《Scientific African》：Integrated management of mine tailings: From characterization, environmental behavior, valorization, and dewatering within a circular economy framework - A review
编辑推荐：
采矿业产生巨量废弃物，尤其是全球每年约34.4亿至40亿吨的尾矿，这些尾矿产出于矿石加工阶段，需要采取综合管理策略以降低环境风险并实现可持续资源利用。本综述聚焦铜尾矿，提供关于其管理的多学科视角，将基础表征与技术解决方案相衔接。首先，讨论铜尾矿的矿物学、化学和
采矿业产生巨量废弃物，尤其是全球每年约34.4亿至40亿吨的尾矿，这些尾矿产出于矿石加工阶段，需要采取综合管理策略以降低环境风险并实现可持续资源利用。本综述聚焦铜尾矿，提供关于其管理的多学科视角，将基础表征与技术解决方案相衔接。首先，讨论铜尾矿的矿物学、化学和物理特征，作为理解其行为与资源化潜力的基础。其次，综述通过静态试验（static tests）、动力学试验（kinetic tests）和毒性评估考察环境行为评价，这些方法对于预测长期稳定性至关重要。随后论述尾矿资源化利用，重点介绍通过浮选（flotation）、生物浸出（bioleaching）和重力分选（gravity separation）进行残余金属再回收的途径，以及在建筑材料中的再利用。最后，综述脱水（dewatering）和水回收技术，将其作为降低环境危害、支持干式堆存（dry stacking）或替代性再利用策略的关键环节。论文最后展望未来研究优先方向，强调在循环经济框架内开发经济高效、节能的技术。通过整合上述互补方法，本工作为以铜尾矿为重点的尾矿可持续管理及推动环境负责任采矿实践提供了综合性参考。
引言
论文引言阐述了全球向低碳未来转型背景下关键矿产需求激增的现实。根据国际能源署（IEA）的界定，锂、钴、镍、铜和稀土元素等矿物因在清洁能源技术中的关键作用以及供应风险而被视为关键矿产。铜因其在电网、半导体、电子和可再生能源基础设施中的战略用途而尤为突出。根据净零排放情景预测，全球铜需求将从2023年的26000千吨上升至2050年的近40000千吨。采矿活动产生大量固体废弃物，铜矿开采每生产一吨金属即产生128至196吨尾矿，全球每年尾矿产生量估计为34.4亿至40亿吨。尾矿坝溃坝事故（如2019年巴西Brumadinho灾难造成270人死亡）凸显了结构完整性的紧迫性。1965至2020年间的统计分析估计全球尾矿储存设施（TSFs）的累积失效率在1.5%至4.4%之间。脱水技术作为尾矿管理手段日益受到重视，旨在最大化去除尾矿中的水分，降低液化风险，回收的水可在采矿作业中循环利用。尾矿再处理也受到关注，可降低环境负担和尾矿体积，同时回收残余有价值矿物。尾矿管理同时受法规、自愿性标准和投资者预期影响，全球尾矿管理行业标准（GISTM）于2020年发布，设定了77项可审计要求。
铜尾矿特征
铜尾矿的性质完全取决于矿床地质背景、矿石类型和加工技术效率。全球不同国家的铜尾矿化学组成评估显示，铜尾矿主要由硅酸盐矿物（石英、长石、云母）组成，可占矿物相的90%以上，同时含有不同比例的氧化钙（CaO）、氧化铝（Al2O3）、氧化镁（MgO）和氧化铁（Fe2O3）。铜尾矿通常为细粒，粒径从数微米到数毫米不等，堆积密度通常为2.6至2.9 g/cm3。铜尾矿的粒径与标准砂和水泥相当，适合用作水泥基材料的填料。然而，细粒特性也导致沉积后孔隙率高，可能对渗透性和保水能力产生不利影响。
铜尾矿的地球化学和环境行为通过既定测试技术评估，以预测其产生酸性矿山排水（AMD）或受污染中性排水（CND）的潜力。静态试验包括：膏体pH试验评估易获得酸度；酸碱计算（ABA）比较产酸潜力与中和潜力，将尾矿分类为产酸、非产酸或不确定；净产酸（NAG）试验模拟硫化物氧化以分类样品。动力学试验（如风化槽法）通过15至20周的循环润湿和干燥模拟长期氧化风化。毒性特征浸出程序（TCLP）评估砷、汞、铅、硒等受管制污染物的可浸出性。然而，单一试验无法可靠预测长期环境行为，稳健评估需要结合静态、动力学和浸出方法，并最好以现场数据验证。
尾矿资源化利用选项
