王邦猛，丁定，楊成亮，李銀，廖敏，李俊榮，管俊芳

1．武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2．云南省永平郭嶺礦業(yè)有限責(zé)任公司，云南 永平 672600

引 言

高嶺土作為一種重要的非金屬礦產(chǎn)資源被廣泛應(yīng)用于陶瓷、建筑材料、造紙涂料、石油化工和新材料等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。砂質(zhì)高嶺土礦床屬風(fēng)化型或沉積型礦床，主要分布在南方亞熱帶多雨地區(qū)，以高嶺土族礦物為主要成分的礦石常常含石英、長(zhǎng)石和云母等非金屬礦物及鈦、鐵等金屬氧化物雜質(zhì)[4]，影響礦石的品質(zhì)，因此砂質(zhì)高嶺土礦石必須經(jīng)過選礦加工后才能更好地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[5]。正確客觀評(píng)價(jià)高嶺土礦的開發(fā)利用價(jià)值，必須對(duì)礦石進(jìn)行工藝礦物學(xué)的研究。論文針對(duì)云南省某地高嶺土礦，進(jìn)行了系統(tǒng)的工藝礦物學(xué)研究工作，探究了高嶺土礦分級(jí)后各粒級(jí)的產(chǎn)率、白度、礦物組成、化學(xué)成分，并表征了高嶺石的形貌，研究了鐵鈦賦存狀態(tài)等，其目的是為合理開發(fā)和利用該資源提供基礎(chǔ)資料。

1 礦石的來源、測(cè)試儀器和藥劑

高嶺土：礦樣采集自云南某地高嶺土礦。

試驗(yàn)所用測(cè)試儀器有：D/MAX-RB型X射線衍射儀(XRD)，日本理學(xué)公司；Zetium X型射線熒光光譜儀(XRF)，荷蘭帕納科公司(PANalytical B.V)；JSM-IT300型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本電子株式會(huì)社；YQ-Z-48A型白度儀，杭州輕通儀器開發(fā)公司；JXA-8230型電子探針顯微分析儀(EMPA)，日本電子株式會(huì)社。

試驗(yàn)所用藥劑有：六偏磷酸鈉(分析純)，天津縱橫興工貿(mào)有限公司。

2 高嶺土原礦特征

2.1 原礦化學(xué)成分

高嶺土礦的主要的化學(xué)成分見表1。

表1 高嶺土礦的化學(xué)成分 /%

對(duì)高嶺土而言，雜質(zhì)成分是K2O、TiO2和Fe2O3，需通過后期的加工去除。

2.2 原礦白度及礦物組成

高嶺土原礦白度為63.96%。原礦的XRD譜圖見圖1A，原礦礦物組成主要為高嶺石和石英，并有少量白云母。

根據(jù)XRF化學(xué)成分分析和XRD物相半定量分析，原礦礦物組成為：石英21%左右，高嶺石70%左右，白云母7%，其他2%(赤褐鐵礦，鈦鐵礦，金紅石等)。

3 高嶺土的工藝礦物學(xué)特征

3.1 高嶺土礦的粒級(jí)分布及白度

將高嶺土礦在質(zhì)量濃度60%、六偏磷酸鈉用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)0.2%的礦漿中搗漿20 min后淘洗分級(jí)，各粒級(jí)的產(chǎn)率和白度見表2。

表2 分級(jí)高嶺土的產(chǎn)率、白度及礦物組成

由表2可知，該高嶺土-0.045 mm粒級(jí)的產(chǎn)率為55.72%，其中-0.020+0.010 mm粒級(jí)的產(chǎn)率最大，為20.69%，其次-0.045+0.030 mm粒級(jí)產(chǎn)率為11.16%，-0.030+0.020 mm、-0.010+0.005 mm及-0.002 mm粒級(jí)產(chǎn)率均小于10%，-0.005+0.002 mm粒級(jí)的產(chǎn)率最低，為2.27%，-0.002 mm粒級(jí)的產(chǎn)率為5.89%，-0.010 mm粒級(jí)的產(chǎn)率共有17.19%。

