哈密某膨潤土的性能表征與提純

李志娟 王曉飛 周岐雄 李 洪 劉廣軍

(1.新疆大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，新疆烏魯木齊830046;2.新疆德安環(huán)保科技有限公司，新疆烏魯木齊830026)

新疆擁有豐富的膨潤土資源［1］。位于哈密市巴里坤縣境內(nèi)的拉伊格來克膨潤土礦，333+334級總儲量約5.1億t，其蒙脫石含量、膠質(zhì)價、膨脹容較高，蒙脫石含量達到工業(yè)品級，是我國目前探明的唯一大型鈉基膨潤土礦。

由于精細(xì)化工、輕工日化生產(chǎn)對膨潤土中蒙脫石含量有較高的要求，而該膨潤土含有一定量的長石、葉臘石、石英等雜質(zhì)成分，因此，必須脫除這些雜質(zhì)才能滿足制備新材料、生產(chǎn)某些無機精細(xì)化學(xué)品(如白炭黑、4A分子篩等)及系列有機膨潤土的要求［2-3］。

本研究將對該膨潤土進行性能測試與表征，并對化學(xué)提純與高速離心提純效果進行對比，以確定該膨潤土的高效、低耗提純工藝。

1 試樣

試樣取自提純、除雜加工廠的原料輸送皮帶。除雜加工廠的原料自采場采出后，經(jīng)顎式破碎機碎至20～0 mm，堆置約60 d后，其蒙脫石含量達78%，主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Main chemical components of the sample %

從表1可以看出，試樣中Na2O含量為5.57%，明顯高于MgO、CaO含量，顯示出鈉基膨潤土的典型特征，此外，F(xiàn)e2O3含量較高是該原料的又一特征。

2 試驗藥劑及儀器

(1)六偏磷酸鈉、亞甲基藍、碳酸鈉、鹽酸均為分析純，由天津盛淼精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)。

(2)試驗儀器見表2。

表2 主要試驗儀器Table 2 Main experimental instruments

3 性能表征與試驗方法

3.1 性能測定與表征

膨潤土的性能測定內(nèi)容主要包括酸堿度、吸藍量(用亞甲基藍測定)、蒙脫石含量、膠質(zhì)價、膨脹容和陽離子交換量等［4-6］。吸藍量測定參照《ZBJ31009—1990 鑄造用膨潤土和粘土》;蒙脫石含量以吸藍量表征，即蒙脫石含量(%)=吸藍量/0.442;膠質(zhì)價、膨脹容測定參照DZG93—06 非金屬礦物化性能測試規(guī)程;陽離子交換量測定依據(jù)JC/T593—1995 膨潤土試驗方法。

對膨潤土性能的表征，可以更好地揭示其結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)聯(lián)度，為膨潤土的后期深加工，尤其是制備有機膨潤土提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(1)紅外光譜(FTIR)分析采用KBr壓片，掃描范圍為4 000～400 cm－1。

(2)X射線衍射(XRD)分析采用Cu/Ni輻射，管電壓、管電流為40 kV、100 mA，掃描速度為2°/min。

(3)掃描電鏡(SEM)分析的加速電壓為20 kV、電流為3 mA。

3.2 除雜提純方法

除雜、提純的方法主要有高速離心法和化學(xué)提純法。

(1)高速離心法。將+200目試樣制成不同濃度的土漿懸濁液，攪拌均勻后分裝在100 mL的離心管內(nèi)，在一定轉(zhuǎn)速下離心分離一定時間，將棄去下層雜質(zhì)的產(chǎn)品于105℃下烘干，研磨、過200目篩，即得膨潤土精礦。

(2)化學(xué)提純法。用4%的碳酸鈉溶液或2%的HCl溶液調(diào)節(jié)一定濃度的六偏磷酸鈉溶液的pH值，投入+200目試樣，制成不同濃度的土漿懸濁液，攪拌均勻后分裝在100 mL的離心管內(nèi)，在60℃恒溫水浴中加熱、強力攪拌1 h(通過不斷加水保持漿液體積基本不變)，然后保溫靜置1 h，小心轉(zhuǎn)移出上層漿液，并在105℃烘干，研磨、過200目篩，即得膨潤土精礦。

4 試驗結(jié)果與討論

4.1 性能測定與表征

4.1.1 理化性能測定

試樣的理化性能測定結(jié)果見表3。

表3 試樣的理化性能測定結(jié)果Table 3 Results of the physico-chemical properties of the sample

