低品位膨潤土礦離心機提純工藝研究

王志明，呂憲俊，邱 俊

（山東科技大學化學與環(huán)境工程學院，山東 青島266590）

膨潤土資源具有各種優(yōu)良的特性，使其在國民經(jīng)濟各行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，尤其是高純膨潤土在食品、醫(yī)藥等行業(yè)顯示出優(yōu)良的性能。我國膨潤土資源儲量豐富，位居世界首位，其中80%以上為鈣基膨潤土，且品位介于30%～60%之間，屬于中低品位的膨潤土礦［1］。目前，國內膨潤土產(chǎn)品的4／5用于冶金球團、鑄造粘接劑和鉆井泥漿、油脂脫色劑等行業(yè)，在食品、醫(yī)藥等高附加值行業(yè)應用較少，高純蒙脫石產(chǎn)品還是以進口為主。英國Laporte公司、美國的Rheox公司、日本Ube公司、德國Sun.clemic等公司壟斷了我國高純蒙脫石生產(chǎn)的大部分市場。此外，法國益普生公司的“思密達”產(chǎn)品在我國廣泛銷售［2］。因此，如何有效利用國內豐富的低品位膨潤土礦資源開發(fā)高附加值的蒙脫石產(chǎn)品，拓展我國在高純膨潤土的領域的研究應用，具有廣闊的發(fā)展前景。

針對高純膨潤土的制備，使用離心機［3］具有廣泛的應用前景。但目前研究采用的原礦品位普遍較高，一般在65%～80%之間，針對30%～60%的膨潤土原礦研究較少，無法針對我國豐富的低品位膨潤土礦進行廣泛的應用。武占省等［4］采用原礦品位為68.5%的膨潤土礦進行離心提純，制漿的液固比為14∶1，制漿80min，采用3000r／min離心10min時，制得蒙脫石含量95%的產(chǎn)品。陳媛媛［5］等人則采用原礦品位75%的膨潤土礦，15%的礦漿濃度，在2000r／min的條件下，離心2min制得蒙脫石含量93.7%的高純膨潤土產(chǎn)品。此外，馬亮［6］等人用蒙脫石含量79%的膨潤土原礦在液固比1∶12、離心機轉速1000r／min、分散劑用量0.3%的條件下，離心提純制得純度94%的高純蒙脫石產(chǎn)品。以上研究普遍采用較高膨潤土原礦進行，針對低品位膨潤土礦制備高純蒙脫石的研究較少，文獻中也鮮有報道。張娜［7］曾采用原礦品位45%～49%的膨潤土原礦在2100r／min的轉速下，制得蒙脫石含量90.56%的膨潤土原礦。同時，Lin等［8］也曾使用蒙脫石30%～40%的膨潤土原礦，室溫靜置3d使礦物全部浸濕，然后經(jīng)攪拌、離心制得純度較高的膨潤土。此法雖能用低品位膨潤土礦制得高純蒙脫石，但是提純工藝復雜，制漿離心時間長，只能分批進行，不能連續(xù)生產(chǎn)。

為增加低品位鈣基膨潤土礦的附加值，提高臥式螺旋離心機提純高純蒙脫石產(chǎn)品的工業(yè)應用，本文采用萊陽某地蒙脫石含量為37.00%的鈣基膨潤土礦為原料，通過離心機操作參數(shù)及提純工藝的優(yōu)化，對臥式螺旋離心機提純工藝參數(shù)對蒙脫石指標的影響規(guī)律進行了總結，并考察了掃選段數(shù)對蒙脫石回收率的影響。實驗獲得了良好的結果，為低品位鈣基膨潤土礦的深加工利用提供了理論基礎。

1 實驗原料和方法

1.1 原料、儀器和試劑

1.1.1 實驗原料

實驗采用萊陽富饒膨潤土礦，外觀呈灰綠色，樣品顆粒粗大，含砂較多。樣品晾曬后，經(jīng)12mm篩網(wǎng)篩除粗粒，篩下產(chǎn)物破碎至－2mm，采用移堆法混勻，縮分為1kg／袋，作為實驗用原礦。原礦主要性能如表1所示。

