JPWO2021035318A5 - 鉄鉱石精鉱過程で生じる砂状尾鉱から粉末ケイ酸ナトリウムを得る方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉱物製造、特に鉄鉱石の処理における砂状尾鉱から粉末ケイ酸ナトリウムを製造する方法に関する。本発明は、建設業および道路舗装において主に用いられるジオポリマーおよびアルカリ活性化材料の製造に用いられる原材料の製造に関する。この尾鉱を利用することにより、大型ダムにおける尾鉱の廃棄による環境への影響を低減し、商業的に利用可能な生成物を得ることにより尾鉱に付加価値を与えることができる。

ケイ酸ナトリウムを製造するための様々な代替供給源の探索において、鉄鉱石抽出において、主に砂質の、非常に微細な砂に類似の固体成分から構成される異なる鉱石加工段階から生じる大量の尾鉱が生成されることに留意されたい。

鉱石尾鉱の利点は、それらの化学的特性が通常の砂に非常に類似していることであり、それは砂（ＳｉＯ_２）の代わりにそれらを使用する可能性を高める。

尾鉱のリサイクルに関する関心は、尾鉱に関連する負の環境影響の低減に向けられた研究の主題となっている。ブラジルでは、鉱業によって生成されるかなりの量の尾鉱に対する関心が際立っている。具体的には、鉄鉱石の加工により発生する廃棄物については、再利用と付加価値の重要性が高まっている。

鉱石抽出中に生成される大量の尾鉱に直面して考えられる利益を考慮すると、前記尾鉱の使用の可能性は、環境へのプラスの影響を生み出し、したがって、ダムにおけるその貯蔵が抑制され、またはそのような施設の大きさおよび容量が大幅に低減される。

「キンバーライト尾鉱からケイ酸ナトリウムを製造するための方法」と題された、Council of Scientific and Industrial Researchに代わって２００６年３月１４日に出願された米国特許第７，３３５，３４２号は、ダイヤモンド採掘中の固形廃棄物として生成されたキンバーライト尾鉱からケイ酸ナトリウムを製造する方法を示している。この方法は、可溶性不純物を除去するための酸性手段によるキンバーライト尾鉱の反応と、それに続く開放系または閉鎖系でのアルカリ溶液によるキンバーライト尾鉱の消化とを含み、商業的に用いられるケイ酸ナトリウムを得る。

この文献は、典型的な組成が：ＳｉＯ_２ ３０～３２％ Ａｌ_２Ｏ_３ ２～５％；ＴｉＯ_２ ５～８％；ＣａＯ ８～１０％；ＭｇＯ ２０～２４％；Ｆｅ_２Ｏ_３ ５～１１％であり；強熱減量（ＰＦ）が１５％である固体のダイヤモンド鉱物尾鉱（キンバーライト）の用途を示す。

提案された経路は、ケイ酸ナトリウムを生成するためのシリカの供給源としてのキンバーライト尾鉱の使用を含む。最初に、尾鉱を洗浄工程にかけ、１８％ｗ／ｖの塩酸により、１：４の比率で、９５～１００℃の温度で３～５時間浸出させる。その期間の後、パルプを中性のｐＨレベルに達するまでろ過および洗浄する。続いて、苛性ソーダによる消化にかけられ、９５～１９０℃の温度の閉鎖系、または沸騰温度の開放系において、３～４時間で、固液比１：４で、８～１０重量％のＮａＯＨ溶液を材料に添加して、必要な特性を備えるケイ酸ナトリウムを得る。

文書の提案とは異なり、本発明では、ケイ酸ナトリウムは、水酸化ナトリウムと浮遊選鉱尾鉱との約４５℃の温度での２．５時間の反応によって得られる。尾鉱の残留酸化鉄と混合された粉末ケイ酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳｉＯ_３）が得られる。

本発明はさらに、ジオポリマー製造の代替案を提示し、鉄鉱石精鉱過程に由来する砂状尾鉱が、同じ尾鉱から製造されるケイ酸ナトリウムと共に骨材として用いられる。上記の尾鉱からジオポリマーを得ることは、尾鉱の貯蔵面積を減らし、ダムをなくすための代替手段と見なされている。

本発明は、その全体的な目的として、ジオポリマーの製造に用いるための、シリカの供給源として、鉄鉱石精鉱過程から砂状尾鉱からケイ酸ナトリウムを得る方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、主要な環境影響をもたらす鉄鉱石加工設備における尾鉱を減少させることであり、この尾鉱を利用して、それを商業製品に変換することである。

