变废为宝矿山废石和尾矿的45种可能应用途径

/变废为宝矿山废石和尾矿的45种可能应用途径中国是矿产资源大国，伴随产生的矿山废石和尾矿量也是巨大的，这些固废不仅占用大量土地，而且污染土壤及江、河、湖、海等水体，影响农、林、牧、副、渔等生产，甚至影响人类的健康。矿业对环境的破坏和地球资源的日趋枯竭，致使人们越来越关注矿山固体废物的处理和资源化。有句话说得好，「尾矿就是放错地方的资源」，假如利用好了，那就是金子！下面，就与大家共享一下矿山废石和尾矿的45种可能应用领域，以期大家对固废利用途径有更深一步的了解。1、用作生产矿物聚合物的原材料矿物聚合物，又名地质聚合物，是近年来新进展起来的碱激发胶凝材料，它在很多场合可代替水泥；较之生产水泥，能耗可削减70%，排放污染物可削减约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，特别是阻拦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；目前还重要用于对强污染废弃物的固化等方面。但是，现在已经有人开始讨论利用尾矿来制造这种材料，并获得初步成功。由于原材料中以尾矿为主，所以降低了生产成本，而且可以享受减免税费的优惠，使其与水泥有了肯定竞争力。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，并含有肯定量的碱金属；但是最紧要的是，其中非晶质物质的含量要较高。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多年前瑞典己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。尾矿净化污水的原理是：将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别，而且比一般的氢氧化物吸附分别要充分。讨论表明，假如吸附是纯表面的结合，那么每吨尾矿可吸附几磅金属；假如能兼起化学反应，例如像磁黄铁矿对于汞离子起化学作用那样，那么每吨尾矿可汲取数百磅金属。3、用作物理法处理污水的滤料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、白云石粒、花岗岩粒等，国外还有用钦矿砂者，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肯定要求；例如，对石英砂的粒度要求是0.5—1.2mm，对石榴石砂的要求是0.2—0.5mm。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用作冶炼熔剂，而相近假如有工厂需要进行酸性污水处理，则选择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，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。符合这种原材料要求的是必需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。6、用于生产碳酸钙造纸白泥、电石渣、磷石膏、碱渣等中含有大量的氢氧化钙或氧化钙，可用作生产轻质碳酸钙的原材料。如新疆天业碳酸钙项目就是以电石生产过程中产生的废渣和工业排放高纯二氧化碳为原材料，规模为年产5万吨碳酸钙系列产品。美国矿物技术集团（MTI）在太阳纸业利用造纸白泥成功制备出具有商业价值的矿物填料。7、用于制造微晶玻璃饰材微晶玻璃饰材是高档建筑饰材之一，具有高强、耐磨、光泽度高、无色差、可以任意着色等特点。适合于制造微晶玻璃的尾矿是高硅低铁的尾矿，最好能含有肯定量的碱金属，例如某些高岭土矿山、黄金矿山、钨矿山的尾矿等。矿渣微晶玻璃板是用硅砂、方解石、长石与矿渣等天然矿物原材料加入核化剂与着色剂等化工原材料，经过熔制、成型、切割与抛光后形成一种高档装饰或工业用板材，国内外有的称之为微晶大理石、结晶化玻璃、硅晶石板或玻璃陶瓷。8、制造泡沫微晶玻璃泡沫玻璃是一种保温、隔热、吸声的轻质新型建筑材料。