復雜尾礦的清潔高效利用：通過磁選預富集、氫還原及反浮選技術實現鐵的回收和氟的去除
《Journal of Cleaner Production》：Clean and efficient utilization of complex tailings: Magnetic pre-enrichment, hydrogen reduction, and reverse flotation for iron recovery and fluorine removal
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時間：2026年02月27日
來源：Journal of Cleaner Production 10
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本研究提出一種新型綜合工藝用于從 Bayan Obo 尾ings 中高效回收鐵并深度脫氟，通過磁選預富集、氫基礦物相變（HMPT）、再磨磁選和逆流浮選脫氟，在550℃、30% H2濃度下實現 hematite 到 magnetite 的選擇性轉化，最終獲得鐵品位68.17%、氟含量0.38%、鐵回收率88.46%的高質量鐵精礦，并顯著降低碳排放。
袁星月|孫永生|高鵬|韓月新|唐志東
東北大學礦物加工國家重點實驗室，中國沈陽，110819
摘要
本研究提出了一種新的集成工藝，旨在解決從巴彥奧博尾礦中回收鐵礦物的挑戰以及傳統碳基焙燒方法所帶來的高碳排放問題。該工藝包括磁選預富集、基于氫的礦物相變（HMPT）、再磨-磁選和反浮選除氟。磁選預富集后得到的鐵精礦品位為26.30%。在550°C、30% H2濃度和20分鐘還原時間條件下，HMPT成功將赤鐵礦轉化為磁鐵礦。經過再磨、磁選和反浮選除氟（pH 8，50 g/t玉米淀粉，75 g/t NaOL/α-BLA復合捕收劑）后，獲得了高品位的鐵精礦，其鐵含量為68.17%、氟含量為0.38%，鐵回收率為88.46%。機理研究表明，HMPT過程中赤鐵礦向磁鐵礦的相變伴隨著飽和磁化的顯著增加。此外，還原過程中產生的微裂紋促進了氣固傳質。在浮選系統中，玉米淀粉通過氫鍵作用有效抑制了磁鐵礦的浮選；復合捕收劑則通過化學吸附實現了氟石的有效分離。該工藝不僅實現了高效的鐵回收和深度除氟，還避免了CO2的排放，為復雜共存資源的清潔高值利用提供了一條可行且可持續的途徑。
引言
鐵作為現代工業中不可或缺的基本金屬，廣泛應用于建筑、交通、能源和設備制造領域（Tang等人，2025年）。在高端鋼材的生產中，對超純鐵精礦的需求日益嚴格，其中氟含量已成為一個關鍵的限制參數（Ge等人，2025b年）。過量的氟不僅會嚴重腐蝕冶煉設備，還會降低熔融鋼的流動性，并對最終鋼材的機械性能產生不利影響。因此，生產高質量、低氟含量的鐵精礦是推動鋼鐵產業綠色化和升級的迫切需求。
然而，高品位且易于處理的鐵礦石資源正在全球范圍內迅速枯竭，這使得復雜、低品位及相關資源的開發和利用成為戰略重點（Ge等人，2025a年）。在這種背景下，含鐵尾礦因其豐富的儲量和巨大的回收潛力而受到越來越多的關注。其中，巴彥奧博尾礦來源于一個世界著名的多金屬礦床，其鐵品位較低，主要以赤鐵礦的形式存在（Zhou等人，2020年）。此外，鐵礦物與氟石、氟碳鈰礦、獨居石、白云石和磷灰石之間存在極細的分布和緊密共生（Ai等人，2025年）。這種礦物學上的復雜性嚴重限制了傳統物理分離方法的效果。長期堆放尾礦還可能因氟向周圍土壤和水系統的遷移和擴散而帶來環境風險（Meng等人，2025年）。
迄今為止，已有大量研究致力于從巴彥奧博尾礦中回收鐵，大多數技術路線依賴于還原焙燒后進行磁選。Zheng等人（2017年）采用Coal–Ca(OH)2–NaOH焙燒–磁選工藝，獲得了70.01%的鐵品位和91.31%的回收率，同時尾礦中的稀土氧化物富集度達到11.16%，回收率為98.19%。Zhou等人（Zhou, Y.等人，2020年）通過碳熱還原后酸浸工藝，獲得了99.67%的鐵金屬化率，經過磨礦和磁選后鐵回收率為96.7%，稀土回收率為98.2%。Li等人（2025年）采用Na2CO3輔助還原焙燒工藝，獲得了90.03%的鐵品位和82.60%的回收率。Chang等人（2025年）通過碳化焙燒–磁選工藝生產出了含鐵92.91%、鈮0.25%的高質量精礦。盡管取得了這些進展，但使用煤和焦炭等碳基還原劑不可避免地會產生大量CO2排放，這與全球碳中和目標相悖。此外，殘留的碳會附著在礦物表面，降低下游分離（尤其是浮選）的選擇性。
