攀枝花是中国重要的钒钛磁铁矿冶金工业基地,钒钛磁铁矿冶金过程产生三类主要固体废渣:尾矿、高炉渣和钢渣,三类废渣现有量分别为1.25亿、7000万和800万吨,这些废渣长期露天堆存,其有毒有害成分潜在的环境风险备受关注。论文以这些冶金废渣为研究对象,从环境地球化学出发对废渣的浸出行为和浸出热力学、动力学进行研究。具体内容包括:(1)废渣的化学和矿物组成;(2)废渣在不同环境条件下(水介质、模拟酸雨介质、CO2氛围)的浸出行为;(3)废渣浸出热力学和动力学模拟。1.废渣化学及矿物组成:借助现代分析测试技术对尾矿、高炉渣和钢渣的化学和矿物成分研究。结果表明尾矿化学成分以Si、Fe、Al、Ca、Mg、Ti、Na等常量元素为主,其次还含有较高的Mn、V、Co等微量元素;尾矿主要矿物为普通辉石、斜长石、钾长石、石英、绿泥石、绿帘石、钛铁矿和少量黄铁矿。高炉渣化学成分以Si、Fe、Al、Ca、Mg、Ti等常量元素为主,还含有较高的Mn、V、Cr等微量元素;高炉渣主要矿物成分为透辉石、钙钛矿、镁铝尖晶石和单质铁。钢渣主要常量元素为:Si、Fe、Al、Ca、Mg,主要微量元素为Mn、Ba、Cr、V等,钢渣是一种碱性废物,其主要矿物成分为硅酸二钙、硅酸三钙、方铁矿、铁铝酸钙、铁橄榄石和活性氧化钙等。2.废渣的浸出行为研究包括静态、动态和类柱浸出,并针对钢渣富钙特性,对其碳酸盐化作用进行了系统研究。(1)静态浸出行为:尾矿在纯水介质中相对较稳定,而模拟酸雨显著提高尾矿Mn、Fe、Co、Ni、V、Zn、Cu、Cd、Cr的浸出能力,这些元素在浸出液中的浓度已超过国家地表水I类水质限定值,具有潜在的环境风险。高炉渣主要浸出微量元素为V,且在纯水介质中V的浸出浓度是模拟酸雨介质的26.8倍,主要是因为模拟酸雨增加高炉渣Fe的浸出,在弱碱性条件下形成的氢氧化铁限制V的浸出;分析结果表明浸出液中V以五价形式存在;另外,在模拟酸雨中高炉渣的Mn大量被浸出,其浓度已超过国家地表水标准限定值的917倍。钢渣静态浸出最显著的特征是Ca离子的大量浸出导致溶液呈较强的碱性;同时浸出液中Ba离子浓度高出国家地表水标准限定值96倍;微量元素受Fe、Al氢化物铁(铝)二次矿物控制浸出浓度较低。(2)动态浸出行为:尾矿常量元素Ca、Mg、K、Na表现为初期浓度较高,随后迅速降低;Fe以沉淀-溶解-沉淀的循环方式自上而下迁移;Co、Mn、Ni因吸附和溶解作用出现一个迁移峰面;V、Ti因更强沉淀和吸附作用,传输阻力更大流出时间更长。高炉渣常量元素Ca、K、Na、Mg呈现逐渐降低趋势,而Fe、Al因为沉淀作用一直保持较低浓度;V因受未反应收缩核灰层扩散控制和吸附作用影响呈现一个缓慢流出峰面。钢渣常量元素Ca、K、Na、Ba开始浸出浓度较高,随后迅速下降,表明这些元素迁移过程中无沉淀作用;且Ca已达到过饱和状态,与空气中CO2作用形成大量方解石二次矿物;而微量元素受浸出液强碱性控制一直保持较低浓度。(3)类柱浸出行为:尾矿、高炉渣、钢渣类柱浸出提供了浸出过程中的层位信息,提供了静态浸出和动态浸出过程中元素的时间和空间变化规律。大多数常量元素(Ca、K、Na等)表现为随层位后移浸出浓度持续增长趋势,证明其迁移过程中无沉淀吸附现象;而大多数微量元素(V、Mn、Co、Ni)和Fe、Al在浸出过程发生沉淀吸附作用,表现为在前面层位浸出在后面层位富集趋势。3.钢渣碳酸盐行为研究:钢渣在常压条件下与CO2的碳酸盐化反应和升高CO2压力条件下的反应速率相差不大,但升高CO2压力显著提高钢渣中CaO碳酸盐化转化率;钢渣中CaO碳酸盐化转化率与CO2流速有关,而与反应体系的液固比(I/S)无明显关系,表明钢渣只要处于湿润状态与CO2充分接触就可以发生碳酸化作用。钢渣碳酸盐化过程中碳同位素发生显著的分馏,CaCO3固相优先富集13C,气相和溶液相对富集12C,且碳同位素分馏与碳酸盐化过程同步达到平衡。虽然碳酸盐化作用有利于降低钢渣浸出液的pH,但显著提高其重金属V、Cr、Mn、U和Ti元素的浸出率。4.废渣浸出热力学和动力学研究:通过PHREEQC地球化学模拟软件计算废渣浸出饱和指数,证实了 Fe、Al氢氧化物二次矿物的形成是废渣浸出热力学的主要控制因素;浸出液中V的形态模拟计算结果证实V主要以五价形态存在;废渣浸出动力学速率方程拟合结果表明绝大多数元素浸出速率方程符合Elovich、幂函数、抛物线、准二级、准一级速率方程:废渣浸出动力学模型研究表明高炉渣中V的浸出动力学符合未反应收缩核模型,其浸出速率受灰层扩散控制;钢渣碳酸盐化动力学也符合未反应收缩核模型,碳酸盐化速率也受灰层扩散控制。