膨潤土提純方法對比及鈉化改性研究

王 鴿，郭海盈，徐光亮

(湖北中非膨潤土有限公司，湖北 鄂州 436061)

隨著科技的進(jìn)步, 對膨潤土的要求也越來越高。我國天然產(chǎn)出的鈉基膨潤土很少，絕大多數(shù)為鈣基土，鈣基膨潤土資源豐富, 儲量大，但其性能較差、質(zhì)量不穩(wěn)定, 品位較低[1]。蒙脫石含量多為60%～80%，而且天然膨潤土中除蒙脫石外，含一些非蒙脫石組分，如石英、長石、方英石等雜質(zhì)，使其精加工產(chǎn)生困難，不宜直接用于生產(chǎn)精細(xì)化工、輕工日化產(chǎn)品[2]。所以，在膨潤土加工之前，尤其是用它來生產(chǎn)某些無機(jī)精細(xì)化學(xué)品(如白炭黑、4A分子篩等) 及系列有機(jī)膨潤土等時，必須進(jìn)行深加工提純除雜[3]。

目前，膨潤土的提純方法大致分為兩種，即干法和濕法[4]。干法主要是根據(jù)天然土中雜質(zhì)的硬度和密度都較大的特點(diǎn)，通過逐級分離沉降將雜質(zhì)分開，從而得到精制土。濕法提純主要利用膨潤土具有良好的親水性和蒙脫石晶胞細(xì)小能在水介質(zhì)中充分分散的原理，使雜質(zhì)與蒙脫石分離[5]。干法提純，根據(jù)工藝不同可以分為手選提純和風(fēng)選提純。濕法提純，根據(jù)工藝過程的不同又分為自然沉降法、絮凝法、高速離心法和二次分級法等。而在實(shí)際提純過程中，往往會在不同階段同時采用幾種方法，有人又將其統(tǒng)稱為淘汰法[6]。

膨潤土改性是通過離子交換改變蒙脫石層間可交換陽離子的種類，以達(dá)到改善蒙脫石或提高膨潤土物化性能的目的[7]。鈉基膨潤土具有許多特性，如膨脹、吸附和觸變性等，具有廣泛的用途[8-9]。鈉基膨潤土的物理性能優(yōu)于鈣基膨潤土，所以膨潤土的鈉化改性，已成為膨潤土改性的主要技術(shù)之一。

本文選取湖北鄂州某地鈣基膨潤土原礦進(jìn)行三種提純方法的對比與討論，探索不同提純方法對該膨潤土的提純效果。并對提純后膨潤土進(jìn)行了鈉化改性，研究不同提純土最佳鈉化改性工藝。

1 性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)

1.1 原礦性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)選用膨潤土原料取自鄂州某地，原礦的X-射線衍射(XRD)圖譜見圖1。原礦的理化性能指標(biāo)見表1和表2。

圖1 鈣基膨潤土XRD粉末衍射圖譜

表1 原礦的主要化學(xué)成分/%

表2 原礦主要物理性能

從圖1原礦的X-射線衍射分析結(jié)果可以看出，原礦的主要成分為蒙脫石，雜質(zhì)礦物也比較簡單，主要為石英、云母、長石等。另外，原礦的特征峰d(001)值為1.5132 nm，而且峰形尖銳，峰腳較窄，是典型的鈣基膨潤土特征。結(jié)合原礦的主要化學(xué)成分以及理化性能指標(biāo)，可以得出，該原礦為鈣基膨潤土，且原礦各項(xiàng)性能指標(biāo)偏低，要開發(fā)高性能指標(biāo)產(chǎn)品，必須對該礦進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶峒兏男蕴幚聿判小?/p>

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

試驗(yàn)試劑：碳酸鈉(工業(yè)級)，六偏磷酸鈉。提純設(shè)備：錘式破碎機(jī)，干燥粉碎分級機(jī)，電磁攪拌機(jī)。

改性設(shè)備：小型混砂輪碾機(jī)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 膨潤土提純方法

本實(shí)驗(yàn)采用的提純方法包括手選、風(fēng)選干法提純和濕法提純?nèi)N，具體提純過程如下：

手選：首先將礦石中的大塊廢石挑選出來，原礦置于曬場晾曬至水份20%左右，再利用錘式破碎機(jī)將其破碎至粒徑(Ф)為2cm左右的碎塊。取上述破碎后混合樣100g，置于實(shí)驗(yàn)室105℃的恒溫烘箱內(nèi)烘2h后，采取實(shí)驗(yàn)室人工手選除石，再磨粉至200目即得提純土。

