Dimostrazione scientifica prima di trasformare i rifiuti in tesoro - test di utilizzo completo dei residui minerari

Nello sviluppo e nell'utilizzo delle risorse minerarie, i residui prodotti dagli impianti di arricchimento sono spesso considerati "rifiuti". Non solo occupano una quantità significativa di terreno per i bacini di stoccaggio, ma possono anche porre rischi per l'ambiente e la sicurezza. Tuttavia, con l'aumento dell'esaurimento delle risorse minerarie, normative ambientali sempre più rigorose e progressi tecnologici, il concetto di trasformare i residui in "tesoro" sta guadagnando ampia accettazione e sta diventando una scelta inevitabile per lo sviluppo sostenibile nell'industria mineraria. Il progetto pilota di utilizzo completo dei residui è un punto di partenza fondamentale per raggiungere questo ambizioso obiettivo. Non si tratta di un semplice esperimento tecnico, ma di un progetto complesso che integra profondità teorica, rigore scientifico e guida pratica, con l'obiettivo di fornire solide prove scientifiche per l'utilizzo ad alto valore e diversificato dei residui.

01 "Reinventare" i residui: da rifiuto a potenziale risorsa

1. Proprietà e sfide dei residui

I residui si riferiscono ai rifiuti solidi scaricati dopo la lavorazione del minerale attraverso processi come frantumazione, macinazione e arricchimento. Contengono minerali utili assenti o minimi, oppure il contenuto di minerali utili è inferiore al grado che può essere recuperato nelle attuali condizioni economiche e tecniche. I suoi componenti principali includono:

• Minerali ganga: quarzo, feldspato, calcite, dolomite, mica, ecc.
• Minerali utili minori non recuperati: Particelle fini o minerali utili associati che non possono essere completamente recuperati a causa delle dimensioni delle particelle incorporate e dei limiti del processo di arricchimento.
• Elementi dannosi: Solfuri (come pirite e arsenopirite) e metalli pesanti, che possono causare acque reflue acide e lisciviazione di metalli pesanti.
• Reagenti di arricchimento residui: Tracce di reagenti di flottazione e flocculanti.

Queste caratteristiche significano che i residui non solo occupano una grande quantità di terreno, ma pongono anche rischi ambientali. Secondo le statistiche, il volume globale di produzione di residui raggiunge decine di miliardi di tonnellate ogni anno e la pressione di stoccaggio è enorme.

2. Potenziale di utilizzo delle risorse dei residui

Tuttavia, i residui non sono del tutto inutili. Al microscopio, le particelle di residui sono ancora aggregati di minerali con specifiche proprietà fisiche e chimiche. A livello macroscopico, il loro vasto volume detiene un enorme valore potenziale:

• Minerali associati utili: Molti residui contengono ancora metalli preziosi di basso grado (rame, ferro, oro, argento, elementi delle terre rare, litio, ecc.) o minerali non metallici (fluorite, apatite, feldspato di potassio, ecc.), ma i processi attuali ne ostacolano il recupero efficiente.
• Materiali da costruzione: Il silicio, l'alluminio e il calcio nei residui li rendono materie prime di alta qualità per materiali da costruzione come cemento, mattoni e tegole, ceramiche, aggregati di calcestruzzo e calcestruzzo aerato.
• Materiali per il risanamento ambientale: Alcuni residui hanno proprietà di adsorbimento e possono essere utilizzati per il trattamento delle acque reflue contenenti metalli pesanti; i residui desolforati possono essere utilizzati per il miglioramento del suolo.
• Usi agricoli: I residui che sono stati decontaminati e regolati nella composizione possono essere utilizzati come condizionatori del suolo o vettori di fertilizzanti.
• Nuovi materiali: La polvere di residui ultrafini può essere utilizzata per preparare vetro microcristallino, materiali refrattari e materiali compositi.

La "rimodellazione dell'identità" dei residui si basa su una nuova comprensione del loro valore intrinseco e l'esperimento di utilizzo completo dei residui è la pietra angolare scientifica per raggiungere questa rimodellazione.