铜尾矿因其丰富性和富硅酸盐组成而成为可持续建筑材料。资源化利用主要涵盖四个领域：建筑材料应用、有价值元素回收、农业肥料生产和高端功能材料制造。在混凝土和砂浆生产中，铜尾矿通常替代水泥或细骨料，替代率高达30%可改善颗粒堆积和耐久性；添加粉煤灰或矿渣等辅助材料及化学活化剂可进一步提高抗压强度至42 MPa，与普通硅酸盐水泥相当。铜尾矿也可作为碱激发和地聚物材料的前驱体，在碱性活化下可发展出足够的抗压强度（约20 MPa，60°C条件下）。在道路和路面工程中，铜尾矿可作为沥青混合料和路面基层的填料或骨料。铜尾矿还可作为熟料和水泥制造的原料，例如掺入20.31 wt%铜尾矿作为生料据报道每年可减少高达44000吨CO2排放，同时为水泥厂创造约2.93亿美元的年经济效益。烧结尾矿基熟料抗压强度可达42 MPa，符合商业OPC标准。
尾矿再处理与金属回收
浮选是尾矿再处理中应用最广泛的技术之一。其效率取决于矿物特征、浮选槽类型和操作参数（药剂用量、固体浓度、pH）。粒度起决定性作用，因为气泡-颗粒碰撞概率取决于粒度、气泡尺寸和槽体流体动力学。药剂通常分为四类：捕收剂、活化剂、抑制剂和起泡剂。硫酸铜、硫酸铅和硫化氢钠（NaSH）等活化剂增强捕收剂吸附。对于铜尾矿再处理，浮选已证明可实现有效回收。在加拿大魁北克Mont-Wright矿，初始含铁20.96%的细尾矿（<106 μm）经浮选再处理，最终精矿含铁65.63%。在摩洛哥铜尾矿中，浮选实现了铜回收率高于65%，精矿品位1.41%。对于老化细粒银尾矿（D80 = 55 μm），浮选对钴和砷的回收率分别达70%和80%。
生物浸出作为从低品位矿石和尾矿中回收金属的可持续替代方法日益受到重视。该过程依赖嗜酸细菌（如Acidithiobacillus spp.）和真菌（Aspergillus、Penicillium）的代谢活动。嗜热和异养细菌可实现84-95%的铜回收率，超过传统化学浸出。锌回收率通过嗜酸和嗜热细菌可达96%。镍生物浸出更具挑战性，红土矿石中回收率通常为8-26%，但通过好氧条件、微波预处理和创新策略，低品位硫化物尾矿中提取率可提高至91.5%。然而，工业实施仍受限于技术、生物和经济瓶颈，包括尾矿异质性、微生物抑制、矿物表面钝化、传质限制和工艺控制要求。
重力分选利用颗粒密度、粒度和形状差异分离有价值矿物与脉石。螺旋选矿机在螺旋槽中通过薄膜流分离颗粒，无移动分离部件，可处理高吞吐量且能耗低。摇床利用倾斜带格条甲板的不对称运动结合横向洗涤水流分离颗粒，产出的精矿品位相对较高，但吞吐量低、占地面积大。离心式重力选矿机（包括Falcon和Knelson设备）产生远高于正常重力的离心加速度，更适合细粒和超细粒解离颗粒。Falcon选矿机从金矿尾矿中回收细粒和超细粒白钨矿，实现67.5%回收率、17.16%质量产率和4.66富集比。离心重介质分离应用于铅锌尾矿，铅回收率91.66%、锌回收率88.83%。螺旋选矿机在伊朗西部铁尾矿中试应用中，铁回收率达65.4%，精矿品位64.8% Fe。
再处理路线的生命周期与经济评估
生命周期评估（LCA）应用于尾矿再处理时，四个方法论决策决定评估结果：功能单位（一吨回收铜与一吨处理尾矿）、来料负担分配、被替代生产的信用以及影响指标范围。硫化物铜尾矿研究采用处理吨位为单位，报告的节约量为每吨25至930千克CO2当量，三十七倍差异反映再处理路线、放大假设和副产品质量差异。经济评估中，对含磁铁矿的两百万吨智利铜尾矿体成本建模发现，磁选与浸出组合产生最佳经济结果，主要由磁铁矿副产品收入驱动而非铜回收本身。实物期权分析发现钪提取可能有利可图，资本支出是主导敏感性变量。
铜尾矿管理中的脱水与水资源回收
脱水不再是加工回路末端的可选精整步骤，而是同时实现三个独立目标的机制：工艺水返回选矿厂而非损失于蒸发和渗漏、沉积固体获得消除坝体失效模式的剪切强度、尾矿获得决定其能否进入资源化路线的含水率规格。尾矿中的水以多种形式存在：颗粒间自由水、孔隙颈处间隙水或毛细水、颗粒表面结合水膜、聚集体内截留水以及矿物结构中化学结合水。不同形式的水去除所需能量相差数量级。自由水在重力下排出，在浓密机中以最小能耗回收。间隙水需要压力或离心力场，因此过滤和离心分离在固体含量约60%以上时占主导。高比表面积黏土质铜尾矿的表面结合水抵抗机械力场，仅屈服于电动或热驱动力。
重力浓密仍是铜尾矿水回收的基础。常规重力浓密机（CTs）使用直径25至200米、深1至7米的圆柱形槽，能耗极低但底流固体含量仅为30至45%。合成聚合物絮凝剂的引入使高效浓密机（HRTs）得以实现，底流固体含量45至60%。高压缩和高密度浓密机（HCTs、HDTs）通过加深泥床，在铜尾矿服务中达到57至68%固体含量。深锥和膏体浓密机使用15至30°锥角和深床，达到60至71%固体含量，但输送需转向正排量泵送，能耗密集且可独立于浓密机本身决定项目可行性。絮凝和混凝是尾矿致密化的两个主要过程，通过引入混凝剂促进细颗粒聚集成较大团簇，便于与水分离。混凝是化学过程，混凝剂中和颗粒表面电荷；絮凝主要是物理过程，在不需电荷中和的情况下增强颗粒团聚。