風(fēng)選干法提純：將采掘的原礦曬場晾曬至20%左右水份，經(jīng)錘式破碎機(jī)將原礦粉碎至10mm以下，除去10mm以上原礦，將粉碎好的礦石送入加料斗，再經(jīng)打散粉碎分級機(jī)進(jìn)行粉碎、分級、除雜；除雜后的膨潤土經(jīng)旋風(fēng)收塵器收集、打包得產(chǎn)品。

濕法提純：預(yù)先將膨潤土與水混合靜置12h，選擇25.0%搗漿濃度，其中添加0.5%六偏磷酸鈉作為分散劑，搗漿30min后，用200目篩傾出上層懸浮液，沉降過濾得提純膨潤土。

1.3.2 鈉化改性方法

本次實(shí)驗(yàn)采用的鈉化方法為半干法，利用輪碾壓設(shè)備對三種不同方式的提純土試樣進(jìn)行鈉化改性，并對影響鈉化效果的因素進(jìn)行了系統(tǒng)的對比和討論，以尋找三種提純土最佳鈉化改性工藝。具體鈉化改性方法為：取提純后、烘干粉碎后的試樣若干，采用干法加堿3.0%～5.0%，加水至試樣含水24%～28%，用小型輪碾機(jī)進(jìn)行碾壓，碾壓15～35min，陳化2～6d，經(jīng)烘干、磨粉等工序后制得產(chǎn)品。

1.3.3 性能測試

膨潤土應(yīng)用廣泛，各個行業(yè)均有不同的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，膠質(zhì)價、膨脹容、吸藍(lán)量都是表征膨潤土水化特性的重要參數(shù)。膨潤土的很多特性，如分散性、膨脹性、觸變性、可塑性等，都是在水介質(zhì)條件下特有的。

膨脹容、膠質(zhì)價是膨潤土的兩個重要物化工藝性能參數(shù)，兩指標(biāo)顯示了膨潤土分散與水化的程度，是分散性、親水性和膨脹性的綜合表現(xiàn)。兩指標(biāo)與膨潤土的屬性和蒙脫石含量密切相關(guān)，是鑒定膨潤土屬型和評價膨潤土質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)。吸藍(lán)量也可作為評價膨潤土中蒙脫石相對含量的主要技術(shù)指標(biāo)。

本實(shí)驗(yàn)主要以吸藍(lán)量作為膨潤土提純效果的判據(jù)，吸藍(lán)量越高，即提純效果越好。以膨脹容和膠質(zhì)價作為鈉化效果判斷的依據(jù)。

提純改性膨潤土的性能測試依照[10-11]：GB/T20973-2007與《膨潤土物化性能測試暫行統(tǒng)一方法》。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤土的提純

按照以上三種提純方法對膨潤土進(jìn)行了提純研究，對提純后膨潤土的物理性能指標(biāo)進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。

表3 提純后膨潤土物化性能測試

以上測試數(shù)據(jù)顯示，通過三種不同方法提純后的膨潤土，吸藍(lán)量都有明顯的提高。其中，實(shí)驗(yàn)室手選提純效果略好，由提純前的36.20 g/100g提高到44.64 g/100g，對應(yīng)的蒙脫石含量最高。風(fēng)選提純和濕法提純蒙脫石含量相同，各項(xiàng)指標(biāo)也都有不同程度的提高。濕法提純中，膠質(zhì)價指標(biāo)表現(xiàn)尤為明顯，由原礦的47 mL/15g提高到提純后的95 mL/15g左右。但總的看來，三種提純效果差異不大，對該原礦都有一定的提純效果。

鑒于以上分析結(jié)果，雖然三種提純方法都顯示了一定的提純效果，但也有不足之處。提純后的膨潤土中，仍含有一些比較細(xì)的顆粒和不易溶解的雜質(zhì)，致使提純后原礦指標(biāo)偏低，需進(jìn)一步的鈉化處理。

2.2 膨潤土的鈉化

取上述三種方法提純后的膨潤土，烘干過200目篩后，加入一定量的鈉化劑Na2CO3攪拌均勻，加入合適的水份進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室碾壓鈉化，再將鈉化試樣陳化若干天后，進(jìn)行指標(biāo)測試、分析。

