韋能，徐勇強(qiáng)，楊勇，何亞群

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主要成分的黏土巖，主要雜質(zhì)有：黏土礦物，如伊利石、綠泥石、高嶺石等；非金屬礦物，如石英、長(zhǎng)石、沸石、硫酸鹽、碳酸鹽等；此外，還有極少量的金屬硫化物或氧化物礦物，如黃鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦、金紅石等。由于膨潤(rùn)土具有膨脹性、吸水性、分散性、陽(yáng)離子交換性及潤(rùn)滑性等性能，膨潤(rùn)土及各種改性產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于冶金球團(tuán)、鑄造型砂粘合劑、造紙等領(lǐng)域[1]。

總體上，膨潤(rùn)土的提純方法可分為濕法和干法兩類。其中濕法提純適用于蒙脫石含量小于80%的膨潤(rùn)土，而干法提純常用于分選蒙脫石含量大于80%的膨潤(rùn)土[2]。楊有學(xué)[3]通過在水介質(zhì)中對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行四級(jí)分選提純，證明在水介質(zhì)中對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行分選是可行的。羅太安等[4]研究了礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、制漿時(shí)間、分散劑用量等因素對(duì)膨潤(rùn)土提純效果的影響，結(jié)果表明，在礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%, 攪拌時(shí)間為 2 h, 六偏磷酸鈉為0.2%的條件下，提純效果得到很大改善。侯云丹等[5]采用濕法提純工藝，研究了液固比、離心轉(zhuǎn)速、離心時(shí)間及溫度對(duì)膨潤(rùn)土提純效果的影響，發(fā)現(xiàn)在液固比為12，離心機(jī)轉(zhuǎn)速為2500 r/min，離心時(shí)間為9 min，溫度為40℃時(shí)，膨潤(rùn)土的提純效果較好。王福衛(wèi)等[6]采用不同提純工藝對(duì)廣西賓陽(yáng)膨潤(rùn)土進(jìn)行提純，發(fā)現(xiàn)自然沉降法耗時(shí)長(zhǎng)，提純效果不佳；超聲波提純耗時(shí)最短，提純效果較好；水力旋流器法提純效果低于超聲波提純，但提純量較高。徐穎等[7]基于濕法提純工藝，對(duì)柯爾堿膨潤(rùn)土進(jìn)行提純，得出當(dāng)固液比為1 : 12，離心轉(zhuǎn)速為1200 r/min，離心時(shí)間為5 min時(shí)，提純效果顯著。王志強(qiáng)等[8]對(duì)天然鈉基膨潤(rùn)土進(jìn)行干法提純，提純后的膨潤(rùn)土各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到膨潤(rùn)土防水毯產(chǎn)品的要求。

本文以山東昌樂某礦膨潤(rùn)土為實(shí)驗(yàn)物料，借助SEM、XRD和XRF等現(xiàn)代分析儀器，對(duì)其進(jìn)行礦物學(xué)特性分析。基于濕法提純工藝，探索了在自然沉降法下，分散劑種類、分散劑用量、分散時(shí)間、沉降時(shí)間對(duì)提純效果的影響，并嘗試自然沉降與離心沉降相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法，探索了先自然沉降后離心沉降的“一精一粗”分離提純工藝。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本實(shí)驗(yàn)采用的膨潤(rùn)土取自山東昌樂某礦，其主要的物理性質(zhì)見表1。

表1 膨潤(rùn)土的主要物理性質(zhì)Table 1 Main physical properties of bentonite

表中膠質(zhì)價(jià)是指膨潤(rùn)土與水按比例混合，加適量氧化鎂后所形成凝膠體的體積，與膨潤(rùn)土的水化程度及膠體性能有關(guān)。膨脹容是指膨潤(rùn)土與鹽酸溶液混合后，膨脹所占據(jù)的體積。膨脹容體現(xiàn)膨潤(rùn)土的粘結(jié)性、保水性、流變特性等。

