杜雅琴,趙建國,?,潘啟亮,,宋 潔,王海青,
(1.山西大同大學化學與環(huán)境工程學院,山西大同037009;2.山西大同大學炭材料研究所,山西大同037009)
丙三醇液相插層制備優(yōu)級煤系高嶺土
杜雅琴1,趙建國1,2?,潘啟亮1,2,宋 潔2,王海青1,2
(1.山西大同大學化學與環(huán)境工程學院,山西大同037009;2.山西大同大學炭材料研究所,山西大同037009)
以大顆粒的煤系高嶺土礦為原料,丙三醇為插層劑,通過插層空化工藝、濕法球磨、噴霧干燥制備優(yōu)級高嶺土。通描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射(XRD)等對煤系高嶺土產(chǎn)品的微觀形貌結構和成份進行分析,采用白度儀測定樣品白度。結果顯示,所得樣品晶態(tài)好、白度高、細度小、純度高、顆粒分布均勻,遠高于優(yōu)級高嶺土的要求。
煤系高嶺土;丙三醇;插層空化法;濕法球磨;噴霧干燥
高嶺土是一種非金屬礦產(chǎn),優(yōu)質的高嶺土細膩潔白,呈軟土狀,含雜質的高嶺土帶灰、黃、褐等顏色。其化學式Al2O3·2SiO2·2H2O[1-2],其中Al2O3占41.2% ,SiO2占48.0%,H2O占10.8%。高嶺土在陶瓷、造紙、顏料、油漆以及石油等行業(yè)中有著廣泛的應用。
高嶺土類礦物屬于1∶1型層狀硅酸鹽,晶體主要由硅氧四面體和鋁氧八面體構成[3]。兩層面間氧原子與羥基極性相差較大,容易形成氫鍵,而且氧層與羥基層存在不對稱效應,使得層間連接緊密,因此高嶺土不易散開。
煤系高嶺土礦是煤的共伴生礦產(chǎn),儲量高,但為黑褐色的塊狀礦石,不能直接用于工業(yè)生產(chǎn),必須對其進行細化和煅燒增白處理[4-6]。其中細化可以通過插層的方法控制[7]。
有機分子與高嶺土插層時遵循電子轉移,即原有的氫鍵斷開,插層劑與層間羥基或氧產(chǎn)生新的氫鍵。插層劑與高嶺土形成氫鍵時分為給出質子和接受質子2種類型。含-NH2-的質子給出類型的插層劑,與高嶺土層間的硅氧層產(chǎn)生-NH-OSi氫鍵;含C=O或S=O的質子接受類型的物質,通過與高嶺土層間的羥基形成-O=C-H-OAl或-O=S-H-OAl氫鍵。這2類氫鍵都很弱,所以有機分子小分子與高嶺土插層反應中間物不穩(wěn)定,水洗、加熱等都會使插層小分子與高嶺土分離,促進了高嶺土的細化。
本論文采用丙三醇作插層劑,通過插層空化工藝、濕法球磨、噴霧干燥對煤系高嶺土礦進行處理,經(jīng)過SEM、XRD、EDS、白度儀等方式對樣品的形貌、結構和成份、白度進行表征。
1.1 材料與儀器
丙三醇(AR,天津市化學試劑批發(fā)公司),六偏磷酸鈉(二級,北京化工廠),煤系高嶺土礦。
FA1104電子天平,F(xiàn)W80高速萬能粉碎機,GZX-9076數(shù)顯鼓風干燥箱,85—2恒溫磁力攪拌器,SM—1200D超聲波細胞粉碎機,YM-6000Y噴霧干燥機,XQM-04行星式球磨機,KSY—6D—16馬弗爐,MAIA3 TESCAN高分辨率掃描電鏡,Oxford X-act能譜儀,Bruker D8 Focus X射線粉末衍射儀,WSB-2白度儀,C84-III反射率測定儀。
1.2 材料的制備
將大塊煤系高嶺土礦粉碎成小塊,用FW80高速萬能粉碎機將其粉碎,用100目的篩子進行篩分。
取一定量的丙三醇、40 mL蒸餾水于燒杯中,在恒溫磁力攪拌器上攪拌2 min,制成丙三醇溶液;加入2 g(NaPO3)6、20 g高嶺土礦(100目)繼續(xù)攪拌10 min,得混合液;將制備的混合液放入超聲波細胞粉碎機中進行超聲空化處理、使用球磨機球磨后進行噴霧干燥。將上述所得樣品置于馬弗爐中1 000℃,焙燒6 h后得最終產(chǎn)品。
2.1 山西大同煤系高嶺土的X射線衍射分析(XRD)
從圖1可見,山西大同煤系高嶺土的XRD射線圖譜中,其衍射峰數(shù)目、位置、峰形經(jīng)與高嶺土的標準譜圖卡片(PDF:15-0776)對比,非常接近;這表明經(jīng)過該工藝制備的高嶺土樣品結晶程度高、所含雜質少,為其優(yōu)質高嶺土的制備提供了有利的保證。
