复杂尾矿的清洁高效利用：通过磁选预富集、氢还原及反浮选技术实现铁的回收和氟的去除

《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

本研究提出一种新型综合工艺用于从 Bayan Obo 尾ings 中高效回收铁并深度脱氟，通过磁选预富集、氢基矿物相变（HMPT）、再磨磁选和逆流浮选脱氟，在550℃、30% H2浓度下实现 hematite 到 magnetite 的选择性转化，最终获得铁品位68.17%、氟含量0.38%、铁回收率88.46%的高质量铁精矿，并显著降低碳排放。

　　

袁星月|孙永生|高鹏|韩月新|唐志东

东北大学矿物加工国家重点实验室，中国沈阳，110819

摘要

本研究提出了一种新的集成工艺，旨在解决从巴彦奥博尾矿中回收铁矿物的挑战以及传统碳基焙烧方法所带来的高碳排放问题。该工艺包括磁选预富集、基于氢的矿物相变（HMPT）、再磨-磁选和反浮选除氟。磁选预富集后得到的铁精矿品位为26.30%。在550°C、30% H₂浓度和20分钟还原时间条件下，HMPT成功将赤铁矿转化为磁铁矿。经过再磨、磁选和反浮选除氟（pH 8，50 g/t玉米淀粉，75 g/t NaOL/α-BLA复合捕收剂）后，获得了高品位的铁精矿，其铁含量为68.17%、氟含量为0.38%，铁回收率为88.46%。机理研究表明，HMPT过程中赤铁矿向磁铁矿的相变伴随着饱和磁化的显著增加。此外，还原过程中产生的微裂纹促进了气固传质。在浮选系统中，玉米淀粉通过氢键作用有效抑制了磁铁矿的浮选；复合捕收剂则通过化学吸附实现了氟石的有效分离。该工艺不仅实现了高效的铁回收和深度除氟，还避免了CO₂的排放，为复杂共存资源的清洁高值利用提供了一条可行且可持续的途径。

引言

铁作为现代工业中不可或缺的基本金属，广泛应用于建筑、交通、能源和设备制造领域（Tang等人，2025年）。在高端钢材的生产中，对超纯铁精矿的需求日益严格，其中氟含量已成为一个关键的限制参数（Ge等人，2025b年）。过量的氟不仅会严重腐蚀冶炼设备，还会降低熔融钢的流动性，并对最终钢材的机械性能产生不利影响。因此，生产高质量、低氟含量的铁精矿是推动钢铁产业绿色化和升级的迫切需求。

然而，高品位且易于处理的铁矿石资源正在全球范围内迅速枯竭，这使得复杂、低品位及相关资源的开发和利用成为战略重点（Ge等人，2025a年）。在这种背景下，含铁尾矿因其丰富的储量和巨大的回收潜力而受到越来越多的关注。其中，巴彦奥博尾矿来源于一个世界著名的多金属矿床，其铁品位较低，主要以赤铁矿的形式存在（Zhou等人，2020年）。此外，铁矿物与氟石、氟碳铈矿、独居石、白云石和磷灰石之间存在极细的分布和紧密共生（Ai等人，2025年）。这种矿物学上的复杂性严重限制了传统物理分离方法的效果。长期堆放尾矿还可能因氟向周围土壤和水系统的迁移和扩散而带来环境风险（Meng等人，2025年）。

迄今为止，已有大量研究致力于从巴彦奥博尾矿中回收铁，大多数技术路线依赖于还原焙烧后进行磁选。Zheng等人（2017年）采用Coal–Ca(OH)₂–NaOH焙烧–磁选工艺，获得了70.01%的铁品位和91.31%的回收率，同时尾矿中的稀土氧化物富集度达到11.16%，回收率为98.19%。Zhou等人（Zhou, Y.等人，2020年）通过碳热还原后酸浸工艺，获得了99.67%的铁金属化率，经过磨矿和磁选后铁回收率为96.7%，稀土回收率为98.2%。Li等人（2025年）采用Na₂CO₃辅助还原焙烧工艺，获得了90.03%的铁品位和82.60%的回收率。Chang等人（2025年）通过碳化焙烧–磁选工艺生产出了含铁92.91%、铌0.25%的高质量精矿。尽管取得了这些进展，但使用煤和焦炭等碳基还原剂不可避免地会产生大量CO₂排放，这与全球碳中和目标相悖。此外，残留的碳会附着在矿物表面，降低下游分离（尤其是浮选）的选择性。