由表1可見，該膨潤(rùn)土水分為14.64%，膠質(zhì)價(jià)及膨脹容均滿足市場(chǎng)要求，但吸藍(lán)量較低，即其中有價(jià)成分蒙脫石的含量較低，因此需要對(duì)此膨潤(rùn)土進(jìn)行提純以滿足膨潤(rùn)土加工產(chǎn)品的應(yīng)用需求[9]。

1.2 分析儀器

采用美國(guó)FEI掃描電子顯微鏡Quanta 250測(cè)試膨潤(rùn)土的表面形貌，測(cè)試條件為：高真空背散射模式，加速電壓25 kV，工作距離為11-14 mm。采用德國(guó)布魯克X射線衍射儀D8 Advance XRD 測(cè)試膨潤(rùn)土的結(jié)構(gòu)參數(shù)，測(cè)試條件：電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描速度為0.1 sec/step，采樣間隔為：0.019450（step）。采用德國(guó)布魯克X射線熒光光譜儀S8 TIGER測(cè)試膨潤(rùn)土組分含量，主要技術(shù)參數(shù)：順序掃描式；功率4 kw，最大電壓60 kv，最大電流170 mA；元素檢測(cè)范圍為Be(4) ~ U(92)；檢出限為10-6~ 100%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

自然沉降：取一定量膨潤(rùn)土，加入去離子水配成一定濃度的礦漿，在磁力攪拌器下攪拌10 min，加入一定量的分散劑，分散、自然沉降一定時(shí)間，順序倒出輕重產(chǎn)物，分別烘干稱重，烘干后的樣品研磨至-0.074 mm測(cè)定吸藍(lán)量。

離心沉降：將輕產(chǎn)物倒入離心機(jī)中，在離心機(jī)中以一定離心轉(zhuǎn)速下離心一段時(shí)間，順序倒出輕重產(chǎn)物，分別烘干稱重，烘干后的樣品研磨至200網(wǎng)目以下測(cè)定吸藍(lán)量。

吸藍(lán)量的測(cè)定過程采用GB/T 20973-2007《膨潤(rùn)土》中的相關(guān)要求。

2 結(jié)果與分析

2.1 SEM分析

取已在(105±3)℃烘干3 h的膨潤(rùn)土試樣，將其研磨篩分為-0.125+0.074 mm、-0.074+0.045 mm和-0.045 mm三個(gè)粒級(jí)。隨后利用酚醛樹脂對(duì)樣品進(jìn)行固化拋光處理。圖1為三個(gè)粒級(jí)樣品的SEM背散射照片。

圖1 膨潤(rùn)土各粒級(jí)SEM背散射照片F(xiàn)ig.1 SEM backscattered photographs of each particle size of bentonite

由圖1可知，各粒級(jí)都有明顯的襯度區(qū)別，亮白色顆粒代表具有高原子序數(shù)的脈石礦物，暗黑色顆粒則為膨潤(rùn)土礦物。在-0.125+0.074 mm的粒度范圍內(nèi)，已經(jīng)存在較多單體解離的脈石顆粒，說明原礦研磨至0.125 mm時(shí)就能達(dá)到單體解離要求。圖1-(a)中脈石顆粒粒度為300 μm左右，(b)中脈石顆粒粒度約為100 μm，(c)中脈石顆粒粒度約50 μm，繼續(xù)研磨會(huì)導(dǎo)致膨潤(rùn)土中蒙脫石和脈石的同步破碎，且增加了分選過程中的能量消耗。另較粗脈石的嵌布形式為包裹狀，通過剝離作用能針對(duì)性的解離出目的礦石，較容易脫除；而呈星散狀浸染分布的脈石顆粒，其粒度較細(xì)，約為-2 μm，難以脫除，且在水介質(zhì)中細(xì)粒脈石易罩蓋在粗顆粒蒙脫石上，增加了膨潤(rùn)土提純的難度。

2.2 XRD分析

該膨潤(rùn)土的X射線衍射見圖2。

圖2 膨潤(rùn)土X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diあraction pattern of bentonite

