閆 爽，劉世峰，王冬旭

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，阜新 123000)

0 引 言

隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)與利用，優(yōu)質(zhì)的高嶺土資源已經(jīng)日趨減少，我國大多數(shù)地區(qū)的高嶺土質(zhì)量優(yōu)良的少、拙劣的多，已無法達(dá)到高嶺土生產(chǎn)質(zhì)量的要求，所以開發(fā)利用質(zhì)量較差的煤系高嶺土勢(shì)在必行[1-3]。我國擁有豐富的煤系高嶺土資源，探明儲(chǔ)量16.73億噸，開發(fā)應(yīng)用價(jià)值極高，而高嶺土的白度和含鐵量是決定其應(yīng)用價(jià)值的重要指標(biāo)之一，碳、鐵雜質(zhì)通常使其著色，影響其白度和其他性能[4-7]。本試驗(yàn)擬對(duì)遼寧凌源煤系高嶺土中的鐵賦存形式進(jìn)行分析，先采取煅燒的方法去除碳質(zhì)，再利用生物方法去除鐵雜質(zhì)并進(jìn)行正交試驗(yàn)分析影響除鐵的因素，尋求最優(yōu)去除方案。

1 成分分析

1.1 礦物組成分析

首先將遼寧凌源煤系高嶺土磨礦至-325目，再采用布魯克AXS公司的D8型X射線衍射儀對(duì)礦物進(jìn)行測(cè)試分析。工作電壓40 kV，工作電流40 mA，輻射源為Cu Kα射線，掃描速度0.04°/s，衍射角5°～80°，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

從圖1中可見高嶺石的基面強(qiáng)衍射峰，也可見其他的特征峰，所以礦石中的主要礦物為高嶺石族礦物，雜質(zhì)主要為赤鐵礦和碳質(zhì)，由于碳質(zhì)的存在，導(dǎo)致礦物的顏色為煤黑色，針對(duì)存在的碳質(zhì)采用煅燒的方法將其除去；而鐵雜質(zhì)也是影響其白度的主要因素，故尋求有效的去除方法顯得尤為重要。

1.2 電子顯微鏡分析

分析之前，在樣品上涂了金，隨后在JSM-7500F型掃描電子顯微鏡下進(jìn)行分析，加速電壓5 kV，分別放大2 000倍、5 000倍、10 000倍和20 000倍，如圖2所示。

從圖(b)、圖(c)中可以清晰看出原礦中主要以層片狀的高嶺石為主，表面凹凸不平，顆粒較細(xì)且粒度大小不等，并且結(jié)構(gòu)致密，顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象也比較明顯，高嶺石周圍也緊密伴生著其它細(xì)粒級(jí)礦物[8]，主要粒度集中在1～20 μm之間，同時(shí)高嶺石的表面也摻雜著一些碳質(zhì)，使其表面顏色加深，而鐵雜質(zhì)則存在于高嶺石的晶格結(jié)構(gòu)中。

圖2 原礦SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of raw ore

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 煅燒除碳試驗(yàn)

煤系高嶺土的煅燒主要是為了脫除有機(jī)碳質(zhì)，從而提高產(chǎn)品的白度，同時(shí)高嶺土經(jīng)過煅燒也可以提高其化學(xué)活性以及孔隙率。煅燒溫度、恒溫時(shí)間、升溫時(shí)間是影響高嶺土煅燒的主要因素，試驗(yàn)對(duì)以上三個(gè)主要因素進(jìn)行探究。

2.1.1 煅燒溫度對(duì)煅燒白度的影響

對(duì)原礦進(jìn)行煅燒試驗(yàn)，煅燒設(shè)備采用馬弗爐，在溫度為105 ℃時(shí)將2 g煤系高嶺土放入馬弗爐中，升溫時(shí)間3 h，恒溫時(shí)間2.5 h，煅燒溫度設(shè)置8個(gè)水平，750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同煅燒溫度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of different calcination temperatures

由表1可知，隨著煅燒溫度的增加，煅燒白度逐漸增加，當(dāng)煅燒溫度為1 000 ℃時(shí)，煅燒白度達(dá)到最高的87.57%，隨著溫度繼續(xù)升高，白度開始下降。分析是隨著溫度的升高，煤系高嶺土中的有機(jī)碳質(zhì)分解的更加徹底，所以白度逐漸增加，當(dāng)有機(jī)碳質(zhì)分解完全以后繼續(xù)升高溫度，原料中的鐵雜質(zhì)在煅燒的過程中被氧化致使白度下降，呈現(xiàn)紅白色，雖然當(dāng)煅燒溫度在1 000 ℃煅燒白度達(dá)到最高，但此溫度下煅燒高嶺土不易控制，容易形成莫來石，故選擇煅燒溫度950 ℃較為適宜，在此溫度條件下，煅燒白度可達(dá)86.66%。

2.1.2 恒溫時(shí)間對(duì)煅燒白度的影響

為了確定恒溫時(shí)間對(duì)煅燒白度的影響，在溫度為105 ℃時(shí)將2 g煤系高嶺土放入馬弗爐中，升溫時(shí)間3 h，煅燒溫度為950 ℃，恒溫時(shí)間設(shè)置6個(gè)水平，1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同恒溫時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of different constant temperature time

