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催化活性 取沙留金

2021-12-29 10:40:57    来源: 中国自然资源报    作者:于德福

“我们开发的以催化剂为核心的固废资源化高效利用新技术,可在低能耗、低成本条件下,实现固废中主量、微量元素的全量资源化利用,使原本的固废变成一座座金山银山。”在12月9日召开的第二届中国矿业科技创新与可持续发展论坛上,长安大学教授潘爱芳介绍了该校资源综合利用团队的探索实践。

是什么新技术如此神奇?应用成效如何?带着疑问,论坛结束后,记者对潘爱芳教授进行了采访。

固体废弃物也是金山银山

“固体废弃物是指人类在生产、生活和其他活动中产生的固态、半固态废弃物,如赤泥、矿山尾矿(渣)、粉煤灰、煤矸石、垃圾等。” 潘爱芳介绍,“目前我国固废累积堆存量500多亿吨,不仅占用大量土地、安全隐患巨大,还是其周边水、土、大气、植被等的污染源头,是环境污染的‘定时炸弹’。”

据了解,国家高度重视固体废弃物堆存造成的环境问题,早在1985年,国务院就颁布了《关于开展固废资源综合利用若干问题的暂行规定》。进入新世纪后,国家相关部委先后出台《金属尾矿综合利用专项规划(2010~2015)》《关于推进大宗固体废弃物综合利用产业集聚发展的通知》《关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见》。“目前,国内外固废治理和资源化利用低效化现象仍非常突出。”潘爱芳说,固废的治理技术目前主要包括筑坝、回填、复垦、土壤改良和二次选矿、制备肥料和建材。但这些技术一方面无法从根本上解决固废堆存的问题,另一方面对其中仍留存的一些稀土、稀有、稀散等元素未能有效回收。

“只要研发出合适的技术,分离提取、回收固废中的主、微量元素,固体废弃物其实就是一座座金山银山。”潘爱芳说。正是基于这样的理解,2006年,长安大学组建了资源综合利用团队,并启动大宗固废资源化利用技术的研发。经过15年的持续研究,这个团队研发的以催化剂为核心的固废资源化高效利用新技术,共获得国家授权发明专利18项、实用新型专利9项。

激发元素活性助力回收

“我们能研发出这一新技术的关键,是用了新的思路。”潘爱芳对此进一步解释,“冶金过程是成矿的逆过程,因此将地球化学、矿床学和冶金学交叉研究,就能真正解决固废的堆存和利用问题。”

潘爱芳介绍,传统冶金学认为,地球上常见的元素有数十种,由于价态不同而呈现出上百种化合态,复杂的化学反应又导致各种资源存在形式的多样性。基于此,不同的矿种就有不同的冶炼技术,不同的固废也有不同的治理技术。但若从地球化学的角度来看,地球上所有物质都是由主量元素和微量元素组成的。物质的晶格结构和化学键受到破坏,其稳定性被破坏,元素的活性就能释放出来,即可实现元素的溶出、分离。

研究表明,地壳由主量元素(98.86%)与微量元素(1.14%)共同组成,其中排名前三位的元素分别是氧、硅和铝,其含量分别为48.6%、26.3%和7.73%。“在矿物中,微量元素占比也很小,分散镶嵌、附存于主量元素矿物之中。从这一角度看,解决了氧、硅、铝的活性问题,就可以解决物质组分分离的问题。而物质各组分分离成为纯净物质,就是高附加值产品,混合在一起就是固体废物。”潘爱芳说。

基于以上认识和地壳岩石主要成分是硅酸盐的事实,研究团队分别针对硅—氧、铝—氧结构开发出的活化催化剂,可以破坏硅氧、铝氧四面体的化学键或金属离子配位键,进而破坏其化合物的稳定性,提高离子活性,实现了元素的溶出分离。

