形式存在；另外， I C P 分析结果显示，磷尾矿中存在多种重金属元素，备 受关注的c u 、P b 、z n 、c d 均有检出，尤其是其中C u 和 P b 含量相对较高，分别达到0 ．0 0 3 3 ％和0 ．0 0 1 3 ％，有 必要进一步对磷尾矿的清洁性进行考察。 2 重金属元素浸出试验 2 ．1 试验方法 由于浸出搅拌时间、浸出液p H 值、固液比是对有 毒有害物质浸出影响较大的因素，试验以危险废物浸 出毒性浸出方法∞o 为依据，考察这三个因素在不同水 平下，对尾矿中重金属浸出特性的影响情况。试验通 过原子吸收分光光度计测量重金属元素浓度。 2 ．2 搅拌时间对浸出的影响 保持固液比为1 6 、浸出液p H 值为3 ．0 ，考察浸出 搅拌时间对4 种重金属元素的浸出情况，结果列于表 3 中。 表3 搅拌时间试验结果 从表3 可以看出，4 种重金属的溶解浸出在搅拌 时间为6h 时基本达到平衡，继续增加浸出搅拌时间， 浸出液中重金属浓度不再明显增加。 2 ．3 固液比对浸出的影响 当搅拌时间为6h 时，重金属的浸出基本达到平 衡状态，在此基础上研究固液比对浸出的影响，试验结 果列于表4 中。从表4 可以看出，随着固液比的减小， 浸出浓度的不断降低，浸出液中4 种重金属元素的浓 度呈逐渐降低的趋势，浸出液中重金属浓度与固液比 呈正相关关系，主要因为随着固液比的减小，较多的浸 出液对浸出的重金属元素起到稀释作用。 表4 固液比试验结果 2 ．4 浸出液p H 值对浸出的影响 在浸出时间为6h ，固液比为1 6 的条件下，考察 浸出液p H 值对重金属元素浸出的影响，试验结果列 于表5 中。 表5 浸出液p H 值试验结果 由表5 可以看出，当浸出液p H 3 时， 浸出液中重金属的浓度逐渐降低，但趋势不明显。 对比污水综合排放标准G B 8 9 7 8 - 1 9 9 6 - 6J ，磷尾矿 浸出液中属于第一类污染物的c d 和P b ，最高浸出浓度 分别为0 ．0 1 6 5m g ／L 和0 ．0 4 2 7m g ／L ，均低于标准最高允 许排放浓度0 ．1m g ／L ；第二类污染物c u 和z n 最高浓度 分别为0 ．0 9 3 5m g ／L 和0 ．0 4 2 7m g ／L ，满足第二类污染物 最高允许排放浓度的一级标准。可知，试样作为胶结充 填原料，可以不考虑重金属对环境污染的影响。 3 胶结充填材料制备试验 3 ．1 试验方法 将磷尾矿与水泥 P C3 2 ．5 按照水泥胶砂强度 检验方法一。制作试块并放入恒温恒湿混凝土养护箱 中进行养护，测量特定养护龄期的充填材料抗压强度。 3 ．2 料浆浓度对抗压强度的影响 在灰料比 水泥磷尾矿 为1 6 的条件下，考察料 浆浓度对充填材料不同养护龄期抗压强度的影响，试 验结果列于表6 中。由表6 可以看出，灰料比一定条 件下，由于水泥水化反应的逐渐进行，充填材料的抗压 强度随着养护龄期的增加而慢慢增大；因排出泌水损 失的胶凝材料随之减少，充填材料的抗压强度随料浆 浓度的增大有逐渐升高的趋势。 万方数据 2 0 1 4 年0 8 月 杨丽等磷尾矿在胶结充填材料制备中的应用 表6 浓度对抗压强度的影响 3 ．3 灰料比对抗压强度的影响 在料浆浓度为7 5 ．