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铝土矿尾矿

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铝土矿尾矿、矿渣，或氧化铝精练矿渣，是氧化铝工业生产的副产品之一。氧化铝是生产金属铝的主要原料，同时也被广泛地应用于陶瓷、磨料及耐火材料的生产中。大量产生的铝土矿尾矿成为一种重要的废弃产品，其存储过程中所产生问题也随之受到重视，它的开发利用成为当务之急。全球超过95%的氧化铝采用拜耳法生产，每生产1吨氧化铝，需同时产出1至1.5吨的铝土矿尾矿／矿渣。2014年，全球氧化铝产量为1.08亿吨，其伴随约1.35亿吨铝土矿尾矿的产生。[1]

生产

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目前全球有超过60个炼铝厂使用拜耳法从铝土矿中提取氧化铝。铝土通常在露天条件下开采后运输到炼铝厂中进行处理。为了提取氧化铝，铝土矿中的可溶解部分被氢氧化钠在高温高压的条件下浸出。铝土中的不溶解部分（尾矿）被去除，以获得铝酸钠溶液，该溶液在加入晶种及降温的条件下，析出氢氧化铝。部分的氢氧化铝被返还到拜耳流程，作为晶种沉淀下一批次溶液，余下的氢氧化铝在超过1000摄氏度的条件下煅烧以获得氧化铝。被使用的铝土矿中的氧化铝含量一般为50%左右，然而含量范围更广的铝土矿也能够被才用。尾矿/矿渣中含有高浓度的铁氧化物，使之呈现特征的红色。拜耳流程中使用的氢氧化钠少量残留于尾矿中，使其呈现高碱性，一般条件下pH>12。为了提高拜耳流程的效率并且降低生产成本，在固液分离流程中，氢氧化钠循环利用的各种方法被尽可能的采用。上述措施降低了尾矿的最终碱性和处理难度。

成分

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经过氧化铝浸出的铝土矿尾矿，其主要成分是未反应的金属氧化物。炼铝厂产生的这些氧化物的比例取决于铝土矿的品位、属性以及浸出条件。铝土矿尾矿成分的变化范围很广，典型的成分构成如下：Fe2O3 5-60%, Al2O3 5-30%, TiO2 0.3-15%, CaO 2-14%, SiO2 3-50% and Na2O 1-10%。

炼铝厂以从铝土矿中尽可能多地、经济地提取更多的含铝的成分为目标。通常尾矿的成分构成与所采用铝土矿的非铝成分组成相似（部分硅化合物除外）：二氧化硅晶体（石英）通常不与氢氧化钠反应，但是一些被称为活性二氧化硅的物质，在浸出条件下，会与之反应并且生成硅铝酸钠。

从矿物学角度分析，其中存在的组分为：方钠石（3Na2O·3Al2O3·6SiO2·Na2SO4) 4-40%; 针铁矿 10-30%; 赤铁矿10-30%; 二氧化硅5-20%; 水化铝酸钙 2-20%;软水铝石 0-20%; 二氧化钛2-15%; 白云母0-15%; 碳酸钙 2-10%; 三水铝石0-5%; 高岭土0-5%。

尾矿储存区域

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从工厂建立起，尾矿存储的方法持续变革。早年的处理方法是将含有大约20%固体的尾矿浆排入原先是铝土矿坑或废弃的采石场的池塘。在一些其他案例中，用水坝或者堤坝建造蓄泥池，或是，一些山谷被堤坝拦截，尾矿堆积于被拦截的区域内。[2]

在过去，尾矿常被通过管道或者驳船排放到河流、湖泊或者海洋中；或者，尾矿被弃置在远离海岸线几公里处的海洋深处的海沟。[3]目前向河流、湖泊或者海洋排放的方法已经被禁止。伴随弃置区域的用尽和湿法弃置的受关注，从20世纪80年代中期起，干法弃置逐渐被广泛才用。[4][5][6][7]
在这种方法中，尾矿被浓缩为高密度浆液（含48-55%或更高比例的固体），然后已能使其块化、干燥的方式弃置。[8]

过滤的方法正开始逐渐流行，得到滤饼（固体含量>30%）。[9]这些滤饼在被运输前经过水或者蒸汽处理以降低碱性，之后以半固体形式储存。尾矿的这种处理方式有利于其被再利用，因为它的低碱性，更低的运输成本，易于后续的处理。

使用

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自从拜耳流程于1894年被工业所采用以来，残余的氧化物的价值已经被认知。已有尝试对其中的主要成分进行回收，特别是对于铁。自从矿业开采以来，大量的科研精力被投入到寻求尾矿的再利用中。可行的应用可以被宽泛的分为如下几个方面：回收存在的特定成分，比如，铁、钛、稀土元素；被用作其他产品的主要原料，比如，水泥；用铝土尾矿作为建筑材料的组分，比如，混凝土、瓷砖、砖块；土壤改良或者覆盖剂；尾矿转变为有用的化合物，比如通过Virotec流程。