從表3可以看出:①試樣的pH=8～9，表明該試樣為弱堿性膨潤土。②試樣的吸藍量為0.35 g/g，遠高于一般鈉基膨潤土0.2 g/g的吸藍量;膠質(zhì)價為54 mL/g，膠質(zhì)性能較好;膨脹容為27 mL/g，遠高于鈣基膨潤土10 mL/g的膨脹容;陽離子交換量為1.01 mmol/g，天然蒙脫石的陽離子交換量為0.70～1.4 mmol/g［6］，綜合以上信息，可知該試樣屬優(yōu)質(zhì)膨潤土礦。

4.1.2 性能表征

4.1.2.1 XRD分析

膨潤土中整齊有序的硅酸鹽片層在XRD圖譜中會出現(xiàn)對應(yīng)的衍射峰，用Bragg方程及測得的衍射角可以計算出膨潤土片層間距［7］。試樣的XRD圖譜見圖1。

由圖1可以看出，原礦的主要成分為蒙脫石，雜質(zhì)主要為葉臘石、長石、石英。蒙脫石的衍射峰峰形尖銳，峰腳較窄，是典型鈉基膨潤土的特征［8］，計算出的晶層間隔為1.265 mm。

圖1 試樣的XRD圖譜Fig.1 XRD spectra of the sample

4.1.2.2 FTIR分析

試樣的FTIR圖譜見圖2。

圖2 試樣的紅外光譜圖Fig.2 Infrared spectra of the sample

從圖 2可以看出，3 634.54 cm－1與3 459.64 cm－1間強而寬的吸收帶由層間水的伸縮振動造成;1 646.39 cm－1處的吸收峰由層間水羥基的彎曲振動造成;1 040.16 cm－1附近較強的、寬敞的吸收帶為鈉基膨潤土的特征吸收峰，主要是由于鈉基膨潤土中鈉、鎂、鋁等離子的水化性較強，使膨潤土層表面與水的氫鍵作用加強，Si—O鍵吸收減弱，甚至消失，從而導(dǎo)致 Si—O和 Si—O—Si的吸收峰兼并為單峰所致［9］;796.78 cm－1處的吸收峰由 Si—O—Al的彎曲振動造成;525.07 cm－1處的吸收峰為 Si—O—Al和Si—O—Na的伸縮振動造成，這些都是硅酸鹽的典型譜帶。

4.1.2.3 SEM分析

膨潤土礦物顆粒形態(tài)與層電荷大小、層間陽離子類型及水化狀態(tài)等關(guān)系密切，在電鏡下一般呈邊界不清的、凝聚成不同大小的團塊或絮狀集合體。試樣的掃描電鏡圖片見圖3。

從圖3(a)可以看出，大多數(shù)膨潤土顆粒小于20 μm，晶體呈細(xì)鱗片狀或花絮狀，輪廓不清晰，顆粒邊緣不規(guī)整，表現(xiàn)出鈉基膨潤土的特征［8-10］;從圖3(b)可以看出，蒙脫石的片層結(jié)構(gòu)清晰，銜接緊密，基本呈平行延伸狀態(tài)，部分已剝離，呈斷裂狀，層間隔一般在1 nm左右。

圖3 試樣的SEM圖片F(xiàn)ig.3 SEM photograph of the sample

4.2 除雜提純試驗

4.2.1 高速離心提純

4.2.1.1 漿液濃度對提純效果的影響

漿液濃度對提純效果影響試驗的離心機轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，分離時間為15 min，試驗結(jié)果見圖4。

圖4 漿液濃度對提純效果的影響Fig.4 Effects of slurry concentration on purification

從圖4可以看出，隨著漿液濃度的提高，膨潤土精礦吸藍量下降。這主要是由于漿液黏度隨漿液濃度的提高而提高，從而影響了漿液中雜質(zhì)的沉降。因此，確定漿液濃度為6%。

4.2.1.2 離心分離時間對提純效果的影響

離心分離時間對提純效果影響試驗的漿液濃度為6%，離心機轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，試驗結(jié)果見圖5。