したがって、本発明の別の目的は、ダムにおける鉱石加工尾鉱の廃棄によって生じる環境への影響を低減することであり、それは、この材料をケイ酸塩材料の供給源として利用してケイ酸ナトリウムを生成することによって可能になる。

本発明は、その好ましい実施形態において、以下の工程を含む、鉄鉱石精鉱過程から生成される砂状尾鉱から粉末ケイ酸ナトリウムを得るための方法を開示する：
ａ）鉄鉱石精鉱過程で生成される砂状尾鉱中に存在する、スラリーとも呼ばれる超微細画分（粒径４０μｍ未満）を除去する工程；
ｂ）スラリーを含まない材料から過剰な湿度を除去する工程；
ｃ）過剰な湿度を除去した後に得られる材料を乾燥させる工程；
ｄ）乾燥された材料に、３３～３８ｍｏｌ／Ｌの濃度の水酸化ナトリウム溶液を溶液２質量部に対して尾鉱が１質量部となる比率で添加する工程；
ｅ）尾鉱と水酸化ナトリウム溶液とを適切な装置で混合し、完全な均質化を確保する工程；
ｆ）混合物を４００～５００℃の温度で熱処理し、その後、得られる材料を冷却する工程；および
ｇ）冷却された材料を最終生成物として保管し、吸湿性による湿気の吸収を防ぐ工程。

図２は、本発明による、鉄鉱石精鉱過程で生成される砂状尾鉱からの粉末ケイ酸ナトリウムの製造工程の簡略化されたブロック図を示す；

図３は、砂状尾鉱から得られるケイ酸ナトリウムを用いてジオポリマーを得る工程を示す；

本発明の主なアプローチは、その構成において高シリカ（ＳｉＯ_２）含有量を有する材料からケイ酸ナトリウムを製造するための方法に関連し、前記材料は、鉄鉱石精鉱過程によって生成される浮遊選鉱尾鉱である。

好ましい実施形態では、本発明のケイ酸ナトリウムの製造方法は、シリカ含有材料の供給源として、通常の砂と同様の特性を有し、この製造方法において用いられ、シリカ源としての砂の代わりに用いられる、浮遊選鉱による鉄鉱石精鉱により生成する砂状尾鉱が用いられる。

別の好ましい実施形態では、本発明のケイ酸ナトリウムの製造方法は、以下の工程を含む：
ａ）鉄鉱石精鉱過程で生成される砂状尾鉱中に存在する、スラリーとも呼ばれる超微細画分（粒径４０μｍ未満）を除去する工程；
ｂ）スラリーを含まない材料から過剰な湿度を除去するする工程；
ｃ）過剰な湿度を除去した後に得られる材料を乾燥させる工程；
ｄ）乾燥された材料に、３３～３８ｍｏｌ／Ｌの濃度の水酸化ナトリウム溶液を溶液２質量部に対して尾鉱１質量部となる比率で添加する工程；
ｅ）尾鉱と水酸化ナトリウム溶液とを適切な装置で混合し、完全な均質化を確保する工程；
ｆ）混合物を４００～５００℃の温度で熱処理し、その後、得られる材料を冷却する工程；および
ｇ）冷却された材料を最終生成物として保管し、吸湿性による湿気の吸収を防ぐ工程。

この方法は、砂状尾鉱中に存在する、スラリーとも呼ばれる超微細材料（粒度４０μｍ未満）の除去から始まり、これは、サイクロンシステム、濃縮または遠心分離により行われ、より適切にはこれらの単位操作の組み合わせにより行われ、その結果、続く処理に適した粒径の材料が得られる。

乾燥後、乾燥された材料に、３３～３８ｍｏｌ／Ｌの濃度の水酸化ナトリウム溶液を溶液２部に対して乾燥材料１部の質量比で添加し、ペーストを得る。材料の均一性との効率的な混合を確保するためにブレンダーが用いられる。混合は、約２分間絶えず行われ、熱損失は生じない。

粉末ケイ酸ナトリウムの製造を目的として、鉄鉱石加工尾鉱サンプルを用いて試験ベンチ規模の試験を行った。得られた結果は、ジオポリマーの製造に用いるのに適したケイ酸ナトリウムを得る可能性を示している。

