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鋁土礦尾礦

赤泥

鋁土礦尾礦、礦渣，或氧化鋁精練礦渣，是氧化鋁工業生產的副產品之一。氧化鋁是生產金屬鋁的主要原料，同時也被廣泛地應用於陶瓷、磨料及耐火材料的生產中。大量產生的鋁土礦尾礦成為一種重要的廢棄產品，其存儲過程中所產生問題也隨之受到重視，它的開發利用成為當務之急。全球超過95%的氧化鋁採用拜耳法生產，每生產1噸氧化鋁，需同時產出1至1.5噸的鋁土礦尾礦／礦渣。2014年，全球氧化鋁產量為1.08億噸，其伴隨約1.35億噸鋁土礦尾礦的產生。[1]

生產

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目前全球有超過60個煉鋁廠使用拜耳法從鋁土礦中提取氧化鋁。鋁土通常在露天條件下開採後運輸到煉鋁廠中進行處理。為了提取氧化鋁，鋁土礦中的可溶解部分被氫氧化鈉在高溫高壓的條件下浸出。鋁土中的不溶解部分（尾礦）被去除，以獲得鋁酸鈉溶液，該溶液在加入晶種及降溫的條件下，析出氫氧化鋁。部分的氫氧化鋁被返還到拜耳流程，作為晶種沉澱下一批次溶液，餘下的氫氧化鋁在超過1000攝氏度的條件下煅燒以獲得氧化鋁。被使用的鋁土礦中的氧化鋁含量一般為50%左右，然而含量範圍更廣的鋁土礦也能夠被才用。尾礦/礦渣中含有高濃度的鐵氧化物，使之呈現特徵的紅色。拜耳流程中使用的氫氧化鈉少量殘留於尾礦中，使其呈現高鹼性，一般條件下pH>12。為了提高拜耳流程的效率並且降低生產成本，在固液分離流程中，氫氧化鈉循環利用的各種方法被儘可能的採用。上述措施降低了尾礦的最終鹼性和處理難度。

成分

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經過氧化鋁浸出的鋁土礦尾礦，其主要成分是未反應的金屬氧化物。煉鋁廠產生的這些氧化物的比例取決於鋁土礦的品位、屬性以及浸出條件。鋁土礦尾礦成份的變化範圍很廣，典型的成份構成如下：Fe2O3 5-60%, Al2O3 5-30%, TiO2 0.3-15%, CaO 2-14%, SiO2 3-50% and Na2O 1-10%。

煉鋁廠以從鋁土礦中儘可能多地、經濟地提取更多的含鋁的成份為目標。通常尾礦的成分構成與所採用鋁土礦的非鋁成分組成相似（部分矽化合物除外）：二氧化矽晶體（石英）通常不與氫氧化鈉反應，但是一些被稱為活性二氧化矽的物質，在浸出條件下，會與之反應並且生成矽鋁酸鈉。

從礦物學角度分析，其中存在的組分為：方鈉石（3Na2O·3Al2O3·6SiO2·Na2SO4) 4-40%; 針鐵礦 10-30%; 赤鐵礦10-30%; 二氧化矽5-20%; 水化鋁酸鈣 2-20%;軟水鋁石 0-20%; 二氧化鈦2-15%; 白雲母0-15%; 碳酸鈣 2-10%; 三水鋁石0-5%; 高嶺土0-5%。

尾礦儲存區域

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從工廠建立起，尾礦存儲的方法持續變革。早年的處理方法是將含有大約20%固體的尾礦漿排入原先是鋁土礦坑或廢棄的採石場的池塘。在一些其他案例中，用水壩或者堤壩建造蓄泥池，或是，一些山谷被堤壩攔截，尾礦堆積於被攔截的區域內。[2]

在過去，尾礦常被通過管道或者駁船排放到河流、湖泊或者海洋中；或者，尾礦被棄置在遠離海岸線幾公里處的海洋深處的海溝。[3]目前向河流、湖泊或者海洋排放的方法已經被禁止。伴隨棄置區域的用盡和濕法棄置的受關注，從20世紀80年代中期起，干法棄置逐漸被廣泛才用。[4][5][6][7]
在這種方法中，尾礦被濃縮為高密度漿液（含48-55%或更高比例的固體），然後已能使其塊化、乾燥的方式棄置。[8]

過濾的方法正開始逐漸流行，得到濾餅（固體含量>30%）。[9]這些濾餅在被運輸前經過水或者蒸汽處理以降低鹼性，之後以半固體形式儲存。尾礦的這種處理方式有利於其被再利用，因為它的低鹼性，更低的運輸成本，易於後續的處理。

使用

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自從拜耳流程於1894年被工業所採用以來，殘餘的氧化物的價值已經被認知。已有嘗試對其中的主要成份進行回收，特別是對於鐵。自從礦業開採以來，大量的科研精力被投入到尋求尾礦的再利用中。可行的應用可以被寬泛的分為如下幾個方面：回收存在的特定成份，比如，鐵、鈦、稀土元素；被用作其他產品的主要原料，比如，水泥；用鋁土尾礦作為建築材料的組分，比如，混凝土、瓷磚、磚塊；土壤改良或者覆蓋劑；尾礦轉變為有用的化合物，比如通過Virotec流程。

尾礦的廣闊成份範圍坐久了大量技術上可行的應用，包括：水泥製造，用作混凝土輔助凝固材料，鐵回收，鈦回收，建築板材，磚，發泡隔熱磚，瓦片，礫石/鐵路鋪石，土壤改良，鈣和矽肥料，頂部封蓋/地貌重建，鑭系元素（稀土）回收，鈧回收，鎵回收，釔的回收，處理酸性尾礦廢水，重金屬吸附，染料，磷酸鹽，氟化物，水處理化學製劑，玻璃陶瓷，陶瓷，發泡玻璃，顏料，石油鑽探或天然氣開採，聚氯乙烯填充料，木材替代品，地質聚合物，催化劑，鋁和銅的電漿噴塗，製造的鈦酸鋁 - 莫來石複合材料的耐高溫塗層，煙氣除硫，砷去除，鉻去除，土壤改良。[10]

據估計每年2百萬到3百50萬噸的鋁土尾礦被使用：

水泥，50萬到150萬噸；[11][12]

鋼鐵工業原料，40萬噸到150萬噸；

填埋覆蓋／鋪路／土壤改良，20萬噸到50萬噸；[13]

建築材料（磚，瓦，水泥等），10萬噸到30萬噸；

其他（耐火材料，吸附劑，中和酸性尾礦水，催化劑等），10萬噸。[14]

歐盟的進展

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2015年一項由歐盟資助的旨在實現鋁土礦增值利用的行動被發起。15名博士生參與到了此項歐洲培訓網絡－鋁土尾礦的零廢物化與增值利用項目中。核心關注點在於鐵、鈦和稀土元素（包括鈧）的回收同時將尾礦轉化為建築材料。[15]

參考資料

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  1. ^ Annual statistics collected and published by World Aluminium. http://www.world-aluminium.org/statistics/alumina-production/ （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
  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]. （原始內容存檔於2019-12-07）. 
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