從圖5可以看出，隨著離心分離時間的延長，膨潤土精礦吸藍量先顯著上升后維持在高位。因此，確定離心分離時間為15 min。

4.2.1.3 離心機轉(zhuǎn)速對提純效果的影響

離心機轉(zhuǎn)速對提純效果影響試驗的漿液濃度為6%，離心分離時間為15 min，試驗結(jié)果見圖6。

圖5 離心分離時間對提純效果的影響Fig.5 Effects of centrifuge time on purification

圖6 離心機轉(zhuǎn)速對提純效果的影響Fig.6 Effect of centrifuge speed on purification

從圖6可以看出，隨著離心機轉(zhuǎn)速的提高，膨潤土精礦吸藍量先上升后下降，高點均在2 500 r/min時，對應(yīng)的吸藍量和蒙脫石含量分別為0.429 g/g、97.00%。過高的離心機轉(zhuǎn)速使蒙脫石和其他雜質(zhì)都集攏在離心管底部，影響蒙脫石和其他雜質(zhì)的分離。因此，確定離心機轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。

4.2.2 化學(xué)提純

4.2.2.1 六偏磷酸鈉濃度對提純效果的影響

六偏磷酸鈉濃度對提純效果影響試驗的漿液濃度為5%，溶液的pH=7.0，試驗結(jié)果見圖7。

圖7 分散劑六偏磷酸鈉濃度對提純效果的影響Fig.7 Effects of concentration of dispersant sodium hexametaphosphate on purification

從圖7可以看出，隨著六偏磷酸鈉濃度的提高，膨潤土精礦吸藍量先上升后下降，高點在六偏磷酸鈉濃度為0.075%時。因此，確定六偏磷酸鈉濃度為0.075%。

4.2.2.2 pH值對提純效果的影響

pH值對提純效果影響試驗的六偏磷酸鈉濃度為0.075%，漿液濃度為5%，試驗結(jié)果見圖8。

圖8 pH值對提純效果的影響Fig.8 Effects of different pH value on purification

從圖8可以看出，隨著漿液pH值的升高，膨潤土精礦的吸藍量先上升后下降，高點在pH=7.0時。因此，確定漿液的pH=7.0。

pH值超過7.0以后，隨著pH值的升高，提純指標(biāo)下降，主要是由于漿液中多余的六偏磷酸鈉會越來越多地電離出過量的Na+，當(dāng)膨潤土端面達到吸附飽和后，過量的Na+和膨潤土通過離子交換，使原來處于擴散層的過量Na+擠進膨潤土的吸附層，造成膨潤土顆粒中心電位的下降、靜電斥力的減少，從而引起膨潤土絮凝，土漿黏度的上升最終將影響提純效果［11-12］。

4.2.2.3 漿液濃度對提純效果的影響

漿液濃度對提純效果影響試驗的pH=7.0，六偏磷酸鈉濃度為0.075%，試驗結(jié)果見圖9。

圖9 漿液濃度對提純效果的影響Fig.9 Effects of different slurry concentration on purification

從圖9可以看出，隨著漿液濃度的提高，膨潤土精礦的吸藍量先上升后下降，高點在漿液濃度為7%時。因此，確定漿液濃度為7%，對應(yīng)的吸藍量為0.418 g/g、蒙脫石含量達94.70%。

4.2.3 提純試驗小結(jié)

(1)從試驗結(jié)果看，離心法提純、除雜效果優(yōu)于化學(xué)法。離心法的膨潤土精礦的吸藍量為0.429 g/g、蒙脫石含量為97.00%，化學(xué)法的膨潤土精礦的吸藍量為0.418 g/g、蒙脫石含量為94.70%。

(2)相比較而言，離心法需要較大型的離心設(shè)備，設(shè)備投資和生產(chǎn)能耗均較高;而化學(xué)提純法工藝簡單、操作方便，生產(chǎn)成本較低。

(3)具體生產(chǎn)工藝可根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量要求確定。

5 結(jié)論

(1)哈密市巴里坤縣拉伊格來克膨潤土的化學(xué)成分分析和XRD、FTIR、SEM分析結(jié)果表明，該膨潤土礦為典型鈉基膨潤土，其蒙脫石含量達78%、吸藍量為 0.35 g/g、膠質(zhì)價為 54 mL/g、膨脹容為 27 mL/g、膨潤土陽離子交換量為1.01 mmol/g，屬優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土礦。

(2)試樣提純除雜試驗研究表明，投資與運行成本較高的高速離心法可以制備高品質(zhì)膨潤土精礦，在漿液濃度為6%、離心分離速度為2 500 r/min、離心分離時間為15 min情況下，所獲得的膨潤土精礦吸藍量為0.429 g/g、蒙脫石含量為97.00%;工藝技術(shù)簡單、生產(chǎn)成本較低的化學(xué)法提純效果略低，在漿液濃度為7%、pH=7.0、六偏磷酸鈉濃度為0.075%情況下，所獲得的膨潤土精礦吸藍量為0.418 g/g、蒙脫石含量為92.70%。

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