由表2可知，隨著恒溫時(shí)間的增加，煅燒白度逐漸增加，當(dāng)恒溫時(shí)間為1 h時(shí)，煅燒白度較低為65.54%，說明恒溫時(shí)間較短，煤系高嶺土中的有機(jī)碳質(zhì)還未完全分解，導(dǎo)致白度較低，當(dāng)恒溫時(shí)間為2.5 h時(shí)，煅燒白度為86.55%，繼續(xù)增加恒溫時(shí)間，煅燒白度基本不發(fā)生變化，說明當(dāng)恒溫時(shí)間為2.5 h時(shí)，有機(jī)碳質(zhì)已完全揮發(fā)，故確定恒溫時(shí)間為2.5 h。

2.1.3 升溫時(shí)間對(duì)煅燒白度的影響

為了確定升溫時(shí)間對(duì)煅燒白度的影響，在溫度為105 ℃時(shí)將2 g煤系高嶺土放入馬弗爐中，煅燒溫度為950 ℃，恒溫時(shí)間2.5 h，升溫時(shí)間設(shè)置4個(gè)水平，1 h、2 h、3 h、4 h試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同升溫時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of different heating time

由表3可知，升溫時(shí)間較煅燒溫度及恒溫時(shí)間對(duì)煤系高嶺土的煅燒影響較小，其中隨著升溫時(shí)間的增加，煅燒白度逐漸增加，當(dāng)升溫時(shí)間為1 h時(shí)，煅燒白度為73.47%，說明升溫速率過快，脫羥脫碳不夠徹底，當(dāng)升溫時(shí)間為3 h時(shí)，煅燒白度為86.58%，繼續(xù)增加恒溫時(shí)間，煅燒白度變化微小，故確定升溫時(shí)間為3 h。

2.2 生物除鐵試驗(yàn)

黑曲霉是曲霉真菌屬中一個(gè)常見的菌種，是重要的發(fā)酵工業(yè)菌種，黑曲霉的生長會(huì)分泌產(chǎn)生有機(jī)混合酸，其中包括草酸、檸檬酸、葡萄糖酸、五倍子酸等，這種酸具有裂解大分子有機(jī)物和難溶無機(jī)物的作用，本試驗(yàn)擬利用這種混合酸浸出煅燒后的煤系高嶺土中的鐵雜質(zhì)。

2.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用黑曲霉菌種由東北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院提供。原始菌種接種到PDA液體培養(yǎng)基后置于28 ℃，120 r/min恒溫震蕩箱中，培養(yǎng)5 d，培養(yǎng)完成后，過濾，濾出的即為混合酸并備用于后續(xù)試驗(yàn)。確定正交試驗(yàn)考察的因素為：反應(yīng)時(shí)間、初始pH值、礦漿濃度、保險(xiǎn)粉用量。考察范圍分別為：反應(yīng)時(shí)間4～6 d、初始pH值1.5～2.5、礦漿濃度5%～15%、保險(xiǎn)粉用量2%～4%?？疾熘笜?biāo)為Fe浸出率。

試驗(yàn)選取4個(gè)因素，每個(gè)因素取三水平，因素水平編碼見表4。

表4 試驗(yàn)因素水平編碼表Table 4 Experimental factor level coding table

2.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

采用L9(34)正交表形式，共9組試驗(yàn)，每組重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果分析表Table 5 Analysis table of orthogonal test results

對(duì)表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后得知：

(1)在A3B2C1D2的條件下，即反應(yīng)時(shí)間為6 d、初始pH值為2.0、礦漿濃度為5%、保險(xiǎn)粉用量為3%時(shí)可使Fe浸出率達(dá)到最佳，為53.5%，并且測(cè)得其的白度為89.25%，較浸出前的白度試驗(yàn)效果顯著。

(2)各因素對(duì)Fe浸出率影響大小順序不同，影響順序?yàn)椋撼跏紁H值>保險(xiǎn)粉用量>礦漿濃度>反應(yīng)時(shí)間。初始pH值對(duì)Fe的浸出效果影響最大，當(dāng)pH值<2時(shí)，會(huì)過量消耗保險(xiǎn)粉的用量，從一定程度上抑制了與Fe的反應(yīng)，而當(dāng)pH值>2時(shí)，會(huì)使還原反應(yīng)進(jìn)行的不夠完全，無法達(dá)到最佳值；保險(xiǎn)粉的用量也會(huì)從一定程度上影響Fe的浸出效果，當(dāng)用量低于3%時(shí)，不能使Fe3+完全還原，而當(dāng)用量高于3%時(shí)，一部分會(huì)與Fe3+還原，多余的部分會(huì)被氧化分解影響試驗(yàn)效果；礦漿濃度越高，無法全部與混合酸充分反應(yīng)，從而使Fe浸出率下降；反應(yīng)時(shí)間對(duì)Fe浸出率影響效果最小。

3 結(jié) 論

煅燒能夠有效去除有機(jī)碳質(zhì)，在煅燒溫度950 ℃、恒溫時(shí)間2.5 h、升溫時(shí)間3 h的條件下煤系高嶺土的煅燒白度可達(dá)86.66%；黑曲霉所產(chǎn)出的混合酸能夠有效去除鐵雜質(zhì)，通過正交試驗(yàn)確定最佳條件為，反應(yīng)時(shí)間為6 d、初始pH值為2.0、礦漿濃度為5%、保險(xiǎn)粉用量為3%時(shí)可使Fe浸出率達(dá)到最佳為53.5%，測(cè)得其的白度為89.25%，較煅燒后增加了3%，符合高級(jí)煅燒高嶺土的質(zhì)量要求。