对这一新技术,潘爱芳将其总结为三大创新:在理论上,通过地球化学、矿床学和冶金学的交叉,提出了冶金地球化学理论与方法;在思路上,将过去的“沙里淘金”转化为“取沙留金”——其中的“沙”是主量元素,剩余的“金”是具有高价值的微量元素;在技术上,开发出了催化剂和相应的工艺流程,能够将各类固废,以及过去无法利用的复杂矿、难溶矿中的主量元素,在低能耗、低成本条件下实现有效分离提取、转化为高纯度产品,获得高附加值。微量元素高度富集,就成为潜在价值很高的“精矿粉”。

“这一技术研发成功后,我们对低品位铝土矿、尾矿、赤泥、赤泥配矿等进行了工业试验,并先后对30多种固废物和复杂矿、难溶矿、低品位矿进行了中试,并成功生产出硅系产品、铝系产品和铁系产品。”潘爱芳介绍,主量元素产品包括硅胶/硅微粉及延伸产品水玻璃、保水剂等,硫酸铝铁净水剂和氧化钛三类;微量元素产品则被称为复合金属“精矿粉”。

潘爱芳强调,这一技术除了能实现固体废弃物的资源全量化回收利用外,还有两大意义。一是可以让现有尾矿转变成新矿。低品位、共伴生、难选冶是我国矿产资源的一大特点。过去,受经济技术条件制约,我国矿山产生的尾矿中还留存有大量的有用元素未能提取。用好这一技术,这些尾矿其实就变成了新的矿产地。二是可以让“呆矿”变成“活矿”。低品位、共伴生、难选冶的特点,让我国过去找出的许多矿产地,直到现在仍未进入开发序列,被人们称为“呆矿”。用好这一技术,这些“呆矿”就不会再“呆”下去了。

工业化利用已有成功案例

目前,这一技术已经有了工业化利用的成功案例,具备了大面积推广应用的条件。

潘爱芳介绍,技术研发成功后,2014年,长安大学联合贵阳铝镁设计院、北京蔚然欣科技有限公司在咸阳建成了工程试验基地,先后对30多种固废物和复杂矿、难溶矿、低品位矿进行了中试。在中试成功的基础上,他们又先后在中国铝业等单位进行了工业化试验。

“这些试验均体现了两低两高的特点,即在低能耗、低成本条件下,生产出了高纯度、高附加值产品。”潘爱芳说。

在中铝山西新材料有限公司20万吨氧化铝生产线上,研发团队先后完成了低品位铝土矿及其尾矿、赤泥以及赤泥配矿的工业化试验。其中,处理1吨低品位铝土矿的主量元素产品净利润1155.51元,处理1吨铝土矿尾矿的主量元素产品净利润1022.07元,处理1吨赤泥配矿的主量元素产品净利润为1013.27元,处理1吨赤泥的主量元素产品净利润1350.64元。

潘爱芳说,中铝山西新材料有限公司的工业化试验结果显示,与现有碱石灰烧结法相比,新技术将矿石铝硅比降低50%,具有原料成本优势;烧结温度降低35%,具有节能优势;溶出时间缩短67%、沉降速率提高60%,具有高效优势;二氧化碳排放量降低56%,且不排放赤泥和工业废水,具有碳减排和绿色环保优势。

同时,他们还分别开展了陕西金堆城钼尾矿、广西华昇高铁赤泥等原料的综合利用研究和中试实验。其中,利用这一技术处理金堆城钼尾矿,主量元素浸出率达97.53%、微量元素浸出率达94.26%。若建一条年处理50万吨尾矿生产线,按目前市场价格计算,一年回收的微量元素价值达3021亿元。对华昇赤泥进行处理,主量元素浸出率达97.35%、微量元素浸出率达95.45%。按年处理50万吨赤泥的生产线计算,回收微量元素总价值达11.38亿元。

“这些成功案例表明,应用以催化剂为核心的固废资源化高效利用新技术,能同时取得良好的生态环保效益、社会效益与经济效益。”潘爱芳建议,国家有关部门可以进一步加大对固废资源化利用项目的政策支持,鼓励更多的科研团队为全面解决我国固体废弃物问题提供高效方案和成熟工艺。

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