长江三峡库尾淤砂综合利用试验研究

    三峡大坝建成后，长江重庆段将成库尾，大量淤砂的处理将成为保护三峡工程的重要问题，本文对长江三峡库尾（重庆段）淤砂进行了详细的工艺矿物学研究，研究表明长江三峡库尾重庆段淤砂是一个以非金属矿物为主、高硅高钙镁的物料，并含有一定铁、钛矿物，含有微量的稀土钇、镱及钪，淤砂中含有价值很高的钪，各段的淤砂品位不同。本文为长江三峡库尾淤砂的治理与综合利用提供了一种有效方法。

 

    一、试样性质

 

    淤砂主要组成矿物为硅质岩屑及石英，次为长石类矿物，其次为白云石、绿泥石类矿物，少量角闪石、辉石、云母类矿物，极少量铁、钛等金属类矿物，矿物组成及相对含量见表1，光谱分析结果见表2，化学分析结果见表3，淤砂中主要矿物含钪量的测定结果见表4。

 

表1  试样矿物组成及相对含量/%

 

表2  试样光谱分析结果/%

 

表3  化学成分分析结果/%

 

表4  试样主要矿物含钪量的测定结果

 

为了查清淤砂中各主要组成矿物的物性差异，测定了从淤砂中提取的主要单矿物的物性参数，寻求含钪矿物钛铁矿、钛辉石与其它矿物在物性上的主要差异，是制定钪精矿分选工艺的主要理论依据，物性参数测定结果如表5所示。

 

表5  试样主要矿物的物性参数测定结果

 

    从以上分析可以看出淤砂的特点：（1）成分复杂。长江三峡库尾（重庆段）淤砂，来源长江上游金沙江及其支流的岩石及土壤剥离及流失的矿物，化学成分复杂；（2）光谱分析说明既有金属元素，也有非金属元素及稀有、稀土元素，共有30个元素之多；（3）化学分析结果表明，淤砂中主要为非金属元素，以高硅、高钙、高铝镁型脉石矿物为主，金属元素种类少，含量也不高，其中铁、钛矿物是淤砂综合回收的对象；（4）淤砂中主要矿物均含钪，淤砂平均含钪6.6g/t，含钪最高的为钛辉石121.00g/t，次为钛铁矿含钪101.00g/t，是淤少含钪的主要矿物，是我们回收的主要对象。

 

    二、试验

 

    （一）方案

 

    工艺矿物学研究说明，含钪矿物钛铁矿、钛辉石在密度上与长石、石英、云母、绿泥石、角闪石有一定差异，可望采用重选法把这些矿物抛弃，但角闪石、榍石与含钪物钛辉石密度相近，用重选无法使角闪石、榍石与钛辉石分离，因此重选时钪精矿品位不会很高；从磁性来看，钛磁铁矿磁性最大，可用磁选选出作铁精矿；石英、长石、白云母、绿泥石的比磁化系数很小，与含钪矿物钛铁矿、钛辉石相比相差很大，可望采用强磁选把钛铁矿、钛辉石分选出来，石英、长石、白云母、绿泥石为非磁性产品，而弱磁性产品中，榍石、角闪石可能混入；从电性来看，石英、长石、云母、绿泥石、角闪石、榍石与钛铁矿、钛辉石相差很大，可以采用电选的方法将混入钪精矿的脉石矿物除去，这样可以得到高品位、高回收率的钪精矿。分选出钪精矿后，对其进行浸出、萃取来实现钪的提取。

 

    （二）选矿试验

 

    根据工艺矿物学的研究结果，对淤砂进行了分级重选抛尾，重选粗精矿经磨矿、分级，进行弱磁选铁，尾矿高梯度磁选得到粗钪精矿，分级进行摇床精选，精矿干燥后采用电选精选，可以得到品位为96.23g/t、回收率为62.11%的钪精矿，流程见图1。

