白云巖型滑石礦的化學(xué)提純及性能表征

姜曉謙，馬鴻文，李 歌

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

白云巖型滑石礦的化學(xué)提純及性能表征

姜曉謙，馬鴻文，李 歌

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

本試驗(yàn)以白云石型滑石礦為原料，采用鹽酸酸浸法除去其中的碳酸鹽礦物，繼而采用過篩、連二亞硫酸鈉漂白等方法提純滑石。漂白過程中，試驗(yàn)因素影響最大的是反應(yīng)時(shí)間，其次是攪拌條件、加水量、Na2S2O4加入量。其最佳漂白條件為：Na2S2O4加入量為1%、用水量為原礦的3倍、時(shí)間1h，不攪拌。運(yùn)用差熱—熱重分析(DTA-TGA)分析得知滑石在1 000℃時(shí)發(fā)生脫羥反應(yīng)；X-射線粉末衍射(XRD)分析表明：提純后白云石及方解石全部除去，只有少許石英殘留在滑石中；通過分析其掃描電鏡(SEM)分析得知，滑石形貌呈片狀， 尺寸在5～40μm之間。經(jīng)測(cè)定滑石白度在90%以上，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合橡膠和化妝品優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)。

滑石；提純；性能；白度

滑石(Mg3[Si4O10](OH)2)是一種具有層狀構(gòu)造的含水鎂質(zhì)硅酸鹽礦物，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、柔軟性，較高的電絕緣性、耐熱性、高熔點(diǎn)、耐強(qiáng)酸堿性以及對(duì)油類強(qiáng)烈的吸附性[1]等，因而在涂料、造紙、塑料、聚合物、橡膠、化肥、殺蟲劑、陶瓷、化妝品等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[2-5]。近年來隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)滑石粉的細(xì)度、純度和白度提出了越來越高的要求[6]。我國(guó)是世界上最大的滑石生產(chǎn)國(guó)、出口國(guó)和消費(fèi)國(guó)[7]，但高品質(zhì)滑石仍然供不應(yīng)求[8-12]。如何提高高品質(zhì)滑石的產(chǎn)量已成為近年來國(guó)內(nèi)關(guān)注的重要問題。本試驗(yàn)以河南盧氏縣滑石原礦為試驗(yàn)原料，采用鹽酸酸浸法除去其中的碳酸鹽礦物，繼而采用過篩、連二亞硫酸鈉漂白等方法提純滑石，以期制備符合塑料填料和化妝品優(yōu)等品的高品質(zhì)滑石粉體產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

試驗(yàn)用滑石原礦的化學(xué)成分見表1，激光粒度分析結(jié)果如圖1，其粒徑范圍為0.363～549.541μm，d(0.5)為19.988μm ，顆粒較細(xì)且均勻，可直接用于實(shí)驗(yàn)。X-射線衍射分析結(jié)果如圖2所示，其主要物相為滑石和白云石，另外含有少量石英和方解石。依據(jù)物質(zhì)平衡原理，由滑石礦樣的化學(xué)成分分析結(jié)果和主要物相，采用“相混合方程法”計(jì)算得滑石礦樣中各礦物的含量(%)分別為：滑石39.06、白云石52.90、石英4.12、方解石0.97、磁鐵礦0.43、其他礦物2.52。

表1 滑石原礦的化學(xué)成分分析結(jié)果(%)

圖1 滑石原礦的粒度分布

圖2 滑石原礦的X-射線衍射圖譜

試驗(yàn)用鹽酸、連二亞硫酸鈉(Na2S2O4)均為化學(xué)純級(jí)試劑，由北京化工廠生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)原理

使用鹽酸處理滑石原礦可以除去其中的碳酸鹽礦物，從而達(dá)到提純滑石的效果。其化學(xué)反應(yīng)式為：

滑石礦中Fe3+易粘附在滑石表面從而使其白度降低，可以采用Na2S2O4除去滑石中Fe3+，其漂白機(jī)理為：Na2S2O4與Fe3+發(fā)生氧化還原反應(yīng)，將Fe3+還原成Fe2+，從而過濾除去，化學(xué)反應(yīng)式為：

1.3 試驗(yàn)過程

取20%的鹽酸111g，將50g滑石緩慢倒入溶液中并不斷攪拌，直到液體表面不再有氣泡產(chǎn)生。過濾三次后取濾餅烘干得滑石提純樣。將其過200目篩除去大顆粒石英及雜質(zhì)。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，在滑石提純樣中加入Na2S2O4進(jìn)行化學(xué)漂白，最后將得到的滑石粉體進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試。

粒度分析：采用型號(hào)為Mastersizer 2000 的粒度分析儀。

差熱分析：采用Q100差示掃描量熱儀對(duì)滑石原礦的熱穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)定，升溫速率10℃/min。

X-射線衍射分析：用X-射線粉末衍射分析儀(型號(hào)為Philips X，Pert，Cu靶，工作電壓40kV，工作電流40mA)對(duì)各物料進(jìn)行分析。

掃描電鏡分析：采用KYKY-2800型掃描電子顯微鏡，在低真空(100Pa)條件下對(duì)滑石原礦和提純礦進(jìn)行觀察和微區(qū)成分分析。

白度分析：采用WSD-Ш型全自動(dòng)白度儀測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 滑石的漂白