表1 原礦主要性能指標測試結果

由原料分析可知，膨潤土礦原礦主要化學成分為SiO2和 Al2O3，其含量分別為64.98%和13.03%，燒失量為10.16%，另含有少量的CaO、MgO、K2O、Na2O、Fe2O3、MnO。

從圖1XRD圖譜中可以看出，主要成分為石英和長石，另含有少量的蒙脫石。蒙脫石的特征衍射峰晶面間距d001值為15.530?，為典型的鈣基膨潤土［9］。經(jīng)純礦物標定法［10］換算原礦中蒙脫石含量為37.00%，說明原礦樣品中雜質礦物的含量較高。原礦樣品水化性能較差，需進一步提純。

圖1 膨潤土原礦X射線衍射分析圖譜

1.1.2 儀器和試劑

儀器：D／Max 2500PC型X射線衍射分析儀（日本理學公司，測試條件：銅靶，最大電壓60kV，最大電流300A，角度范圍3°～70°，角度重現(xiàn)性0.0001）；BT－9300Z激光粒度分布儀；XZM－100振動磨樣機；SB2－1.8－3.6型電熱板；FT101A（S）P－4電熱鼓風干燥箱；Lw300臥式螺旋卸料沉降離心機（濟南化工機械總廠）。

試劑：亞甲基藍（IND［11］，上海阿拉丁試劑有限公司）；焦磷酸鈉（AR，上海埃彼化學試劑有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 臥式螺旋離心機提純實驗

所用設備為Lw300臥式螺旋卸料沉降離心機，每批用料3kg，每次磨至－200目含量84.39%，采用正交實驗設計考察了給料濃度、給料速度、轉鼓轉速對離心機提純效果的影響［12］。

1.2.2 原料及產(chǎn)品性能測試

實驗過程中的吸藍量、陽離子交換容量、膨脹容、膠質價的測定，參照中華人民共和國國標GB／T＿20973－2007［13］進行。其中蒙脫石含量采用純礦物標定法［10］測定。

為了表征試驗樣品中蒙脫石的純度，首先利用Lw300臥式螺旋卸料沉降離心機，在給料濃度3%、給料速度1.00m3／h、轉速3000r／min條件下，從實驗用原礦中提取少量蒙脫石純礦物。經(jīng)X射線衍射分析表明，所制備的純礦物基本為蒙脫石，僅發(fā)現(xiàn)微量石英（圖3）的弱衍射峰。因此，將該樣品作為本實驗的純礦物使用。

測定該純礦物的吸藍量為40.9g／100g。因此，將試驗樣品中的純度標定公式修改為

2 結果分析與討論

2.1 離心機提純工藝參數(shù)的優(yōu)化

為了獲得離心機最佳提純工藝參數(shù)，實驗采用L9（34）正交表考查了給礦濃度、給礦速度和離心機轉速對分選結果的影響考。正交實驗結果見表2，工藝參數(shù)對離心機溢流（精礦）品位、產(chǎn)率和回收率的影響計算結果見表3～5。

圖2 純礦物X射線衍射分析圖譜

表2 L9（34）正交實驗數(shù)據(jù)處理結果表

表3 正交實驗品位數(shù)據(jù)處理結果

表4 正交實驗產(chǎn)率數(shù)據(jù)處理結果

表5 正交實驗回收率數(shù)據(jù)處理結果

從實驗結果來看（表3、表4、表5），對分選指標影響最顯著的因素為離心轉速，其次為給礦速度和給礦濃度，但影響規(guī)律各不相同。隨著離心轉速的增加，離心機溢流品位逐漸提高，但溢流產(chǎn)率和蒙脫石回收率則逐漸下降；隨著給礦速度的增加，離心機溢流品位有所降低，但溢流產(chǎn)率和蒙脫石回收率則有所增大；隨著給礦濃度的增加，離心機溢流品位有所提高，但溢流產(chǎn)率和蒙脫石回收率則有所下降。因此，從保證溢流品位的角度，應采用較大離心轉速、較小的給礦速度和較大的給礦濃度。