2.2.1 鈉化劑用量的影響

改性時，加入Na2CO3的量需大于Ca2+、Mg2+等陽離子質(zhì)量濃度，才能使膨潤土鈉化完全。本次實(shí)驗(yàn)中，我們固定納化水分為26%，碾壓30min，陳化兩天，分別對鈉化劑添加量進(jìn)行考察。從表4可以看出，實(shí)驗(yàn)室手選提純與濕法提純樣Na2CO3的加入量為4.0%時，表現(xiàn)出較好的效果；而風(fēng)選干法提純加入量為4.5%時才合適。結(jié)果如表4。

2.2.2 納化水分的影響

根據(jù)表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們將手選提純樣與濕法提純樣鈉化劑添加量固定為4.0%，干法提純樣鈉化劑添加量為4.5%，碾壓30min，陳化2d，考察納化水分對鈉化效果的影響，結(jié)果見表5。從表5中可以看出，三種提純土鈉化改性合適水份都為27.0%。膨脹容、膠質(zhì)價都有較大的提高。

表4 Na2CO3加入量對鈉化效果的影響

表5 納化水分對鈉化效果的影響

2.2.3 碾壓時間的影響

碾壓過程中膨潤土溫度略有升高，有利于加速鈉離子對鈣離子的交換過程。在鈉化過程中，碾壓時間起很大作用。時間短，壓力不夠，鈉化不充分；次數(shù)多，會起反作用，也不經(jīng)濟(jì)。固定鈉化劑分別為4.0%和4.5%，納化水分為27%，陳化兩天，隨著碾壓時間的增延長，鈉化改性土的膨脹容和膠質(zhì)價都有所提高。當(dāng)碾壓時間多于30min時，對膠質(zhì)價影響不大，但膨脹容反而有所下降。因此，我們選擇三種提純土的鈉化碾壓時間為30min。

表6 碾壓時間對鈉化效果的影響

2.2.4 陳化時間的影響

鈉化劑添加量分別為4.0%和4.5%，納化水分為27%，碾壓30min，考察陳化時間對鈉化效果的影響。由表7可以看出，膨脹容與陳化時間并不是呈線性關(guān)系的，不是陳化時間越長越好。實(shí)驗(yàn)室手選提純陳化時間較短，兩天就基本趨于穩(wěn)定，增加幅度不明顯。干法提純和濕法提純的陳化時間為三天，當(dāng)陳化時間達(dá)到3d，膨脹容隨陳化時間的增長而增加的幅度變小。從工廠的生產(chǎn)實(shí)際考慮，我們選擇鈉化改性陳化時間以3d為宜。

表7 陳化時間對鈉化效果的影響

2.3 提純鈉化土性能檢測

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，三種提純土在碾壓鈉化改性研究中，表現(xiàn)出不太一致的鈉化效果。實(shí)驗(yàn)室手選提純鈉化稍顯優(yōu)勢，與提純階段中分析相對應(yīng)，但三者差別不大。實(shí)驗(yàn)室根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對三種提純土分別進(jìn)行了最佳工藝鈉化改性處理，所得鈉化土主要物化性能檢測結(jié)果見表8。

表8 鈉化土主要物化性能檢測結(jié)果

以上各產(chǎn)品性能指標(biāo)，均超過了國標(biāo)中球團(tuán)和鑄造用膨潤土一級品質(zhì)量要求，說明三種提純改性方法對膨潤土都起到了良好的改性作用。但在最佳鈉化條件下，三種方法所得產(chǎn)品略有差別，在實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)不同指標(biāo)需求進(jìn)行選擇。

3 結(jié)論

1)三種提純方法對鄂州土均能取得很好的提純效果，且最終效果差異不大。手選提純處理量小且質(zhì)量不穩(wěn)定、工藝復(fù)雜，只適于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室小批量實(shí)驗(yàn)研究；濕法提純周期長、用水量大、成本高，工業(yè)生產(chǎn)化困難；而風(fēng)選提純處理量大且工藝成熟，因此考慮實(shí)際生產(chǎn)成本與工藝可操作性等因素，風(fēng)選是鄂州膨潤土最合適的提純方法。

2)采用混砂碾壓設(shè)備對提純膨潤土進(jìn)行鈉化改性，三種提純土都顯示出較好的效果，且確定了各提純土的最佳生產(chǎn)工藝。實(shí)驗(yàn)室手選提純最佳工藝為：鈉化劑4.0%，納化水分27.0%，碾壓30min，陳化兩天；風(fēng)選干法提純：鈉化劑4.5%，納化水分27.0%，碾壓30min，陳化三天；實(shí)驗(yàn)室濕法提純：鈉化劑4.0%，納化水分27.0%，碾壓30min，陳化三天。

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