この試験において、ＶＧＲ１およびＶＧＲ２として識別される、鉄鉱石精鉱設備からの２つの浮遊選鉱尾鉱が用いられた。サンプルの化学組成を表１に示す。

まず、尾鉱パルプを注ぎ、サイフォンによって４０μｍ未満の超微細画分を含む上澄みを分離した。デカンテーションされ、濃縮された材料を、１００℃の温度で２４時間ストーブ乾燥にかけた。乾燥後、材料を分解して均質化した。

ケイ酸ナトリウム調製シーケンスにおいて、乾燥および均質化された材料に、１：２の乾燥材料／溶液の質量比で、３７ｍｏｌ／Ｌの濃度のＮａＯＨ溶液を添加した。

表２は、得られた粉末ケイ酸ナトリウムの化学組成を示す。ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ比が１．６０～３．７５の範囲である市販のケイ酸塩とは異なり、ＳｉＯ_２／Ｎａ_２Ｏ比が１よりも低いことに留意する必要がある。結合ペーストを得るための水の添加により、ジオポリマーを形成するために、メタカオリンまたは他のイオン源からアルミン酸塩およびケイ酸塩イオンの溶解に必要なアルカリ性媒体が提供されるため、過剰量のＮａ_２Ｏがこの生成物の重要な特徴である。

鉄鉱石精鉱過程からの砂状尾鉱から生成された、本発明に記載された方法により得られた粉末ケイ酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳｉＯ_３）は、例えば、道路舗装に適用されるジオポリマーの製造に用いることができ、その取得過程を図３のブロック図に示す。

図３によれば、提示された手法によって得られた粉末ケイ酸ナトリウムを、浮遊選鉱尾鉱と共に、メタカオリンまたは他のアモルファス粉末ケイ酸アルミニウム源と混合する。その後、この混合物に水を添加してペーストを生成し、これを成形して硬化したモノリスを得る。この材料は、Portland cement mortarの代わりに用いることができ、この種のセメントでは不可能な、尾鉱の割合が高いという追加の利点を有する。得られたジオポリマーは、建設業または歩道や道路の舗装工事に用いることができる。代替のシリカ含有源からこのジオポリマーを得ることは研究の対象であり、その使用には、Portland cement mortarの製造と非常に類似したプロセスを特徴とすることに加えて、高アルカリ溶液の取り扱いを回避するというさらなる利点を有する。

Claims (6)

1. 鉄鉱石精鉱過程で生成される砂状尾鉱から粉末ケイ酸ナトリウムを得る方法であって、下記の工程：
   ａ）鉄鉱石精鉱過程で生成される砂状尾鉱中に存在する４０μｍ未満の粒径を有する超微細画分を除去する工程、
   ｂ）前記超微細画分を含まない材料から過剰な湿度を除去して、前記材料の湿度を最大１５質量％にする工程、
   ｃ）過剰な湿度を除去した後に得られる材料を乾燥させる工程、
   ｄ）前記乾燥された材料に、３３～３８ｍｏｌ／Ｌの濃度の水酸化ナトリウム過飽和溶液を溶液２質量部に対して前記尾鉱が１質量部となる比率で添加する工程、
   ｅ）前記尾鉱と前記水酸化ナトリウム溶液とが均質化するまで混合して混合物を得る工程、
   ｆ）前記混合物を４００～５００℃の温度で熱処理し、その後、得られる材料を冷却する工程、および
   ｇ）前記冷却された材料を最終生成物として保管し、湿気の吸収を防ぐ工程
   を含む、方法。
2. 前記工程ａ）で得られる超微細画分を含まない材料が２０～６５質量％の範囲の固体割合を示す、請求項１に記載の方法。
3. 前記工程ａ）における超微細画分の除去が、サイクロンシステム、濃縮、遠心分離、またはこれらの単位操作の組み合わせによって行われる、請求項１に記載の方法。
4. 前記工程ｂ）における過剰な湿度の除去が、濾過または遠心分離によって行われる、請求項１に記載の方法。
5. 前記工程ｃ）において行われる乾燥が、回転型乾燥機または流動床乾燥機で行われる、請求項１に記載の方法。
6. 前記工程ｆ）において冷却された後の最終生成物の温度が６０～７５℃の範囲であり、前記工程ｇ）において保管中の最終生成物の温度が６０～７５℃である、請求項１に記載の方法。