宜昌某高嶺土剝片試驗(yàn)

白麗麗 張凌燕 管俊芳 劉 新 田 釗 曹 剛

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢430070;2.礦物資源加工與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430070)

高檔高嶺土產(chǎn)品，如涂布級(jí)和涂料級(jí)高嶺土對(duì)白度和細(xì)度都有很高的要求，高檔填料用高嶺土對(duì)粒度的要求更是達(dá)－2 μm占90%。目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行高嶺土剝片的主要手段有機(jī)械磨剝、化學(xué)浸泡和高速噴射法等，但產(chǎn)品質(zhì)量均不太理想，主要原因是剝片過(guò)程對(duì)晶體結(jié)構(gòu)造成一定損害，從而影響其理化性質(zhì)，因此，改進(jìn)高嶺土、尤其是硬質(zhì)煤系高嶺土的剝片工藝，對(duì)生產(chǎn)高品質(zhì)高嶺土具有重要意義［1-5］。從目前的研究成果看，攪拌磨濕法剝片工藝是生產(chǎn)高檔高嶺土產(chǎn)品的有效工藝，該工藝不僅可有效降低高嶺土的粒度、提高比表面積，而且可釋放出高嶺土片層間的著色雜質(zhì)，為后續(xù)煅燒提高高嶺土熟料的白度創(chuàng)造條件［6-7］。

本試驗(yàn)將著重研究分散劑種類與用量以及添加方式、礦漿濃度、攪拌磨轉(zhuǎn)速對(duì)剝片效果的影響。

1 試驗(yàn)原料、設(shè)備及藥劑

1.1 試驗(yàn)原料

試樣取自湖北宜昌某高嶺土礦，為深灰色粉末。試樣中主要成分為高嶺石，含量達(dá)95%左右，此外還含有極少量的石英、蒙脫石、長(zhǎng)石、勃姆石、綠泥石、黃鐵礦、銳鈦礦以及有機(jī)質(zhì)等。試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試樣主要化學(xué)成分分析結(jié)果Table 1 Chemical component analysis of the ore%

由表1可知，試樣中主要成分為SiO2和Al2O3，含量分別為44.26%、38.45%，燒失為14.66%，這與高嶺石理論SiO2和Al2O3含量為46.54%和39.50%、燒失為13.96%均非常接近，且雜質(zhì)TiO2、Fe2O3、CaO、MgO、K2O、SO3等含量均較低，可見(jiàn)該試樣中高嶺土含量較高。

掃描電鏡分析結(jié)果表明，試樣粒度較細(xì)，－2 μm粒級(jí)含量接近30%，但約有10%的高嶺土未剝離，呈疊片狀。因此，要獲得高品質(zhì)高嶺土就必須對(duì)原料進(jìn)行剝片，以降低其粒度，釋放出其中的著色雜質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及藥劑

試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)備Table 2 Testing equipment

試驗(yàn)藥劑聚丙烯酸鈉和六偏磷酸鈉均為分析純。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 分散劑種類及剝片時(shí)間對(duì)剝片效果的影響

試驗(yàn)用分散劑分別為聚丙烯酸鈉和六偏磷酸鈉。試驗(yàn)固定分散劑的添加方式為磨礦前加1%(分散劑與試樣的質(zhì)量比)，此后每隔60 min填加1%，剛玉質(zhì)中球(=1.2 mm)、小球(=0.8mm)體積比為0.8∶1.5，介質(zhì)填充率為70%，磨礦濃度為60%，攪拌磨轉(zhuǎn)速為800 r/min，剝片試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 分散劑種類和剝片時(shí)間對(duì)剝片產(chǎn)品－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率的影響Fig.1 Influence of types of dispersants and stripping time on the yield of stripping product in －2 μm size

由圖1可知，六偏磷酸鈉在用量較低時(shí)對(duì)剝片的積極影響更突出，聚丙烯酸鈉在用量較高時(shí)對(duì)剝片的積極影響更突出。呈現(xiàn)這種規(guī)律的原因與分散劑的分散機(jī)制有關(guān)［8-10］:料漿黏度隨六偏磷酸鈉用量增加先顯著下降后降速趨緩，但會(huì)隨著聚丙烯酸鈉用量增加而持續(xù)下降。綜合考慮六偏磷酸鈉價(jià)格較低的因素，后續(xù)試驗(yàn)選用六偏磷酸鈉作為分散劑。隨著剝片時(shí)間的延長(zhǎng)，產(chǎn)品中－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率逐漸提高，但提升速率隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，剝片時(shí)間為180 min時(shí)，能夠得到相對(duì)理想的剝片結(jié)果，因此固定剝片時(shí)間為180 min。