尾矿的广阔成分范围坐久了大量技术上可行的应用，包括：水泥制造，用作混凝土辅助凝固材料，铁回收，钛回收，建筑板材，砖，发泡隔热砖，瓦片，砾石/铁路铺石，土壤改良，钙和硅肥料，顶部封盖/地貌重建，镧系元素（稀土）回收，钪回收，镓回收，钇的回收，处理酸性尾矿废水，重金属吸附，染料，磷酸盐，氟化物，水处理化学制剂，玻璃陶瓷，陶瓷，发泡玻璃，颜料，石油钻探或天然气开采，聚氯乙烯填充料，木材替代品，地质聚合物，催化剂，铝和铜的等离子喷涂，制造的钛酸铝 - 莫来石复合材料的耐高温涂层，烟气除硫，砷去除，铬去除，土壤改良。[10]

据估计每年2百万到3百50万吨的铝土尾矿被使用：

水泥，50万到150万吨；[11][12]

钢铁工业原料，40万吨到150万吨；

填埋覆盖／铺路／土壤改良，20万吨到50万吨；[13]

建筑材料（砖，瓦，水泥等），10万吨到30万吨；

其他（耐火材料，吸附剂，中和酸性尾矿水，催化剂等），10万吨。[14]

欧盟的进展

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2015年一项由欧盟资助的旨在实现铝土矿增值利用的行动被发起。15名博士生参与到了此项欧洲培训网络－铝土尾矿的零废物化与增值利用项目中。核心关注点在于铁、钛和稀土元素（包括钪）的回收同时将尾矿转化为建筑材料。[15]

参考资料

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  1. ^ Annual statistics collected and published by World Aluminium. http://www.world-aluminium.org/statistics/alumina-production/ （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  2. ^ K Evans, E. Nordheim and K. Tsesmelis, "Bauxite Residue Management", Light Metals, 63-66(2012).
  3. ^ G. Power, M. Graefe and C. Klauber,"Bauxite residue issues: Current Management, Disposal and Storage Practices", Hydrometallurgy, 108, 33-45 (2011).
  4. ^ B. G. Purnell, “Mud Disposal at the Burntisland Alumina Plant”. Light Metals, 157 – 159. (1986).
  5. ^ H. H. Pohland and A. J. Tielens, “Design and Operation on Non-decanted Red Mud Ponds in Ludwigshafen”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
  6. ^ E. I. Robinsky, “Current Status of the Sloped Thickened Tailings Disposal System”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
  7. ^ J. L. Chandler, “The Stacking and Solar Drying Process for disposal of bauxite tailings in Jamaica”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
  8. ^ Published by World Aluminium the European Aluminium “Bauxite Residue Management: Best Practice”, available from the International Aluminium Institute, 10 King Charles II Street, London, SW1Y 4AA, UK and on line from http://bauxite.world-aluminium.org/refining/bauxite-residue-management.html （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  9. ^ K. S. Sutherland, "Solid/Liquid Separation Equipment", Wiley-VCH, Weinheim (2005).
  10. ^ B. K. Parekh and W. M. Goldberger, “An assessment of technology for the possible utilization of Bayer process muds”, published by the U. S. Environmental Protection Agency, EPA 600/2-76-301.
  11. ^ Y.Pontiles and G.N. Angelopoulos "Bauxite residue in Cement and cementious materials", Resourc. Conserv. Recyl. 73, 53-63 (2013).
  12. ^ Y.Pontiles, G.N. Angelopoulos, B. Blanpain,, “Radioactive elements in Bayer’s process bauxite residue and their impact in valorization options”, Transportation of NORM, NORM Measurements and Strategies, Building Materials, Advances in Sci. and Tech, 45 2176-2181 (2006).
  13. ^ W.K.Biswas and D. J. Cooling, “Sustainability Assessment of Red SandTM as a substitute for Virgin Sand and Crushed Limestone”, J. of Ind. Ecology, 17(5) 756-762 (2013).
  14. ^ H. Genc¸-Fuhrman, J.C. Tjell, D. McConchie, "Adsorption of arsenic from water using activated neutralized red mud", Environ. Sci. Technol. 38 (2004) 2428–2434.
  15. ^ Project. Project | European Training Network for Zero-Waste Valorisation of Bauxite Residue (Red Mud). Etn.redmud.org. 2015-01-05 [2015-12-15]. （原始内容存档于2019-12-07）. 
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