这种新材料对原材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貌似的废石或尾矿来生产，但要求添加一些发泡剂。9、水泥的基本原材料水泥的基本原材料是石灰石和粘土矿。石灰岩和粘土岩（页岩等）都是矿山常见的废石，或是含相应成分的尾矿也可用作基本原材料。要注意的是对于利用石灰岩和粘土岩，不要机械地照搬过去规范中的品位指标要求。10、水泥的混合材料水泥中加入适量的混合材料，既可改善水泥的某些性能，又可节省基本材料的消耗。混合材料分为填充性和活性两种。目前，高炉渣、粉煤灰已成为常用的水泥活性混合材料。实际上有些尾矿也适于用作混合材料，例如角闪岩中的钒钛铁矿床的尾矿。废石（或尾矿）中非晶质物质含量较高者，如玻璃质火山岩、凝灰岩、浮岩等还可用作活性混合材料。11、水泥的校正原材料重要是铁质校正原材料和硅质校正原材料。这两种原材料也可以利用尾矿。例如，福建尤溪某多金属矿的尾矿，铁的含量高，已售给水泥厂用作铁质校正原材料。多数鞍山式铁矿的尾矿，既含有大量硅，也含有铁，都有成为校正原材料的可能。12、矿物棉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，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，但往往成分波动大而影响到质量的稳定；假如用废石来生产，虽然成本稍高，但易于通过配料来保证成分的稳定。有很多废石或其组合都可以用作矿物棉的原材料；例如，镁质泥灰岩、玄武岩（辉绿岩）或辉长岩掺加石灰岩、粘上岩掺加白云岩和白云质灰岩、砂岩掺加白云岩、65～70%的花岗岩配加30～35%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。13、砂石骨料砂石骨料是建筑、道路、桥梁等基础设施工程建设用量最大、不可或缺、不可替代的基础材料。但砂石骨料属于不可再生资源，几千年的开采对地球环境造成了很大破坏。而我国金属和非金属矿行业，在长期开采生产过程中，矿山产生大量的废石、尾矿，利用这些尾矿资源完全可替代或替代砂石骨料。矿山的很多废石都可以用作粗、中粒骨料，评价骨料时要考虑岩石的物理性质和化学成份。两者都取决于岩石的种类，但还要考虑其裂隙发育程度和风化程度。物理性质中，强度大者当然有利；此外，还要考虑弹性模量，弹性模量越接近水泥砂浆越好。同时，还要求用作骨料的废石，其中片状或纤维状岩屑含量都不能太多。一般说来，石灰岩（不含非晶质SiO2和MgO者）、细砂岩、石英岩、结晶相对较细的花岗岩、闪长岩、片麻岩和玄武岩等都适用于作为骨料。某些飞机场跑道的混凝土还专门要求用玄武岩作为骨料，这就与天然岩石中玄武岩的强度最高有关。岩石的化学成份也不可忽视，重要是要防备“碱－骨料反应”问题，碱－骨料反应在国际上被称为混凝土的癌症。14、混凝土细骨料利用尾矿作为混凝土的细骨料，也要考虑对粗、中粒骨料的同样要求。一般说来，尾矿砂较之海砂或河砂更好，由于海砂往往“含有盐分、氯离子，简单使钢筋锈蚀，而且尾矿表面粗糙、具有棱角，可以加添混凝土的强度。尾矿要用作细骨料，要求肯定的粒度，当粒度不符合要求时，需要将尾矿进行筛分处理。粗砂使混凝土较为干涩，黏性下降，工作性不好；特细砂不但使混凝土极易离析，而且需水量大，从而提高了水泥用量。15、用作铸石原材料铸石具有耐磨、抗腐蚀的特点。其耐磨性是锰钢的5～10倍，是铸铁的几十倍，除了氢氟酸外，几乎不与酸、碱起反应。因而广泛用于化工、矿山、冶金、水电等部门。玄武岩或辉绿岩最适于制造铸石，而这两种岩石也可以是矿床的围岩。此外，在生产铸石时，为了补充主原材料中某些成分之不足，还常用角闪石、蛇纹石、石灰石、重晶石等作为辅料；还可用铬铁矿、钦铁矿尾矿作为核化剂。16、用作重质碳酸钙原材料重质碳酸钙重要用作塑料、橡胶、玻璃、陶瓷、牙膏等行业的重要原材料或填充料。它重要以方解石，白云石为重要原材料，其要求是纯度高，含铁低，无硫，对人体无害。有些矿床的废石中存在大型方解石脉或白云石脉的碎块或纯洁的大理岩、白云岩，可从废石中选择出来作为此原材料。例如，广西贺州利用石材废料生产重质碳酸钙，已形成了“矿山开采—天然石材—重钙粉体—生态岗石—涂料、塑料—废浆废渣再利用”“一石多吃、吃干用完”的全国为数不多的碳酸钙绿色循环全产业链。