摘 要

稀土尾矿(Rare earth tailings，RET)是一种重金属含量较高的特殊尾矿。本文研究制备稀土尾矿-偏高岭土基地质聚合物，它具有良好的机械性能。优化后配比的稀土尾矿-偏高岭土基地质聚合物养护7d后抗压强度可达35MPa以上。X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）结果表明，制备的地聚合物均为典型的无定形Si/Al胶凝相，内部结构致密均匀，无明显的大孔和裂隙。尾矿在地聚物体系中起到了骨料增强作用。适量尾矿掺入能够提升地聚物抗压强度，且地聚反应需水量减少。制备的尾矿-偏高岭土基地质聚合物具有优异的重金属(Pb² 和Ba² )固化效果。掺入1 wt%重金属铅盐和钡盐的地质聚合物进行浸出毒性测试，浸出液中Pb² 浓度和Ba² 浓度均远低于国家标准。采用XRD、X射线光电子能谱（XPS）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）等分析手段，等手段研究了稀土尾矿地聚合物中重金属的固定机理。掺入的重金属阳离子与尾矿-偏高岭土基地质聚合物体系中的Si/Al或O结合而固定在地聚物内部，从而产生相应的新相PbO和BaSiO₃。通过研究发现，地聚合物具有固定重金属的良好性能，是实现尾矿资源化利用和“以废治废”的可行方法。

关键词：地质聚合物；稀土尾矿；重金属固定；固废资源化

Abstract

Rare earth tailing (RET) is a kind of special tailing with high heavy metal content. In this paper, the preparation of RET metakaolin geopolymer is studied. It has good mechanical properties. The compressive strength of the optimized RET metakaolin geopolymer can reach more than 35 MPa after 7 days of curing. The results of XRD and SEM show that the geopolymer is a typical amorphous Si/Al cementitious phase, with dense and uniform internal structure and no obvious macropores and cracks. Tailings play an important role in aggregate strengthening in geopolymer system. Appropriate content of tailings can increase the compressive strength of geopolymer, and reduce the water demand of geopolymerization reaction. The prepared tailings metakaolin geopolymer has excellent immobilization effect of heavy metals (Pb² and Ba² ). The results showed that the concentration of Pb² and Ba² in the leachate of geopolymers mixed with 1 wt% heavy metal Pb and Ba was much lower than the national standard. The immobilization mechanism of heavy metals in RET geopolymers was studied by means of XRD, XPS andFTIR . The added heavy metal cations were immobilized by bonding with Si/Al or O in the tailing-metakaolin geopolymer system resulting in the corresponding new phases PbO and BaSiO₃. It is found that geopolymer has good properties of immobilizing heavy metals, and it is a feasible method to realize resource utilization of tailings and "waste treatment".

Key Word：Geopolymer; Rare earth tailings; Heavy metals immobilization; Solid waste recycling.

目 录

第1章 绪论 1

1.1 稀土尾矿概述 1

1.2 地聚物概述 1

1.3 地聚物固化重金属 3

1.4 研究内容及意义 4

第2章 实验材料及研究方法 5

2.1 实验原料 5

2.2 实验试剂及实验设备 7

2.3 实验方法 8

2.3.1 地聚物制备方法 8

2.3.2 地聚物固化重金属 9

2.3.3测试及表征 9

第3章 结果分析与讨论 11

3.1 地质聚合物制备单因素实验 11

3.1.1 硅铝摩尔比(Si/Al)的影响 11

3.1.2 钠铝摩尔比(Na/Al)的影响 12

3.1.3 固化温度的影响 13

3.1.4 液固比(L/S)的影响 14

3.1.5 尾矿掺入量的影响 15

3.1.6 尾矿加强作用及作用机理 16

3.2 稀土尾矿地聚物的表征 19

3.2.1 XRD 19

3.2.2 FTIR 19

3.2.3 SEM 21

3.3 稀土尾矿地聚物对重金属的固化效果 22

3.4 地聚物对重金属元素的固化机理 23

3.4.1 XRD 23

3.4.2 FTIR 25

3.4.3 XPS 26

第4章 结论 32

参考文献 33

致 谢 36

第1章 绪论

1.1 稀土尾矿概述

稀土是一种十分珍贵的具有战略性的矿产资源，其特殊的物理化学性质，让它应用于社会经济生活的方方面面，并且随着科技的不断发展，稀土将越来越重要^[1]。根据统计，我国稀土产品产量的比重一直居高不下，所以稀土尾矿也就相应的越来越多^[2]。尾矿的长期堆积会占用大量的土地，浪费不少宝贵的土地资源。某些选矿厂由于坐落在偏远的地区，他们直接将未经过处理的尾矿排放到河沟、山谷、低地等自然场所之中，导致周边环境受到严重的危害^[3]。根据实际的生产状况来看，尾矿处理复杂且投入巨大，一般投资的费用占采选费用的5%~40%，而尾矿库的日常维护也需要庞大的资金，这些都是忽视对尾矿处理的原因^[4]。而随着尾矿的不断增加，不安全因素也在增加，如选矿过程中常常将矿物粒度磨至-0.074mm，故堆积在河沟、山谷、低地等自然地中的尾矿，甚至是在尾矿坝中的尾矿，都有可能发生渗漏。尾矿中的某些成分或者是选矿过程中残留的药剂会对周围地区的大气、水、土壤、植被、甚至是人畜的生命安全造成严重的危害^[5]。同时，早期的稀土开采的池浸、堆浸工艺，由于工艺技术落后、管理不善、环保意识浅薄等导致矿区土壤重金属污染的问题^[6]。如Pb会对神经、造血系统和肾脏造成危害：Cd会在人体中积累，对肾脏功能和骨胳造成损伤^[7]。环境中的重金属污染问题一直是国家和社会关注的重点问题，所以如何妥善的处理重金属污染物对人类的发展至关重要。

随着矿产资源的大量开发和不断消耗，尾矿不仅因为其带来的环境问题而引起全社会的广泛关注，而且它作为二次资源也受到世界各国的高度重视^[8]。选矿后的矿山尾矿，作为一种富含铝硅酸盐材料的巨大工业废弃物，在地质聚合物的合成中有广阔的应用前景。将矿山尾矿作为制备地质聚合物的原料，不仅可以降低尾矿堆积对企业带来的负面影响，而且减少土壤污染、水污染、植被破坏、溃坝和土地占用等环境问题^[9]。真正做到“以废治污，变废为宝”。