與鐵富集同時，實現深度和選擇性的除氟仍是一個主要瓶頸。目前的研究主要依賴傳統的磁選或浮選方法，這些方法往往難以有效分離與鐵精礦緊密共生的含氟礦物。雖然Wang等人（Wang, J.等人，2020年）提出了一種逐步磁選策略，可以同時回收鐵、稀土和氟石，但從富鐵系統中選擇性地去除氟石仍然具有挑戰性。更重要的是，除氟過程中經常會發生大量的鐵損失，限制了整個工藝的效率。
總之，現有的巴彥奧博尾礦利用方法受到三個相互關聯的挑戰：復雜的礦物學特性、傳統還原焙燒過程帶來的高碳排放，以及在不犧牲鐵回收率的情況下實現深度除氟的難度。為了克服這些限制，迫切需要一種清潔、高效且集成的工藝，既能提高鐵的回收率，又能實現有效的除氟。
為了解決這些挑戰，本研究提出了一種新的集成工藝，包括磁選預富集、基于氫的礦物相變（HMPT）、再磨-磁選和反浮選除氟。磁選預富集首先濃縮鐵礦物并去除部分尾礦。HMPT參數經過優化，可以選擇性地將赤鐵礦轉化為磁鐵礦（Zhao, L.等人，2025年）。與傳統碳基還原相比，HMPT具有更高的選擇性，可以精確控制相變過程，并消除直接的CO2排放，為處理復雜尾礦提供了一種清潔高效的替代方案。還原后的產物經過再磨和多級磁選后得到粗鐵精礦，再通過反浮選去除氟礦物，從而獲得低氟、高品位的鐵精礦。為了闡明該工藝的基本機制，采用了一系列先進的表征技術來研究相變、磁化演變、微觀結構變化和表面化學性質。這些分析揭示了基于氫的還原機制以及控制浮選除氟的界面行為。這種集成工藝為巴彥奧博尾礦的高值和環境友好型利用提供了實用途徑，對其他復雜含鐵資源也有廣泛的應用價值。
材料
本實驗使用的原材料來自巴彥奧博尾礦庫。原始礦石的化學成分分析結果見表1。如表1所示，鐵、稀土元素（REEs）和氟是尾礦中具有經濟價值的主要元素，其含量分別為14.22%、9.20%和9.32%。此外，主要的脈石成分是CaO和SiO2，含量分別為21.63%和15.47%。
鐵礦物的預富集
預富集工藝流程包括磨礦、一級LIMS和一級HGMS，具體過程如圖S1所示。LIMS和HGMS得到的精礦合并后形成預富集精礦，而HIMS得到的尾礦則為預富集尾礦。由于磁鐵礦具有強磁性質，在79.60 kA/m的磁場強度下，LIMS實現了高效的回收。HGMS使用垂直環式高梯度磁選機，有效捕獲了弱磁性的鐵礦物。
結論
本研究提出并驗證了一種清潔高效的巴彥奧博尾礦利用集成工藝，結合了磁選預富集、HMPT、磨礦-磁選和反浮選除氟。所提出的工藝流程能夠同時實現高鐵回收率和深度除氟。
經過HMPT處理（550°C，20分鐘，30% H2）后，再進行磨礦和LIMS處理，得到的鐵精礦品位為65.32%。
CRediT作者貢獻聲明
袁星月：撰寫初稿、方法論設計、數據分析。孫永生：實驗研究、資金爭取。高鵬：資源調配、項目管理、方法論設計。韓月新：實驗監督、資金爭取。唐志東：撰寫、審稿與編輯、驗證、項目管理。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文的研究結果。
致謝
作者感謝以下機構對本文項目的財政支持：國家自然科學基金（項目編號：52474284、52130406、U23A20603、52274253）、國家重點研發計劃（項目編號：2021YFC2901000）、 CAST的青年精英科學家資助計劃（項目編號：YESS20230257）、遼寧省自然科學基金（項目編號：2025JH6/101000009）以及中央高校基本科研業務費（項目編號：）。
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