由圖2可知，該膨潤(rùn)土的主要物質(zhì)為蒙脫石，其2θ值在3.2°附近；主要雜質(zhì)為低溫型石英（2θ為20.8°）、多硅鋰云母（2θ為8.9°）等，提純實(shí)驗(yàn)的主要目的是脫除這些雜質(zhì)礦物。該蒙脫石的d001值為，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)描述[10]，d001值在屬于鈉基膨潤(rùn)土。

2.3 XRF分析

為進(jìn)一步探索礦石的綜合性質(zhì)，對(duì)該膨潤(rùn)土進(jìn)行XRF含量分析，結(jié)果見表2。

表2 膨潤(rùn)土X射線熒光光譜分析結(jié)果/%Table 2 X-ray fluorescence analysis results of bentonite

蒙脫石的理論分子式為[Si8AL4O20(OH)4·n H2O]，理論化學(xué)組成為：SiO2含量為66.7%，Al2O3含量為28.3%，H2O含量為5.0%。由表2可知，膨潤(rùn)土化學(xué)成分以SiO2、Al2O3為主，其含量分別50.72%和19.45%；Fe2O3含量為10.17%，Na2O、CaO、K2O的含量較少；SiO2/ Al2O3質(zhì)量比值為2.60，雖與理論值（2.36）較為接近，但由于存在低溫石英等雜質(zhì)，導(dǎo)致純蒙脫石形態(tài)的SiO2含量偏低，需對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行提純處理，提高蒙脫石含量。

2.4 分選提純

2.4.1 分散劑種類實(shí)驗(yàn)

分別稱取三份50 g膨潤(rùn)土配成礦漿濃度為15%的溶液，在分散過程中分別加入0.2%分散劑（焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉），同時(shí)設(shè)置無分散劑的對(duì)照組，分散10 min，自然沉降3.5 h。根據(jù)上述方法分選出膨潤(rùn)土精礦和尾礦，其結(jié)果見表3。

表3 分散劑種類對(duì)提純效果的影響Table 3 Eあect of the type of dispersant on the purification

由表3可知，不添加分散劑時(shí)基本沒有提純效果；使用焦磷酸鈉作為分散劑的膨潤(rùn)土精礦有較高的蒙脫石含量，但其產(chǎn)率僅為56.26%。自然沉降對(duì)膨潤(rùn)土的提純效果不理想，可能原因有：分散時(shí)間不足，礦漿得不到充分分散；沉降時(shí)間過長(zhǎng)，使懸浮在溶液中的蒙脫石也沉入尾礦；僅受重力加速度作用的自然沉降法提純難以去除粒度較細(xì)的雜質(zhì)。

2.4.2 膨潤(rùn)土提純正交實(shí)驗(yàn)

為探究自然沉降法提純的較佳條件，選取影響蒙脫石含量的三個(gè)因素即分散劑用量、分散時(shí)間和沉降時(shí)間作為實(shí)驗(yàn)因素，每個(gè)因素選擇3個(gè)水平，用L9(34)正交表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平見表4。

表4 正交實(shí)驗(yàn)因素水平Table 4 Factors of orthogonal test

根據(jù)表5可知，沉降時(shí)間對(duì)精礦蒙脫石含量影響最大，三個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響強(qiáng)度的排序?yàn)椋撼两禃r(shí)間>分散劑用量>分散時(shí)間，較佳水平組合為分散劑用量0.6%，分散時(shí)間為2.5 h，沉降時(shí)間為4 h。由表6可知，三個(gè)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均無顯著性影響，沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因素水平間可自由組合，但相對(duì)來說A1B3C3的組合較好。

表6 方差分析Table 6 Analysis of variance

2.4.3 自然沉降與離心沉降聯(lián)合提純實(shí)驗(yàn)