02 La connotazione scientifica e le fasi dei progetti pilota di utilizzo completo dei residui

Il progetto pilota di utilizzo completo dei residui è un progetto sistematico che integra più discipline e tecnologie. Il suo obiettivo principale è identificare il percorso di utilizzo più economicamente valido, tecnicamente fattibile e rispettoso dell'ambiente per i residui.

1. Ricerca di base pre-pilota: Un "esame fisico" completo

L'utilizzo di successo di qualsiasi residuo si basa su una profonda comprensione delle sue proprietà fisiche e chimiche. Questa fase è come un "esame fisico" completo dei residui.

★ Analisi della composizione dei residui:

• Analisi chimica multi-elementale: Misura accuratamente il contenuto di elementi maggiori, minori e in tracce, in particolare elementi potenzialmente utili (come metalli rari, metalli preziosi e ferro associato) ed elementi dannosi (come zolfo, aspergillus, cadmio e piombo). Questo determina il valore dei residui per l'arricchimento secondario e i rischi ambientali del successivo utilizzo.
• Analisi di fase: La diffrazione a raggi X (XRD) determina la composizione mineralogica e analizza quantitativamente il contenuto di ogni minerale, che è la base per la comprensione delle proprietà fisiche e chimiche dei residui.
• Analisi spettroscopica (EDS, XRF): Aiuta a determinare la distribuzione degli elementi.

★ Misurazione delle proprietà fisiche:

• Analisi della composizione granulometrica: Vengono utilizzati metodi di vagliatura, analizzatori laser della granulometria e altri metodi per determinare la distribuzione granulometrica dei residui, fornendo una base per processi come macinazione, classificazione, riempimento e sinterizzazione. Ad esempio, i residui fini possono richiedere una macinazione più raffinata nell'industria dei materiali da costruzione, influenzando al contempo la reologia della sospensione durante il riempimento.
• Misurazione della densità: Densità reale e densità apparente, tra gli altri parametri, influenzano il trasporto, lo stoccaggio e i calcoli del rapporto di miscelazione.
• Misurazione della superficie specifica: Metodo BET, che influenza l'adsorbimento, la reattività e le prestazioni di sinterizzazione.
• Contenuto di umidità e porosità: Questi metodi influenzano la disidratazione e le prestazioni di compattazione.

★ Analisi strutturale e morfologica:

• Microscopia elettronica a scansione (SEM) combinata con spettroscopia a dispersione di energia (EDS): Osserva la morfologia, la struttura, le caratteristiche superficiali e la distribuzione degli elementi delle particelle di residui.

2. Fase di ricerca sperimentale: Esplorazione e ottimizzazione di percorsi multipli

Sulla base dei risultati della ricerca di base, combinati con la domanda del mercato e le attuali capacità tecnologiche, verranno condotti studi di utilizzo mirati.

★ Prove di recupero secondario delle risorse:

• Rimacinazione e ri-selezione: Per i residui contenenti minerali utili di basso grado, verranno valutate l'economia della rimacinazione e il potenziale di recupero attraverso flottazione a grana fine, separazione per gravità e separazione magnetica. Ad esempio, la rimacinazione e la ri-selezione dei residui di rame possono recuperare rame residuo, concentrato di zolfo e persino oro e argento associati.
• Tecnologia di lisciviazione: Per i residui contenenti particelle ultra-fini difficili da selezionare o metalli preziosi associati, vengono prese in considerazione tecnologie idrometallurgiche come la lisciviazione con cianuro, la lisciviazione acida e la biolisciviazione.
• Caso tipico: La separazione magnetica è stata utilizzata per recuperare una certa magnetite dai residui di minerale di ferro domestico, aumentando il grado a oltre il 60%, ottenendo benefici economici.