白度：-0.010+0.005 mm粒級(jí)最高72.74%，其次是-0.020+0.010 mm粒級(jí)白度71.29%，-0.030+0.020 mm粒級(jí)白度67.81%，-0.045+0.030 mm粒級(jí)白度63.01%，-0.002 mm粒級(jí)白度最低是50.60%，粒度越細(xì)，高嶺土白度越低，揭示鐵鈦等雜質(zhì)元素在細(xì)粒級(jí)富集。

3.2 不同粒級(jí)高嶺土的礦物組成

分級(jí)后各粒級(jí)高嶺土的XRD圖譜見圖1。由圖1的XRD物相分析，結(jié)合光學(xué)顯微鏡的觀察，表3的化學(xué)成分綜合分析，各粒級(jí)的礦物組成和含量見表2。

由表2可知，高嶺石在-0.045+0.030 mm粒級(jí)開始富集，含量在70%以上，-0.002 mm粒級(jí)含量達(dá)90%，在+0.045 mm粒級(jí)中，高嶺石的含量?jī)H為40%，這可能是因?yàn)樵摳邘X土礦風(fēng)化不徹底，高嶺石呈長(zhǎng)石礦物的假象存在，常規(guī)的搗漿工藝，高嶺土集合體沒有完全打散，這種現(xiàn)象在3.4節(jié)高嶺石形貌中得到證實(shí)；石英含量隨粒度的變細(xì)而越來越低，-0.005 mm粒級(jí)含量小于6%；白云母在-0.045 mm各粒級(jí)中均有分布，在-0.030+0.005 mm含量相對(duì)較高，為8%～10%。

(K:高嶺石;Q:石英;M:白云母;A:鈉長(zhǎng)石)

3.3 不同粒級(jí)高嶺土的化學(xué)成分

分級(jí)后各粒級(jí)高嶺土的化學(xué)成分見表3(產(chǎn)率低的粒級(jí)，表中進(jìn)行合并分析)。

由表3可知，隨著粒度的變細(xì)，SiO2含量逐漸減少，-0.045 mm粒級(jí)SiO2含量明顯減少，到-0.005 mm粒級(jí)僅47.04%；-0.045 mm粒級(jí)Al2O3含量明顯增加，到-0.005 mm粒級(jí)達(dá)34.61%；雜質(zhì)元素鐵在細(xì)粒級(jí)富集，其中-0.005 mm粒級(jí)含量最高達(dá)0.96%；雜質(zhì)元素鈦?zhàn)兓?guī)律是在細(xì)粒級(jí)含量降低，在-0.045+0.020 mm含量最大0.25%；K2O在-0.020+0.005 mm粒級(jí)含量較高，達(dá)1.14%～1.25%。

表3 分級(jí)高嶺土的化學(xué)組成 /%

3.4 高嶺石的形貌特征

不同粒級(jí)高嶺土的SEM照片見圖2。由圖2可知，-0.020+0.010 mm和-0.010+0.005 mm兩個(gè)粒級(jí)的高嶺土中片狀高嶺石為疊片狀或蠕蟲狀集合體。在堆積緊密的片狀高嶺石邊緣可見少量的管狀埃洛石。-0.005+0.002 mm粒級(jí)，高嶺土中仍然以疊片狀的高嶺石為主，管狀埃洛石含量有所提高。到-0.002 mm粒級(jí)，高嶺土中埃洛石的含量明顯增加，管長(zhǎng)在0.5～2 μm之間?？傊摳邘X土礦是高嶺石族的片狀高嶺石和管狀埃洛石兩種礦物組成，說明該高嶺土不能應(yīng)用在造紙領(lǐng)域。

圖2 各粒級(jí)高嶺土的SEM照片(10 000倍)

3.5 高嶺土礦燒成白度

對(duì)高嶺土礦-0.010 mm粒級(jí)產(chǎn)物進(jìn)行了煅燒試驗(yàn)。經(jīng)1 230 ℃煅燒后，產(chǎn)物白度為85.92%，相較于煅燒前，白度增加了21.78個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 -0.010 mm粒級(jí)背散射圖及Ti、Fe元素面掃描圖