17、用作微量化学肥料微量化学肥料被认为是植物生长的“维生素”，已发觉的微肥至少有十几种，如：Zn、Mn、B、Mo、V、Co、Li、Ti以及某些稀土元素等。微肥的增产效果显著，针对作物和土壤特点，其增产幅度为5～30%，但尾矿中应不含重金属有害杂质。18、用作磁性肥料磁肥是近年来国内外公认的新型肥料之一。我国马鞍山矿山讨论院早在80时代就曾讨论用磁化铁矿尾矿作为磁肥并取得成效。我国现在开采的铁矿山，采出的矿石以磁铁矿矿石占多数，所以这个用途，值得重视。19、用于制造人造4A沸石传统的洗涤剂的助剂是三聚磷酸钠（STPP），但由于它会造成洗衣废水的磷污染，近年开始采纳4A沸石以取代STPP。近年我国已有学者讨论成功利用含高岭石为主的煤矸石来制造4A沸石，也有的讨论表明蒙脱石也可用于制造4A沸石。同时，假如废石中铁含量较高，也已有脱铁的方法，这就为利用矿山废石制造4A沸石开垦了广泛的前景；由于不仅煤矸石才含高岭石或蒙脱石，有些非煤矿废石中的页岩、火山岩或热液蚀变岩也可含大量高岭石或蒙脱石。20、用作玻璃原材料某些高硅尾矿，如金矿尾矿、钨矿尾矿、高岭土矿尾矿以及某些富含钾长石的尾矿，都可用作玻璃的原材料，这是众所周知的事实。但是，假如尾矿中铁的含量高，则不能作为平板玻璃的原材料，而只能作为有色瓶罐玻璃的原材料。21、用于生产玻化砖玻化砖也是一种建筑装饰材料，也可用高硅尾矿来生产；但是生产成本较之微晶玻璃低得多，而且对原材料的要求也不如微晶玻璃高，所以有更多的尾矿可用于生产这种建筑装饰材料。22、用于生产钙镁磷肥适用于生产这种肥料的是含镁高的废石或尾矿，如蛇纹岩、橄榄岩或超基性岩矿床的尾矿等。某些含镁高的金属矿石，假如是难选矿石，还可通过生产钙镁磷肥富集其中的金属；例如，某地曾用含镍蛇蚊岩配加一些含磷等原材料进行熔炼；其中镍等金属因比重点富集于炉底而形成人工富矿，熔融体上部的“炉渣”经水淬细磨后即可成为钙镁磷肥。23、用于生产钾肥虽然我国青海有丰富的钾肥资源，但现在依旧有60%的钾肥需要靠进口；所以有很多讨论者都在讨论利用含钾高的岩石来制造钾肥，例如，利用碱性岩或含钾砂、页岩等来制造钾肥；但问题是这些岩石中的钾多呈非可溶性，因此要采纳活化剂加以活化才能加以利用。所以利用高钾尾矿或废石以提取钾肥，可能成为解决我国钾肥不足的紧要途径。24、用作土壤改良剂某些尾矿中如富含碳酸钙或碳酸镁，可用作改良酸性土壤的矿物原材料。某些尾矿中如含有石膏，可作为改良碱土或弱盐土的矿物原材料。含黄铁矿的尾矿可用来酸化含碳酸盐高的土壤，特别是含碳酸钠的土壤。当利用尾矿作为土壤改良剂时，要检查其中有害组份是否超标。25、作为陶瓷原材料讨论结果表明，很多尾矿不仅可用于制造日用陶瓷或工业陶瓷，甚至可用于制造陶瓷工艺品。有的讨论表明，某些尾矿也可用于制造釉料。26、用于生产各类砖目前，煤矸石砖已成为取代粘土砖的重要墙体建筑材料之一，不仅可烧制歼石红砖，还可以烧制空心砖，实际上很多页岩废石也适用于制砖，只不过能耗较矸石砖要高。另外，采纳未经锻烧的石膏尾矿为原材料，磨细后与肯定比例的磨细矿渣、粉煤灰混合，在复合激发剂的作用下，可用于生产石膏尾矿砖、空心砌块等新型墙体材料。实际上很多尾矿都可以用于制造蒸养砖/蒸压砖，这种砖是用肯定胶凝剂将尾矿胶结后用蒸汽养护，乃至用高压蒸汽养护而成。广场砖是一种刚在国内流行使用的陶瓷仿石制品，可以有多种形状和颜色，可任意组合成各种花纹。一般可配加30～50%的尾矿，再添加一些陶瓷原材料和色料，在1200～1300℃烧制而成。27、用于生产陶粒2023年11月7日，福建省人民政府公布2023年度福建省科学技术嘉奖和专利嘉奖名单，其中《龙岩地区高岭土尾矿和煤矸石的综合利用》荣获2023年度福建省科技进步三等奖。该项目是以龙岩地区高岭土尾矿和煤矸石为原材料，用于生产轻质高强陶粒，用于建设行业可降低建筑物的地基基础设计承载力、主体结构截面尺寸及配筋数量，大大降低建设成本。此外，该轻质高强陶粒的废物利用率高达97%以上，能有效削减废弃物的堆放空间，节省土地，改善环境，解决尾矿带来的环境污染等问题，最大限度地做到资源化、无害化，环保特质突出。28、石油压裂砂、铸造砂、釉料砂石英尾矿包括矿石开采中的废渣、加工过程中的尾砂和尾泥，其中尾砂占绝大多数。