在滑石漂白試驗(yàn)中，考慮Na2S2O4加入量、加水量、反應(yīng)時(shí)間及攪拌四個(gè)影響因素，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)并測(cè)得的漂白結(jié)果如表2所示，由極差大小可以看出，影響因素：時(shí)間＞攪拌＞加水量＞Na2S2O4加入量。根據(jù)均值可以判斷，最佳漂白條件為：在50g酸浸后滑石礦中，Na2S2O4加入量0.5g、用水量為原礦的3倍、時(shí)間1h、不攪拌?；V測(cè)得白度為87.23%，經(jīng)Na2S2O4漂白后，滑石的白度得到明顯的提高，最佳條件可以將白度提高到90%以上，可達(dá)到優(yōu)等品滑石的標(biāo)準(zhǔn)。

表2 滑石漂白正交試驗(yàn)所得白度結(jié)果

2.2 差熱分析

圖3為滑石提純樣的差熱與熱重圖，上部的曲線為熱重曲線，下部的曲線為差熱曲線。由差熱曲線可以看出，在約56℃有一個(gè)較小的吸熱谷，對(duì)應(yīng)的熱重曲線降低了0.84%，可知反應(yīng)不劇烈，可能由水分蒸發(fā)所致；在1 000℃時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)很大的吸熱谷，且熱重曲線在946℃與1 038℃之間約失重4.7%。由于滑石結(jié)構(gòu)破壞溫度約為970℃，由脫羥作用引起[13]，可以判斷，在約1 000℃滑石發(fā)生了脫羥反應(yīng)。

圖3 滑石提純樣的差熱與熱重分析

2.3 物相分析及顯微形貌

圖4是滑石原礦酸浸后樣品的X-射線衍射圖，通過對(duì)比滑石原礦的物相(圖2)可以看出，白云石、方解石已全部除去，只剩下滑石和少量石英。表3滑石提純樣的化學(xué)全分析中，氧化鈣的含量?jī)H為0.98%，由于碳酸鈣是白云石和方解石的主要組分，所以可以得出，碳酸鹽幾乎全部經(jīng)酸浸除去。

圖4 滑石提純樣的X-射線衍射圖

表3 滑石提純樣的化學(xué)成分分析結(jié)果(%)

圖5是滑石原礦(A)和滑石提純樣(B)的掃描電鏡圖，可以看到白云石晶體呈菱面體(圖5A，d)，大塊集合體呈粒狀(圖5A，D)。小塊晶體尺寸為10μm左右，大塊集合體約為30μm；滑石呈不規(guī)則片狀，大部分平行疊交，尺寸在5～40μm之間(圖5A，T)；滑石和白云石相互交插生長(zhǎng)。由滑石提純樣可以看出(圖5B)，圖中幾乎全部是片狀滑石晶體，未發(fā)現(xiàn)呈菱面體或粒狀的白云石，這與圖4的XRD分析和表3的化學(xué)全分析結(jié)果相一致。

2.4 提純后滑石礦的技術(shù)指標(biāo)

表4為滑石提純樣品與橡膠、化妝品優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)物化性能指標(biāo)，通過各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比可知滑石提純樣品已達(dá)到橡膠、化妝品優(yōu)等品的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

圖5 滑石原礦(A)和酸浸樣(B)的SEM照片

表4 滑石提純樣品與橡膠、化妝品標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

2.5 提純滑石的產(chǎn)率

稱取100g滑石原礦，經(jīng)過鹽酸酸浸、過篩及連二亞硫酸鈉化學(xué)漂白等方法處理后得到的優(yōu)質(zhì)滑石粉體質(zhì)量為36～37g，可得滑石的提純率高于90%，幾乎將原礦中的滑石全部提出。

3 結(jié)論

滑石形貌為不規(guī)則片狀，大部分平行疊交，尺寸大小不等，與白云石交插生長(zhǎng)。

采用鹽酸酸浸法基本除去了滑石原礦中的碳酸鹽礦物，只有少量石英顆粒殘留。采用過篩、連二亞硫酸鈉漂白等方法，除去了大部分的石英顆粒及Fe3+，提高了滑石的白度。提純后的滑石粉體達(dá)到橡膠、化妝品優(yōu)等品的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。

采用該方法提純滑石，滑石回收率高達(dá)90%。

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Chemical Purification and Characterization of the Dolomite-talc Ore

JIANG Xiao-qian, MA Hong-wen, LI Ge

(School of Materials Science and Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)

In this experiment, dolomite-talc ore was as the raw material, and hydrochloric acid was used to remove carbonate minerals in the dolomite-talc ore. Then sieving and Na2S2O4bleaching were adopted to purity the talc ore. In the process of bleaching,reacting time is the biggest factor to influence the experiment result and the following are stirring, the amounts of water, the quantities of Na2S2O4, respectively. The optimum bleaching conditions are: amounts of Na2S2O4with 1%, amounts of water with 3 times, react time with 1h, and no stirring. The DTA-TGA result shows that dehydrogenation of talc occurs at 1 000℃. The XRD and SEM results show that the talc mostly exists in the shape of flake with a small amount of quartz remained after purification. The brightness is above 90%. It accords with the first-class standards of rubbers and cosmetics.

talc; purification; performance; brightness

TD875.3；TD925.6

A

1007-9386(2011)06-0022-03

2010-08-10