2.2 介質(zhì)充填率對(duì)剝片效果的影響

試驗(yàn)固定六偏磷酸鈉的添加方式為磨礦前加1%，此后每隔60 min填加1%，剛玉質(zhì)中球與小球體積比為0.8∶1.5，磨礦濃度為60%，攪拌磨轉(zhuǎn)速為800 r/min，剝片時(shí)間為180 min，剝片試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 介質(zhì)充填率對(duì)剝片產(chǎn)品－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率的影響Fig.2 Influence of corundum balls fill ratio on the yield of stripping product in －2 μm size

由圖2可知，隨著介質(zhì)充填率的提高，剝片產(chǎn)品中－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率先顯著上升后升幅明顯趨緩。綜合考慮，確定磨礦介質(zhì)充填率為70%。

2.3 攪拌磨轉(zhuǎn)速對(duì)剝片效果的影響

試驗(yàn)固定六偏磷酸鈉的添加方式為磨礦前加1%，此后每隔60 min填加1%，剛玉質(zhì)中球與小球體積比為0.8∶1.5，介質(zhì)充填率為70%，磨礦濃度為60%，剝片時(shí)間為180 min，剝片試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 攪拌磨轉(zhuǎn)速對(duì)剝片產(chǎn)品－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率的影響Fig.3 Influence of rotating speed on the yield of stripping product in －2 μm size

由圖3可知，隨著攪拌磨轉(zhuǎn)速的提高，剝片產(chǎn)品中－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率先顯著上升后升幅趨緩。綜合考慮，確定攪拌磨轉(zhuǎn)速為800 r/min。

2.4 磨礦濃度對(duì)剝片效果的影響

試驗(yàn)固定六偏磷酸鈉的添加方式為磨礦前加1%，此后每隔60 min填加1%，剛玉質(zhì)中球與小球體積比為0.8∶1.5，介質(zhì)充填率為70%，攪拌磨轉(zhuǎn)速為800 r/min，剝片時(shí)間為180 min，剝片試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 磨礦濃度對(duì)剝片產(chǎn)品－2μm粒級(jí)產(chǎn)率的影響Fig.4 Influence of grinding concentration on the yield of stripping product in －2 μm size

由圖4可知，隨著磨礦濃度的提高，剝片產(chǎn)品中－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率先顯著上升后大幅度下降。這是因?yàn)榱蠞{濃度低時(shí)，料漿中高嶺土顆粒密度低，與介質(zhì)間的有效磨剝碰撞幾率小，因此磨剝效率較低;料漿濃度過(guò)高時(shí)，料漿流動(dòng)性差，固體顆粒間形成了立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，造成料漿流動(dòng)停滯，從而導(dǎo)致剝片效率也不高［11］。因此，確定磨礦濃度為70%。

2.5 加藥方式對(duì)剝片效果的影響

試驗(yàn)固定剛玉質(zhì)中球與小球體積比為0.8∶1.5，介質(zhì)充填率為70%，磨礦濃度為70%，攪拌磨轉(zhuǎn)速為800 r/min，剝片時(shí)間為180 min，六偏磷酸鈉磨礦前一次性添加3%和磨礦前加1%，此后每隔60 min填加1%，剝片試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 加藥方式對(duì)剝片產(chǎn)品－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率的影響Fig.5 Influence of dosing method on the yield of stripping product in －2 μm size

由圖5可知，一次性添加3%的六偏磷酸鈉比分段添加可以取得更高的剝片產(chǎn)品細(xì)度。六偏磷酸鈉添加不足時(shí)會(huì)破壞料漿的雙電層結(jié)構(gòu)，形成大量的絮凝體，增加礦漿的黏度;一次性加入3%的六偏磷酸鈉，漿料中六偏磷酸鈉的濃度長(zhǎng)時(shí)間維持在較高水平，漿料黏度則長(zhǎng)時(shí)間維持在較低水平，有利于剝片［11］。因此，確定分散劑六偏磷酸鈉的添加方式為一次性添加。

2.6 六偏磷酸鈉用量對(duì)剝片效果的影響

試驗(yàn)固定六偏磷酸鈉的添加方式為磨礦前一次性添加，剛玉質(zhì)中球與小球體積比為0.8∶1.5，介質(zhì)充填率為70%，礦漿濃度70%，攪拌磨轉(zhuǎn)速為800 r/min，剝片時(shí)間為180 min，剝片試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 六偏磷酸鈉用量對(duì)剝片產(chǎn)品－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率的影響Fig.6 Influence of dosage of sodium hexametaphosphate on the yield of stripping product in －2 μm size