0 ％的条件下，改变灰料比 水泥 磷尾矿 ，测量不同养护龄期充填材料抗压强度，研究 灰料比对其影响，结果列于表7 中。 表7 灰料比对抗压强度的影响 由表7 可以看出，在充填料浆浓度一定的条件下， 增加水泥的用量，水泥水化反应产生更多的胶凝物质， 有利于充填材料形成抗压强度，所以随着水泥添加量 的增加，充填材料的抗压强度明显增大，在灰料比为 1 4 ，充填体2 8 d 抗压强度最大达到3 ．9 2M P a 。 3 ．4 粉煤灰掺量对抗压强度的影响 粉煤灰主要成分为S i O 、A I 0 ，等，具有一定的潜 在活性，与水泥配合使用，可提高充填材料抗压强度， 但由于加入粉煤灰后，料浆浓度在7 5 ．0 ％时，流动性较 差，不利于充填的输送，因此，综合考虑料浆浓度和粉 煤灰掺量，在料浆浓度分别为6 7 ．5 ％、7 0 ．0 ％和7 2 ．5 ％ 时，考察粉煤灰掺量对充填材料抗压强度的影响，结果 列于表8 中。由表8 可以看出，用粉煤灰取代部分水 泥后，在灰料比为1 1 5 ，料浆浓度为7 2 ．5 ％的条件 下，2 8d 抗压强度最大可达到3 ．1 5M P a 。结合表6 结 果，以灰料比l 2 6 与不掺粉煤灰 即灰料比1 6 情 况相比，在料浆浓度相同、水泥用量相同时，充填材料 2 8d 抗压强度最大提高了7 8 ％。可见，在保证相同抗 压强度情况下，粉煤灰的掺入，使得水泥用量大为减 少，可有效降低充填成本。 表8 粉煤灰掺量对抗压强度的影响 4 结语 1 X R D 结合扫描电镜分析结果显示，磷尾矿试 样中主要矿物组分为白云石，另外还有少量磷灰石、方 解石和石英，作为惰性材料，磷尾矿在胶结充填材料中 作为基体材料，起到支撑充填材料抗压强度的作用。 2 对C u 、P b 、Z n 、C d4 种重金属进行的浸出试验结 果表明，浸出液中重金属元素浓度均低于污水综合排放 标准 G B 8 9 7 8 - 1 9 9 6 ，不会对环境产生不利影响。 3 粉煤灰的掺入对提升充填材料抗压强度和降 低充填成本效果较好。充填料浆浓度为7 2 ．5 ％，灰料 比为1 1 5 时，充填材料2 8 d 抗压强度可达到3 ．1 5 M P a ；在灰料比为1 2 6 时，其2 8 d 抗压强度与灰料比 l 6 时相比，最大提高了7 8 ％。 参考文献 [ 1 ] 雷力，周兴龙，李家毓，等．我国矿山尾矿资源综合利用现状与 思考[ J ] ．矿业快报，2 0 0 8 9 5 - 8 ． [ 2 ]吴礼定。曾波，王生军．中低品位磷矿尾矿的综合利用研究进展 [ J ] ．云南化工，2 0 0 8 ，3 5 6 5 5 5 8 ． [ 3 ]夏平，李学亚，刘斌．尾矿的资源化综合利用[ J ] ．矿业快报， 2 0 0 6 5 1 0 一1 3 ． [ 4 ] 孙恒虎，刘晓明，田艳光．矿山充填技术回顾与进展展望[ J ] ．采 矿技术，2 0 1 3 ，1 3 5 7 一1 1 ． [ 5 ] H J ／T 2 9 9 2 0 0 7 ，固体废物浸出毒性浸出方法[ s ] ． [ 6 ] G B 8 9 7 8 1 9 9 6 ，污水综合排放标准[ s ] ． [ 7 ] G B ／T 1 7 6 7 1 - 1 9 9 9 ，水泥胶砂强度检验方法 I S O [ s ] ． 万方数据