铝土矿尾矿

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。Annual statistics collected and published by World Aluminium. http://www.world-aluminium.org/statistics/alumina-production/ 

生产

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

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。铝土矿尾矿成份的变化范围很广，典型的成份构成如下：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份为目标。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

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。K Evans, E. Nordheim and K. Tsesmelis, "Bauxite Residue Management", Light Metals, 63-66(2012).

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。G. Power, M. Graefe and C. Klauber,"Bauxite residue issues: Current Management, Disposal and Storage Practices", Hydrometallurgy, 108, 33-45 (2011).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。B. G. Purnell, “Mud Disposal at the Burntisland Alumina Plant”. Light Metals, 157 – 159. (1986).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).E. I. Robinsky, “Current Status of the Sloped Thickened Tailings Disposal System”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).J. L. Chandler, “The Stacking and Solar Drying Process for disposal of bauxite tailings in Jamaica”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
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。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 

过滤的方法正开始逐渐流行，得到滤饼（固体含量>30%）。K. S. Sutherland, "Solid/Liquid Separation Equipment", Wiley-VCH, Weinheim (2005).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

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份进行回收，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：回收存在的特定成份，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。

尾矿的广阔成份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。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.

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；Y.Pontiles and G.N. Angelopoulos "Bauxite residue in Cement and cementious materials", Resourc. Conserv. Recyl. 73, 53-63 (2013).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).

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；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).

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。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.

欧盟的进展

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。

參考資料

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