由圖6可知，隨著分散劑六偏磷酸鈉用量的增加，剝片產(chǎn)品中－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率先明顯上升后有所下降。這是由于過(guò)高的六偏磷酸鈉會(huì)吸附在－2 μm高嶺土顆粒表面，使顆粒間形成聚團(tuán)，導(dǎo)致料漿的流動(dòng)性下降，從而影響磨剝效率［11］。因此，確定六偏磷酸鈉用量為3%，對(duì)應(yīng)的剝片產(chǎn)品中－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率為96.62%。

3 剝片高嶺土的特征分析

3.1 剝片前后高嶺土形貌分析

圖7、圖8分別為試樣剝片前后的掃描電鏡照片。

圖7 試樣剝片前的掃描電鏡照片(放大10 000倍)Fig.7 The SEM photos of kaolin before stripping(×10 000)

圖8 試樣剝片后的掃描電鏡照片(放大10 000倍)Fig.8 The SEM photos of kaolin after stripping(×10 000)

由圖7、圖8可知，剝片前的高嶺土呈疊片狀，不僅表面不平整，薄片平面尺寸和厚度均較大;剝片后的高嶺土為單片狀，但晶體結(jié)構(gòu)并未受到明顯破壞，表面平整，薄片平面尺寸和厚度均較小，顆粒粒度普遍小于2 μm。

3.2 剝片前后高嶺土煅燒產(chǎn)品白度分析

取試樣和確定條件下的剝片產(chǎn)品各10 g，在室溫(25℃)下放入箱式電阻爐中進(jìn)行弱氧化氣氛煅燒，升溫速度為5℃/min，煅燒溫度為1 000℃，保溫時(shí)間為2 h，燒成后在空氣中自然冷卻，最后測(cè)定各煅燒產(chǎn)品的白度，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 試樣及剝片高嶺土煅燒產(chǎn)品的白度Table 3 The whiteness of samples and stripping product after calcining %

由表3可知，剝片前后煅燒產(chǎn)品的白度分別為76.84%和82.08%，表明剝片可以明顯提高高嶺土熟料的白度。這是因?yàn)楦邘X土內(nèi)層的著色有機(jī)雜質(zhì)直接煅燒不易脫除，剝片可將著色有機(jī)雜質(zhì)釋放出來(lái)，這些雜質(zhì)的脫炭和脫羥基更徹底，因而白度可以明顯提高。

4 結(jié)論

(1)宜昌某高嶺土樣品為深灰色粉末，雜質(zhì)含量較低，僅占5%左右;試樣粒度較細(xì)，－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率接近30%，但約有10%的高嶺土未剝離，呈疊片狀。要獲得粒度細(xì)、白度高的高品質(zhì)高嶺土熟料，必須對(duì)試樣進(jìn)行剝片，較低產(chǎn)品粒度，且將高嶺土內(nèi)層的著色有機(jī)雜質(zhì)釋放出來(lái)，為煅燒脫色創(chuàng)造條件。

(2)試驗(yàn)確定的剝片條件為:磨礦前一次性加入與試樣質(zhì)量比為3%的分散劑六偏磷酸鈉，剛玉質(zhì)中球(=1.2 mm)與小球(=0.8 mm)的體積比為0.8∶1.5，介質(zhì)充填率為70%，磨礦濃度為70%，剝片轉(zhuǎn)速為800 r/min，剝片時(shí)間為180 min，剝片產(chǎn)品－2 μm粒級(jí)產(chǎn)率為96.62%，剝片產(chǎn)品呈單片狀、表面平滑、顆粒均勻。

(3)剝片前后高嶺土熟料的白度分別為76.84%和82.08%，剝片后熟料的白度較剝片前提高了5.24個(gè)百分點(diǎn)，這是因?yàn)楦邘X土內(nèi)層的著色有機(jī)雜質(zhì)直接煅燒不易脫除，剝片可將著色有機(jī)雜質(zhì)釋放出來(lái)，使這些雜質(zhì)的脫炭和脫羥基更徹底，因而白度得以明顯提高。

(4)剝片后高嶺土的粒度和熟料的白度均達(dá)到高檔填料的質(zhì)量要求，屬優(yōu)質(zhì)高嶺土熟料。

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