★ Prove di utilizzo dei materiali da costruzione:

• Additivi per cemento: I residui vengono utilizzati per sostituire una porzione di clinker di cemento o aggregato. Queste prove richiedono misurazioni dell'indice di attività, del consumo di acqua di consistenza standard e del tempo di presa.
• Mattoni e tegole sinterizzati: I residui sostituiscono parzialmente l'argilla. I test richiedono l'ottimizzazione di parametri come dosaggio, stampaggio, temperatura di sinterizzazione, tempo di sinterizzazione, resistenza alla compressione, assorbimento d'acqua e resistenza al gelo.
• Aggregato di calcestruzzo: La sabbia di residui sostituisce la sabbia di fiume. È necessario misurare la classificazione, il valore di frantumazione e il contenuto di sostanze nocive e devono essere condotti test di proporzione di miscela di calcestruzzo, resistenza e durata.
• Calcestruzzo aerato, vetro-ceramica, ceramica, ecc.: Vengono eseguiti la progettazione di formulazioni mirate e l'ottimizzazione dei parametri di processo.
• Caso tipico: I mattoni di residui conformi agli standard nazionali sono stati prodotti con successo da una miniera di metalli non ferrosi attraverso disidratazione, essiccazione e miscelazione, consentendo la produzione industriale su larga scala.

★ Test dei materiali di riempimento:

• Riempimento cementizio: I residui vengono utilizzati come aggregato e miscelati con materiali cementizi (cemento, scorie macinate, ecc.) per preparare una sospensione di riempimento per il riempimento di cavità sotterranee. I test richiedono la determinazione delle proprietà reologiche (cedimento, diffusione), del tempo di presa, della resistenza iniziale e tardiva, nonché dell'impermeabilità e della resistenza alle crepe.
• Reinterro in pasta: Preparazione e prestazioni di trasporto di sospensione di residui ad alta concentrazione, nonché resistenza al riempimento.
• Caso tipico: Una miniera d'oro ha adottato una tecnologia di reinterro di residui completamente cementata, che non solo ha risolto il problema dello stoccaggio dei residui, ma ha anche garantito la sicurezza mineraria.

★ Esperimenti di risanamento ambientale e utilizzo agricolo:

• Adsorbimento di metalli pesanti: Valutazione della capacità di adsorbimento dei residui per ioni di metalli pesanti nelle acque reflue.
• Condizionatore del suolo: Valutazione dell'effetto di miglioramento dei residui su suoli acidi e sterili (test di pH, contenuto di nutrienti e crescita delle piante).
• Caso tipico: I residui di una miniera di fosfati, ricchi di calcio, fosforo e altri elementi, sono stati trattati e utilizzati come vettore per fertilizzanti fosfatici agricoli, ottenendo un aumento della produzione e dell'efficienza.

★ Altri utilizzi ad alto valore: Come la preparazione di materiali compositi, ceramiche funzionali e setacci molecolari. Questo tipo di ricerca coinvolge tipicamente tecnologie più all'avanguardia e un valore aggiunto più elevato.

3. Impatto ambientale e valutazione economica: Considerazioni duali

• Valutazione dell'impatto ambientale: Una valutazione della sicurezza ambientale durante i test e dopo l'uso del prodotto. Ad esempio, vengono valutate la radioattività, la lisciviazione di metalli pesanti e le emissioni di polveri dai materiali da costruzione dei residui. Vengono eseguiti anche test di lisciviazione dopo il riempimento dei residui.
• Valutazione economica: Viene condotta un'analisi completa del costo del ciclo di vita (LCA), che comprende i costi di pretrattamento dei residui, i costi del processo di utilizzo, i ricavi delle vendite dei prodotti e le conversioni dei benefici ambientali, per garantire la fattibilità commerciale del piano di utilizzo.

03 Guida pratica: Garantire il successo della prova e l'implementazione del progetto

1. Chiarire gli obiettivi della prova e la progettazione orientata alla domanda

Prima dell'inizio della prova, l'obiettivo principale deve essere chiaramente definito: è per recuperare sottoprodotti? Per produrre materiali da costruzione? O per il reinterro sotterraneo? Obiettivi diversi dettano diverse enfasi dei test e criteri di valutazione. Allo stesso tempo, dovrebbero essere condotte approfondite ricerche di mercato per garantire la competitività del prodotto sviluppato.