3.6 鐵、鈦賦存狀態(tài)

因?yàn)殍F和鈦是高嶺土礦的主要有害雜質(zhì)，鐵鈦的賦存狀態(tài)研究是高嶺土礦工藝礦物學(xué)研究的主要內(nèi)容[6]。由表3可知，分級(jí)高嶺土中-0.045 mm以下粒級(jí)Fe2O3含量>0.5%，若能在前期加工中降低Fe的含量，燒成白度有望提高，因此論文對(duì)礦石中鐵鈦的賦存狀態(tài)進(jìn)行了分析。對(duì)-0.010 mm粒級(jí)中高嶺土進(jìn)行了EPMA分析，-0.010 mm粒級(jí)高嶺土的背散射圖和Ti、Fe元素的面掃描見圖3，能譜分析見圖4。

由圖3可知，在背散射圖中，呈現(xiàn)一個(gè)較大亮區(qū)，其余有13處以上微細(xì)的亮區(qū)，結(jié)合Ti和Fe的面掃描圖。對(duì)Ti元素，視域中可見8個(gè)明顯的亮區(qū)；對(duì)Fe元素，視域中可見2個(gè)亮區(qū)和5個(gè)以上較亮的區(qū)域；有一個(gè)區(qū)域Fe和Ti同時(shí)存在。結(jié)合圖4能譜分析結(jié)果，這些亮點(diǎn)的礦物是赤褐鐵礦、金紅石和鈦鐵礦。

由圖4中能譜1和5，可知該點(diǎn)的礦物是赤褐鐵礦，能譜圖2和4是鈦鐵礦，能譜圖2、3和4為金紅石，能譜圖6鐵可能是浸染鐵(薄膜鐵)。綜上所述，該高嶺土中鐵鈦雜質(zhì)主要以赤褐鐵礦、金紅石、鈦鐵礦等獨(dú)立礦物形式存在，這部分鈦鐵雜質(zhì)可通過前期的水力旋流器、磁選等物理選礦方法去除，少部分的鐵以浸染形式存在，極少部分存在于在高嶺石晶格中。

圖4 -0.010 mm 粒級(jí)各點(diǎn) EPMA 能譜分析結(jié)果

4 各粒級(jí)高嶺土的質(zhì)量

高嶺土原礦主要成分含量為：SiO256.64%、Al2O331.28%、Fe2O30.72%、TiO20.20%，自然白度63.96%，根據(jù)GB/T 14563—2020高嶺土國家標(biāo)準(zhǔn)[8]，可達(dá)到陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)。

-0.045+0.020 mm粒級(jí)達(dá)到陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)；-0.020+0.010 mm粒級(jí)達(dá)到橡塑工業(yè)用水洗高嶺土粉標(biāo)準(zhǔn)(XT)和陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)；-0.010+0.005 mm粒級(jí)滿足橡塑工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(XT)和陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)；-0.005+0.002 mm粒級(jí)達(dá)到橡塑工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(XT)和陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)；-0.002 mm粒級(jí)滿足陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)。

5 結(jié)論

(1)該高嶺土淘洗率較高，-0.045 mm粒級(jí)達(dá)55.72%，由片狀的高嶺石和管狀的埃洛石組成。通過簡(jiǎn)單的分級(jí)提純工藝，可滿足陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)；-0.020+0.002 mm還可滿足橡膠工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(XT)。

(2)該高嶺土礦中，F(xiàn)e、Ti雜質(zhì)主要賦存在獨(dú)立礦物赤褐鐵礦、金紅石和鈦鐵礦中，通過磁選可去除并提高燒成白度。

(3)該高嶺土優(yōu)點(diǎn)是淘洗率較高，自然白度和燒成白度較高。缺點(diǎn)是片狀的高嶺石多為集合體，在+0.045 mm中，由于風(fēng)化不徹底仍含有40%左右的高嶺石。細(xì)粒級(jí)中由于管狀埃洛石的存在，限制了其在造紙領(lǐng)域的應(yīng)用。