為了保證離心機溢流的純度，根據(jù)實驗結果實驗確定離心機分選的最優(yōu)條件為：轉速2304r／min，給礦濃度5%，給礦速度1.50m3／h。在該條件下，離心機溢流（精礦）品位（蒙脫石含量）96.58%、產(chǎn)率2.44%、回收率6.37%。

對最佳條件下的離心機溢流（精礦）進行X射線衍射分析表明（圖2），該精礦主要為蒙脫石，檢測到少量石英、長石的衍射峰，但雜質礦物的衍射峰強度遠低于蒙脫石的第二特征峰。說明該產(chǎn)品中蒙脫石的含量能夠達到高純蒙脫石的要求。采用純礦物標定法（式1）測得該產(chǎn)品的蒙脫石含量為96.58%。

以上結果表明，采用臥式螺旋離心機，控制適宜的工藝條件，能夠從低品位膨潤土中分離高純蒙脫石。但從實驗結果也可以看出，采用一段離心機分選，鏡框的產(chǎn)率和回收率仍較低，應進一步探索提高精礦產(chǎn)率和回收率的途徑。

圖3 離心機最佳工藝參數(shù)下溢流產(chǎn)品XRD圖譜

2.2 離心機掃選段數(shù)對分選指標的影響

2.2.3 離心機掃選開路流程實驗

正交實驗中最優(yōu)方案制得的蒙脫石純度較高，但是回收率較低，僅為6.37%，為進一步提高蒙脫石產(chǎn)品回收率，針對一段臥式螺旋離心機尾礦進行了多段掃選工藝，實驗結果如表6所示。

表6 離心掃選實驗數(shù)據(jù)結果

掃選實驗可以看出，掃選能有效增加溢流產(chǎn)品回收率，且前兩段掃選溢流產(chǎn)品蒙脫石含量較高，基本符合高純蒙脫石要求，后續(xù)兩段較低，有待進一步研究。

實驗對粗選至三段掃選的溢流進行混合，制得綜合精礦1；對粗選至四段掃選溢流進行混合制得綜合精礦2。綜合精礦1和2的化驗結果見表7。

從表7可以看出，綜合精礦1的蒙脫石含量為93.88%，綜合精礦2的蒙脫石含量為92.52%。二者XRD圖譜如圖4所示。

表7 離心掃選實驗數(shù)據(jù)結果

圖4 綜合精礦1（a）和綜合精礦2（b）XRD圖譜

從圖4中可以看出，綜合精礦1中雜質第一特征峰明顯低于蒙脫石第二特征峰，達到高純土要求。而綜合精礦2中雜質的第一特征峰與蒙脫石第二特征峰很接近，不符合高純土要求。故最終試驗選定采用一段粗選、三段掃選的工藝進行高純蒙脫石的制備，最終制得蒙脫石含量93.88%、產(chǎn)率9.05%、回收率22.96%的精礦產(chǎn)品。

3 結論

實驗表明，萊陽膨潤土礦樣為鈣基膨潤土，且蒙脫石含量較低，直接利用價值不高。其中主要有用礦物為蒙脫石，主要雜質礦物為石英和長石。采用臥式螺旋離心機提純工藝，能有效制得高純蒙脫石，其中礦漿給料濃度對臥式螺旋離心機提純效果影響不大，主要影響因素是給料速度和臥式螺旋離心機轉鼓轉速。隨轉鼓轉速增加，給料速度降低，蒙脫石含量增加。轉速增大到一定程度后，溢流產(chǎn)品蒙脫石含量趨于穩(wěn)定。實驗最終在轉速2304r／min、給料濃度5%、給料速度1.50m3／h的條件下，進行一段粗選可獲得品位96.58%、產(chǎn)率2.44%、回收率6.37%的高純蒙脫石精礦。在此基礎上，采用三段掃選的工藝使精礦的產(chǎn)率和回收率進一步提高，獲得綜合品位93.88%、產(chǎn)率9.05%、回收率22.96%的高純蒙脫石產(chǎn)品。

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