2. Campionamento standardizzato e rappresentatività

Le proprietà dei residui sono influenzate da vari fattori, tra cui la fonte del minerale, il processo di arricchimento e il tempo di stoccaggio, e presentano un certo grado di variabilità. Pertanto, il campionamento standardizzato è fondamentale per garantire campioni rappresentativi che riflettano veramente le proprietà medie dei residui. Si raccomanda il campionamento multi-punto, multi-strato e multiplo, insieme al campionamento misto e ridotto.

3. Controllare rigorosamente il processo di prova e registrare i dati

• Standardizzare i parametri di prova: Tutti i test devono essere condotti in condizioni di variabili controllate e attenersi rigorosamente agli standard nazionali o di settore.
• Garantire dati affidabili: Devono essere conservate registrazioni dettagliate di ogni condizione di prova, procedure operative, dati grezzi e osservazioni per garantire l'autenticità e la verificabilità dei dati.
• Test di ripetibilità: Gli esperimenti chiave devono essere ripetuti più volte per verificare l'accuratezza e la stabilità dei risultati.
• Pilot-Scale-Up: Dopo una ricerca di laboratorio di successo, dovrebbero essere condotti test continui su scala pilota per verificare la fattibilità industriale dei parametri di processo, la selezione delle apparecchiature e le prestazioni del prodotto e per identificare potenziali problemi.

4. Sottolineare la collaborazione multi-stakeholder e la sinergia della catena industriale

L'utilizzo completo dei residui coinvolge spesso più settori, come l'estrazione mineraria, i materiali da costruzione, i prodotti chimici e l'agricoltura, che richiedono l'integrazione di più risorse.

• Cooperazione tecnica: Collaborare con università e istituti di ricerca per introdurre tecnologie avanzate e talenti professionali.
• Supporto politico: Cercare attivamente politiche governative preferenziali in termini di finanziamenti, terreni e tassazione.
• Connettività del mercato: Stabilire collegamenti con potenziali utenti per sviluppare e promuovere congiuntamente i prodotti dei residui.

5. Dare priorità alla sicurezza e alla protezione ambientale

Indipendentemente dal metodo di utilizzo, la sicurezza e la protezione ambientale devono essere prioritarie. Assicurarsi che i prodotti di utilizzo dei residui soddisfino gli standard nazionali pertinenti e non causino danni secondari all'ambiente e alla salute umana. Ad esempio, i residui utilizzati in agricoltura devono superare rigorosi test di lisciviazione di metalli pesanti, tossicità e radioattività.

04 Prospettive: Il futuro dell'utilizzo dei residui

In futuro, l'utilizzo completo dei residui si svilupperà verso uno sviluppo ad alto valore aggiunto, diversificato, intelligente e a emissioni zero.

• Sviluppo ad alto valore: Passaggio dall'utilizzo estensivo di materiali da costruzione a prodotti ad alto valore aggiunto come metalli rari, metalli preziosi e materiali ad alta purezza.
• Diversificazione: Integrazione di tecnologie multidisciplinari per sviluppare applicazioni più innovative.
• Intelligenza: Introduzione di big data, intelligenza artificiale e robotica per ottenere la classificazione intelligente dei residui, il dosaggio automatizzato e l'ottimizzazione dei processi.
• Zero emissioni: L'obiettivo finale è raggiungere il 100% di utilizzo dei residui, eliminando completamente i bacini di stoccaggio dei residui o trasformandoli in paesaggi ecologici.

Le prove sull'utilizzo completo dei residui sono essenziali per l'industria mineraria per raggiungere lo sviluppo verde e un'economia circolare. Va oltre il semplice trasformare i rifiuti in tesoro; dimostra un profondo rispetto e un utilizzo efficiente delle risorse della Terra. Attraverso un'approfondita ricerca scientifica, una rigorosa pratica sperimentale e la collaborazione multi-stakeholder, abbiamo la capacità e la responsabilità di trasformare i residui, un tempo un onere, in una risorsa preziosa che guida il progresso del settore e avvantaggia la società umana. Ciò richiede non solo scoperte tecnologiche, ma anche innovazione concettuale e gli sforzi congiunti dell'intera società.