石英尾砂的化学成分重要是SiO2，杂质重要是长石、粘土、云母、铁矿物等，四川南联环资科技股份有限公司就以石英砂生产企业的石英砂尾砂、尾泥和尾矿为原材料，经过提纯及深加工处理，制备石油压裂砂、铸造砂、釉料砂等产品。29、用尾矿围池造田这种技术是河北理工大学杨福海教授制造的。这种技术是将河滩荒地变成可耕地，称为“围池造田法”。在华北、西北等干早地区，往往有很多间歇河或半间歇河，河滩很宽，即使下雨时所占水道亦很窄；而河道两侧的河滩有着大量大小不一的河卵石而不能用作耕地。围池造田法是在河滩上用石块垒起高3.5～5米的围坝，每个围池的面积约40亩地；将尾矿直接排入池中，当池子将满时，就接着排放到另外的新围池中去。填充了尾矿后的池子，河卵石已埋到尾矿之下，在其上覆盖约25公分的可耕土，就使这种池子成为了可耕地，这种方法已在冀东某些矿山获得成功。30、利用废石或/和尾矿填埋露天坑复田将废石或/和尾矿排放到过去已有的露天坑，再覆盖上肯定厚度的可耕土以使其成为可耕地。这是一些矿山正在采纳的方法。31、用尾矿充填地下采空区可以是胶结充填，也可以是单纯的水砂充填。这也是很多矿山正在采纳的方法。例如，安徽安庆铜矿的尾矿几乎全部都作为充填料被充填到地下采空区。32、用作冶炼熔剂有颇多矿床的围岩是石灰岩或白云岩。例如，某些热液交代矿床、矽卡岩矿床以及某些沉积矿床等。无论是坑采的掘进或露采的剥离，都可能排放这些岩石的废石；假如其成份合适，不言而喻当然可以用作熔剂。33、用作镁橄榄石型砂镁橄榄石砂是工业发达国家生产铸钢件所普遍采纳的优良造型材料。镁橄榄石砂具有较高的耐火度（1710℃）和抗金属氧化侵蚀的本领，化学稳定性好，在高温下膨胀缓慢，没有石英砂那种突然膨胀的特性，能有效地防止铸件产生粘砂、夹砂等优点。可得到干净的表面和清楚的铸件轮廓，无游离的SiO2，不会产生矽肺病。镁橄榄石常存在于某些矽卡岩矿床的蚀变围岩中或某些超基性岩的矿床中，因此有可能从废石中回收。34、作为生产硅砖的原材料硅砖是酸性耐火材料，广泛用于玻璃熔窑、炼焦炉或热风炉等设施，其荷重软化开始温度高达1640～1670℃。对于硅砖原材料的要求是SiO2的含量不得低于96%，不得有太多的Al2O3、N2O、K2O等杂质。有些高岭土矿的尾矿就完全符合此要求；而且某些矿山的废石中，也有能达到此要求的石英岩或石英砂岩。35、作为生产碳化硅的原材料众所周知，碳化硅用途广泛，其硬度仅次于金刚石，熔点约2700℃；既可作为磨料、耐火材料，又可用于制造电炉用的硅碳棒。它是用较纯的石英砂与焦炭混和，并加入少量木屑与食盐，在高温下烧制而成。如前述的高岭土矿的尾矿，经去除杂质的再选，完全可以用于制造碳化硅。36、用作耐火粘土耐火粘土是耐火度高于1580℃的粘土，是当前制造耐火材料用量最大，使用最广的耐火原材料。矿山的废石中，如有富含高岭石、富含高岭石—水云母或富含高岭石—铝土矿的粘土岩，可以考虑用作硬质耐火粘土，但需要通过试验。37、用尾矿生产有机和无机复合材料例如，原昆明工学院制造用废塑料薄膜与尾矿或炉渣相结合，生产出强度高而又具有韧性的复合材料；已用于制造道路上的各种井盖，在昆明市已得到推广。大城市各处需要有各种井盖，如自来水管、煤气管、污水阴沟、电缆等管道的井盖。过去传统的井盖是用铸铁制造的，易于被盗卖，而用这种材料做的井盖当然没有人会去偷盗，而且成本低廉，又能充足强度要求。据说制造者还将其用于制造脚手架等。同时，也可以用废轮胎为胶结剂。38、用尾矿生产彩色琉璃型复合瓦作为一种新型绿色环保型建筑材料可代替石棉瓦，而且颜色明丽与琉璃瓦相像，尾矿在在原材料配比中可达到50%以上。39、利用废石作为铁路道渣对铁路道渣的要求是在震动压力下不易碎，片理或层理发育的岩石当然不适用于作为道渣，而石灰岩、玄武岩等就较适用于作为铁路道渣。40、利用废石中的某些矿物作为研磨或抛光材料，假如废石中含有硬度大的矿物如刚玉或石榴子石等可选出作为磨料。有的尾矿也可以从中选出抛光材料，可用于电视机玻壳或电脑显示屏的抛光。41、防火硅酸钙板目前纤维加强硅酸钙板在我国进展较快，市场看好。传统的硅酸钙板的硅质原材料重要采纳石英粉，工艺成熟，但石英粉售价较高，影响企业经济效益。为此