自然沉降耗時(shí)長(zhǎng)，且難以脫除細(xì)粒雜質(zhì)，在特定時(shí)間內(nèi)難以獲得較高蒙脫石含量的膨潤(rùn)土精礦，因此考慮在提純工藝中加入離心沉降環(huán)節(jié)來加速提純效率。通過自然沉降粗選得到膨潤(rùn)土粗精產(chǎn)品，粗精產(chǎn)品再經(jīng)過離心提純精選得到膨潤(rùn)土精礦和尾礦，即“一精一粗”的提純工藝。選用正交實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)率最高實(shí)驗(yàn)條件作為聯(lián)合提純實(shí)驗(yàn)中自然沉降實(shí)驗(yàn)的條件，即：分散劑用量為0.4%、分散時(shí)間2.5 h、沉降時(shí)間2 h。

稱取4份20 g膨潤(rùn)土，分別加入180 g去離子水制成2份濃度為10%的礦漿，加入0.4%焦磷酸鈉分散2.5 h，自然沉降2.5 h，將自然沉降的輕產(chǎn)物放入離心機(jī)中，設(shè)定離心轉(zhuǎn)速（1組：1000 r/min；2組：1500 r/min），離心時(shí)間（1組：3 min；2組：5 min），根據(jù)上述方法分選出膨潤(rùn)土精礦和尾礦，其結(jié)果見表7。

表7 膨潤(rùn)土離心提純實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Centrifugal purification test results of bentonite

由表7可知，兩組實(shí)驗(yàn)中精礦蒙脫石品位均提升了10% ~ 11%，且隨著離心機(jī)轉(zhuǎn)速和離心時(shí)間的增加，提純效果有所增加。

3 提純結(jié)果分析

雖然膨潤(rùn)土原礦在破碎至-0.125 mm時(shí)，已經(jīng)解離出部分脈石顆粒，但仍有大量呈星散狀嵌布的細(xì)粒脈石顆粒保留在膨潤(rùn)土顆粒內(nèi)部，而分散劑的作用能夠有效地促進(jìn)膨潤(rùn)土顆粒的分散，促進(jìn)了膨潤(rùn)土顆粒和脈石顆粒的解離，繼而提純效果有所增加。另一方面XRD和XRF的分析結(jié)果顯示，脈石顆粒的主要成分是石英和云母，其密度與蒙脫石的密度較為接近，因此僅在重力作用的條件下，很難在有限的分選時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)膨潤(rùn)土的高效分離提純。本實(shí)驗(yàn)探索了離心力場(chǎng)對(duì)膨潤(rùn)土提純效果的影響。結(jié)果表明，離心分選能有效提高精礦產(chǎn)品中的蒙脫石含量，在保證產(chǎn)率相似的前提下，蒙脫石品位較自然沉降提高了10%左右。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)膨潤(rùn)土，提出“一精一粗”的提純工藝，見圖3所示，即通過先自然沉降后離心沉降的聯(lián)合工藝，最大程度上實(shí)現(xiàn)了膨潤(rùn)土中粗、細(xì)粒脈石顆粒的脫除。

圖3 “一粗一精”工藝流程Fig.3 “One roughing one cleaning” process

4 結(jié) 論

本文采用SEM、XRD及XRF分析膨潤(rùn)土的礦物學(xué)特性，探索分散劑種類、分散劑用量、分散時(shí)間、沉降時(shí)間對(duì)提純效果的影響，探究了先自然沉降后離心沉降提純工藝的提純效果，得到以下主要結(jié)論：

（1）添加分散劑可以增加膨潤(rùn)土的提純效果，且焦磷酸鈉作為分散劑時(shí)膨潤(rùn)土具有較高的蒙脫石含量；

（2）以焦磷酸鈉為分散劑，當(dāng)用量為0.6%，分散時(shí)間為2.5 h，沉降時(shí)間為4 h時(shí)，自然沉降效率較優(yōu)；

（3）采用自然沉降+離心沉降的聯(lián)合工藝對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行提純，在不降低蒙脫石產(chǎn)率的條件下，蒙脫石品位提高10% ~ 11%。