图1 分行试样流程

    （三）提钪试验

 

    1、钪浸出

 

    分选出钪精矿后，采用硫酸、盐酸、硝酸、氯化焙烧—浸出、碱熔合—水解—浸出、盐酸加助溶剂浸出的方案，进行了系统的浸出试验，现将几个方案浸出试验的最佳指标及各指标与盐酸浸出最佳指标的比较列于表6。

 

表6  浸出方案对比结果/%

 

    从表6可以看出，单一的硫酸、盐酸、硝酸浸出，浸出率难超过60%，用硝酸浸出时浸出率为59.20%，比盐酸浸出时高0.35%；氯化焙烧浸出率为82.79%；碱熔合—水解—浸出方案，浸出率高达97.18%，比氯化焙烧浸出高14.39%，但这两者都是高温作业，消耗大量的氯化剂和碱，成本很高，难以在生产上使用；相比之下，盐酸加助溶剂浸出时，浸出率为80.94%，比氯化焙烧浸出时浸出率低1.85%，但成本则是成倍降低，同时在连续半工业试验中证实该工艺是可靠的，指标是稳定的，因此推荐该工艺为试验及生产的工艺。

 

    2、钪提取

 

    （1）用萃取法制备Sc₂O₃

 

    由于钪在浸液中的含量很低，多在100~300g/t，同时浸出液中含有多种杂质，萃取法从盐酸浸液中提钪是国内外成功的经验，本次试验采用P₂₀₄、P₅₀₇、P₃₅₀作萃取剂，同时在萃取剂中加入助萃剂，P_507＋H－105，萃取率得到大幅度提高，试验结果如表7所示。

 

表7  不同萃取剂试验结果/%

 

    表7试验结果表明，草酸沉淀焙烧可以得到99.985%三氧化二钪产品，达到国家规定粗氧化钪标准。

 

    （2）金属钪的制取

 

    金属钪多用金属热还原ScFe₃和ScCl₃来制备，但由于ScCl₃吸水性极强，极易潮解，很难得到无水ScCl₃，而ScFe₃的生产虽然条件差，产生有害的气体，但用钙还原ScFe₃在氦、氩气体保护下在1500~1600℃得到金属钪。本次试验采用真空冶金的方法制备纯度99.995%金属钪，达到国家Sc—045产品牌号的标准。

 

    三、淤砂、尾渣综合利用的设想

 

    长江三峡尾淤砂选矿提钪的尾矿仍然保护河砂的性质，其产率为88.3%，仍可作河砂使用，生产建材或用于建筑，提钪浸渣的光谱分析及化学成分分析结果见表8和表9。

 

表8  浸渣的光谱分析结果/%

 

表9  浸渣化学成分分析结果/%

 

    现代建筑材料中，广泛使用的胶凝材料是水泥，硅酸盐水泥原料化学成分的要求CaO/SiO₂＞0.5~0.7，其中SiO₂＞18%~25%，CaO62%~67%，Al₂O₃4%~7%，Fe₂O₃2.5%~6%。提钪浸渣与硅酸水泥的化学成分相近，只是CaO含量偏低，只要采用配料方法即可解决，因此，浸渣作为硅酸盐水泥的原料是可行的，这样在提钪过程中不产生固体废料，有效地综合利用长江淤砂。

 

    四、结论

 

    （一）长江三峡重庆段淤砂以硅质岩屑及石英为主，含有少量铁和钛，微量的稀土钇、镱及钪等成分。

 

    （二）淤砂中主要矿物均含钪，淤砂平均含钪6.6g/t，含钪最高的为钛辉石121.00g/t，次为钛铁矿，含钪为101.00g/t，是淤砂含钪的主要矿物，是主要利用对象。

 

    （三）通过对稀土元素钪的提取，其尾砂、浸渣作建材，淤砂得以综合利用，既可以保护三峡工程周边环境，又能创造很好的经济效益和社会效益。