与铁富集同时，实现深度和选择性的除氟仍是一个主要瓶颈。目前的研究主要依赖传统的磁选或浮选方法，这些方法往往难以有效分离与铁精矿紧密共生的含氟矿物。虽然Wang等人（Wang, J.等人，2020年）提出了一种逐步磁选策略，可以同时回收铁、稀土和氟石，但从富铁系统中选择性地去除氟石仍然具有挑战性。更重要的是，除氟过程中经常会发生大量的铁损失，限制了整个工艺的效率。

总之，现有的巴彦奥博尾矿利用方法受到三个相互关联的挑战：复杂的矿物学特性、传统还原焙烧过程带来的高碳排放，以及在不牺牲铁回收率的情况下实现深度除氟的难度。为了克服这些限制，迫切需要一种清洁、高效且集成的工艺，既能提高铁的回收率，又能实现有效的除氟。

为了解决这些挑战，本研究提出了一种新的集成工艺，包括磁选预富集、基于氢的矿物相变（HMPT）、再磨-磁选和反浮选除氟。磁选预富集首先浓缩铁矿物并去除部分尾矿。HMPT参数经过优化，可以选择性地将赤铁矿转化为磁铁矿（Zhao, L.等人，2025年）。与传统碳基还原相比，HMPT具有更高的选择性，可以精确控制相变过程，并消除直接的CO₂排放，为处理复杂尾矿提供了一种清洁高效的替代方案。还原后的产物经过再磨和多级磁选后得到粗铁精矿，再通过反浮选去除氟矿物，从而获得低氟、高品位的铁精矿。为了阐明该工艺的基本机制，采用了一系列先进的表征技术来研究相变、磁化演变、微观结构变化和表面化学性质。这些分析揭示了基于氢的还原机制以及控制浮选除氟的界面行为。这种集成工艺为巴彦奥博尾矿的高值和环境友好型利用提供了实用途径，对其他复杂含铁资源也有广泛的应用价值。

材料

本实验使用的原材料来自巴彦奥博尾矿库。原始矿石的化学成分分析结果见表1。如表1所示，铁、稀土元素（REEs）和氟是尾矿中具有经济价值的主要元素，其含量分别为14.22%、9.20%和9.32%。此外，主要的脉石成分是CaO和SiO₂，含量分别为21.63%和15.47%。

铁矿物的预富集

预富集工艺流程包括磨矿、一级LIMS和一级HGMS，具体过程如图S1所示。LIMS和HGMS得到的精矿合并后形成预富集精矿，而HIMS得到的尾矿则为预富集尾矿。由于磁铁矿具有强磁性质，在79.60 kA/m的磁场强度下，LIMS实现了高效的回收。HGMS使用垂直环式高梯度磁选机，有效捕获了弱磁性的铁矿物。

结论

本研究提出并验证了一种清洁高效的巴彦奥博尾矿利用集成工艺，结合了磁选预富集、HMPT、磨矿-磁选和反浮选除氟。所提出的工艺流程能够同时实现高铁回收率和深度除氟。

经过HMPT处理（550°C，20分钟，30% H₂）后，再进行磨矿和LIMS处理，得到的铁精矿品位为65.32%。

CRediT作者贡献声明

袁星月：撰写初稿、方法论设计、数据分析。孙永生：实验研究、资金争取。高鹏：资源调配、项目管理、方法论设计。韩月新：实验监督、资金争取。唐志东：撰写、审稿与编辑、验证、项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢以下机构对本文项目的财政支持：国家自然科学基金（项目编号：52474284、52130406、U23A20603、52274253）、国家重点研发计划（项目编号：2021YFC2901000）、 CAST的青年精英科学家资助计划（项目编号：YESS20230257）、辽宁省自然科学基金（项目编号：2025JH6/101000009）以及中央高校基本科研业务费（项目编号：）。