圖1 煤系高嶺土的XRD圖
2.2 煤系高嶺土的掃描電子顯微鏡 (SEM)分析
圖2中顯示,經(jīng)過該工藝制得樣品顆粒分散均勻,粒度遠高于優(yōu)質高嶺土(90標準)的要求,達到了納米級別。
圖2 山西大同煤系高嶺土的SEM圖
2.3 能譜表征(EDS)
圖3表明,該工藝制備的高嶺土雜質含量極低、純度高。煤系高嶺土區(qū)別于非煤系高嶺土的主要方面是前者在含有大量的結構有機碳,通過液相插層工藝,在大顆粒高嶺土礦的基礎上打開高嶺土的層狀結構,使處于層中的有機碳通過進行灼燒含量大大的降低,相較于一般的方法,除炭更為徹底。
圖3 煤系高嶺土的EDS圖
2.4 白度測試
采用白度儀測定高嶺土的白度,平行測定5次,得平均值96.4。煤系高嶺土礦為黑色硬質礦,純度高,幾乎不含鐵、鈦,但是其結構中的有機碳極難除去,通過該工藝使其礦中的有機碳充分燃燒而達到很好的除雜,使其所得高嶺土白度很高,遠高于優(yōu)級(90標準)高嶺土的標準,可直接用作優(yōu)質原料。
對于煤系高嶺土礦常用的除雜、增白工藝,其除去結構中的有機碳不徹底,導致高嶺土的純度、白度不高,無法用作造紙、高檔陶瓷、高檔涂料、塑料的優(yōu)質原料。本研究在以丙三醇做插層劑,經(jīng)過插層空化工藝、濕法球磨、噴霧干燥工藝后所制備的高嶺土,在原料粒度大的基礎上仍能夠脫碳徹底,形成晶態(tài)好、白度高、細度小、純度高、顆粒分布均勻達到優(yōu)質原料的要求。
參考文獻
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Preparation of Premium Grade Coal Kaolin by Liquid-phase Intercalation with Glycerol
DU Ya-qin1,ZHAO Jian-guo1,2?,PAN Qi-liang1,2,SONG Jie2,WANG Hai-qing1,2
(1.School of Chemistry and Environmental Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009;2.Research Institute of Carbon Matericls,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)
The kaolinite was prepared through the intercalation cavitation process,wet ball-milling,spray drying using the large particles of coal-based kaolinore as raw material and glycerol as intercalation agent.The microstructure and composition of coal kaolin products were analyzed by electron microscopy(SEM),energy dispersive spectrometer(EDS)and X-ray diffraction(XRD).The shiteness of the sample was measured by a whiteness,small fineness,high purity and uniform distrbution of particles,which much higher than of gorden gade.
coal kaolin;propanetriol;intercalation caviation;wet ball-milling;spray dry
P578.965
A
1674-0874(2017)02-0025-03
〔責任編輯 楊德兵〕
2017-02-03
山西大同大學校級青年科研項目經(jīng)費[2015Q7];大同市科技公關項目[2015Q24]
杜雅琴(1971-)女,山西應縣人,碩士,實驗師,研究方向:納米陶瓷材料的制備及應用;?趙建國,男,教授,博士生導師,通信作者。