通过氢气介导的矿物相转化结合磁分离实现铁尾矿的增值利用：工艺调控与相变机制

《Process Safety and Environmental Protection》：Valorization of iron tailings via hydrogen mineral phase transformation combined with magnetic separation: Process regulation and phase transformation mechanism

　　

摘要

本研究系统探讨了通过氢气矿物相转化处理铁尾矿，再结合低强度磁选实现铁回收的工艺优化方法。研究了关键工艺参数对转化效率及精矿质量的影响，并利用XRD、SEM-EDS、VSM和BPMA等技术分析了相变过程、微观结构变化以及磁性能提升情况。在最优条件下，所得精矿的铁含量为70.17%，铁回收率为82.61%。分析表明，还原过程使赤铁矿和褐铁矿完全转化为磁铁矿，显著提升了其磁性能，同时使颗粒表面产生大量裂纹和孔隙，从而便于还原气体渗透并提高可磨性。这种氢气矿物相转化技术为铁尾矿的可持续高效利用提供了新的途径。

引言

全球铁矿石加工行业每年会产生约14亿吨铁尾矿（Otieno和Shukla，2023）。尽管铁尾矿是一种具有巨大可持续利用潜力的重要二次矿产资源，但由于缺乏高效的铁提取方法，它们通常被当作废弃物堆放（Han等人，2023；Santos等人，2026；Zhang等人，2020）。大量铁尾矿会带来严重的环境风险，包括地下水污染、粉尘污染、土地沙漠化，以及尾矿库可能发生的灾难性溃坝事故（dos Santos Lara等人，2025；Wu等人，2026）。目前，铁尾矿已被用于作为辅助胶凝材料、混凝土和砂浆骨料、铺路材料以及碱活化材料等领域，取得了显著进展（Huang等人，2026；Li等人，2023）。然而，开发能够有效且环保地从铁尾矿中回收铁的技术仍具有重要的现实意义。

磁化焙烧技术可通过还原作用将赤铁矿等弱磁性铁矿物转化为强磁性的磁铁矿，从而提高后续通过低强度磁选实现回收的效率（Tian等人，2025b）。对于细粒赤铁矿而言，传统的物理分离方法因其较低的磁化率而存在局限性，虽然可采用高梯度磁选或浮选技术，但这些方法能耗高、试剂成本高，且在超细颗粒尺度上的选择性较差（Kang等人，2025；Yuan等人，2022a）。例如，Rath等人通过950°C下反应53.04分钟后再进行磁选，获得了铁含量为63.3%、回收率为79%的铁精矿（Rath等人，2014）。Yuan等人对比了浮选与流化床焙烧-磁选两种工艺，发现后者能同时提高铁的品位和回收率（Yuan等人，2022b）。不过，目前关于磁化焙烧的研究大多针对普通铁矿石，而该技术在铁尾矿中的应用效果尚未得到充分研究。表1总结了近期研究中铁尾矿与低品位铁矿石的铁含量及回收率数据。

氢气矿物相转化技术是一种先进的碳中和技术，属于磁化焙烧的一种特殊形式。该技术以氢气作为清洁还原剂，反应仅生成水，从而从源头避免了二氧化碳排放（Han等人，2022）。有一项创新性研究通过添加预浓缩步骤，排除了初始物料的三分之一，使得在氢气矿物相转化处理前的铁品位从21.78%提升至31.17%，最终得到的精矿铁含量为62.47%，回收率为74.47%，进一步体现了该技术的灵活性（Zhang等人，2025c）。同样，有一种集成工艺结合了磁预富集、氢气矿物相转化和反浮选技术，成功将巴彦鄂博铁尾矿（含铁量为14.22%）中的赤铁矿转化为磁铁矿，得到了铁品位为68.17%、回收率为88.46%的高品质精矿，且全程未产生二氧化碳排放（Yue等人，2026）。与传统的碳基磁化焙烧相比，氢气矿物相转化技术不仅碳足迹更小，还能更精确地控制相变过程，避免碳残留对物料表面的污染，这对于处理复杂成分的尾矿时的后续浮选工序尤为有利。

基于以上背景，本研究系统研究了通过氢气矿物相转化处理铁尾矿后再结合低强度磁选实现铁回收的工艺优化方法。分析了关键工艺参数对转化效率及最终精矿质量的影响，利用XRD、SEM-EDS和VSM技术分析了相变过程、微观结构变化及磁性能表现，还通过BGRIMM工艺矿物学分析仪评估了矿物解离情况。研究表明，氢气矿物相转化条件与低强度磁选效率之间存在密切关联，因为该工艺能够生成磁化率更高的磁铁矿，从而为铁尾矿的可持续回收提供了有效的工艺优化路径。

章节要点

材料

对铁尾矿的加工流程及其基本性质进行了分析，包括工艺流程图、化学成分、铁物相分析以及X射线衍射图谱，相关结果见图1。此外，还使用BGRLMM工艺矿物学分析仪对铁尾矿的矿物组成、解离程度、元素分布及矿物分散状况进行了分析，结果见图2。

铁

实验方法

实验流程如图3所示，共包含四个连续阶段：氢气矿物相转化处理、冷却、研磨以及低强度磁选分离。整个实验体系采用了我们之前在针铁矿选矿研究中确定的通用实验方案（Zhang等人，2025b），但本研究重点研究了不同还原气体组成对工艺效果的影响，试验中使用了CO、H?及其混合气体等多种气体环境，专门针对铁尾矿的处理进行了优化。

此前

相变的热力学分析

可能的化学反应及其对应的标准吉布斯自由能变化值Δ_rG^θ_m总结在表2和图4中，相关计算是通过HSC Chemistry 6.0软件完成的。

在H?还原体系中（图4a–c），褐铁矿脱水生成赤铁矿的反应（方程式1）以及赤铁矿还原为磁铁矿的反应（方程式2）在整个温度范围内均表现为负的ΔG^θ值，说明这些反应都是自发的（Li等人，2022）。Fe₂O₃被H?还原的顺序取决于

结论

本研究通过系统研究氢气矿物相转化-低强度磁选联合工艺从铁尾矿中回收铁的可行性，通过热力学分析、工艺优化及产品表征，明确了工艺条件、磁铁矿形成与分离效率之间的内在联系。在最优工艺条件下——600°C下反应30分钟，氢气浓度为40%，气体总流量为450毫升/分钟，之后将物料研磨至74微米粒子占比达到90%，最后在132毫特斯拉的磁场强度下进行低强度磁选——所得精矿的铁含量为70.17%，回收率为

作者贡献说明

李文波：实验验证、资源协调、数据整理。 张成新：实验研究、数据整理。 张小龙：论文撰写与修改、实验验证、项目监督、资源调配、项目管理、方法设计、资金申请、研究构思。 雷泽瑞：论文初稿撰写、数据可视化、实验验证、研究分析、正式数据分析、数据整理。 孙永生：实验验证、软件应用。

利益冲突声明

所有作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

作者们衷心感谢“深地重大科技专项”[项目编号2024ZD1003406]以及中国国家自然科学基金[项目编号52474285]提供的资金支持。同时也要特别感谢东北大学分析测试中心与沈阳有色金属研究院所提供的测试服务。

Zerui Lei|Xiaolong Zhang|Chengxin Zhang|Wenbo Li|Yongsheng Sun