全風化花崗巖綜合利用研究

李五中，戴若丁，陳 進，柴青平，霍苗苗，劉思彤，宋 雪

(1.惠州交投陽光綠色石場有限公司，廣東 惠州 516000；2.鞍鋼集團礦業(yè)設計研究院，遼寧 鞍山 114000)

花崗巖受強烈的物理、化學風化作用后，會在母巖上形成一層土體，這類物質(zhì)稱為全風化花崗巖。其主要礦物組成以高嶺石為主的粘土礦物、石英、長石、云母等。長石等抗風化能力差的礦物，在水和二氧化碳的作用下，其含有的K+、Na+逐漸流失，形成粘土礦物高嶺石[1-3]。

廣東地區(qū)的花崗巖受潮濕溫熱地域環(huán)境影響，風化程度很高，形成了厚度很大的全風化殘積土層。廣東某地區(qū)石場風化花崗巖(全風化+半風化)排土廢棄物存量巨大，約3 000萬m3，這些礦山固體廢棄物一方面占據(jù)大量空間堆積，易造成二次污染，另一方面存在二次綠化復墾。對于廣東地區(qū)的全風化花崗巖的研究大多還在對其物理、化學指標的調(diào)查研究。俞旺新等[4]通過摻加低配比的煤矸石粉來提高路填土的強度，改良了路填花崗巖殘積土物理力學性能。田朋飛等[5]對沿線花崗巖殘積土的風化成因、粒度特征、結(jié)構(gòu)特征、路用性能、填料處治與路基病害等問題進行了研究。戴航等[6]選取了不同類型的花崗巖殘積土，通過X-射線衍射試驗、土工試驗以及三軸剪切等相關力學試驗，對比研究了不同類型花崗巖殘積土的礦物組成、物理力學性質(zhì)、固結(jié)壓縮性和抗剪強度特性等。

本文針對廣州惠東地區(qū)的全風化花崗巖的礦物學特征，開展了高嶺土、石英提純試驗研究，獲得的高嶺土和石英滿足陶瓷用的質(zhì)量要求。

1 原礦性質(zhì)分析

1.1 原礦物相組成及化學性質(zhì)分析

對全風化花崗巖進行化學成分以及X-射線衍射物相分析(表1、圖1)，原礦含砂量大，鐵含量高。礦物組成主要為石英(44.0%)、高嶺石(31.9%)、長石(21.1%)以及其他礦物(3.0%)。高嶺石族礦物結(jié)晶程度較低，說明長石未完全風化。

圖1 原礦XRD圖譜

表1 全風化花崗巖巖化學成分 (單位：%)

1.2 原礦分級產(chǎn)物特征

對原礦的粒度組成及分級產(chǎn)物化學成分進行了分析(表2)。原礦中細粒級產(chǎn)物產(chǎn)率較高，隨著粒度變細，SiO2含量降低，Al2O3提升，說明高嶺石物質(zhì)主要賦存于-0.025mm以下的產(chǎn)物中。對-0.025mm及+2mm產(chǎn)物做X-射線衍射分析，+2mm產(chǎn)物中SiO2含量為91.41%，說明粗粒級產(chǎn)物中石英含量比較高(圖2)。-0.025mm產(chǎn)物主要物相為高嶺石族，具體為珍珠高嶺土和地開石，總含量為90%以上(圖3)。通過分級產(chǎn)物的特征分析可知，可以通過選礦的方式將高嶺土、石英分別提純出來。

圖3 -0.025mm產(chǎn)物XRD圖譜

表2 原礦粒度組成及化學成分分析

圖2 +2mm產(chǎn)物XRD圖譜

2 全風化花崗巖綜合利用試驗

2.1 高嶺土提純試驗

2.1.1 高嶺土選礦試驗

原礦含砂量大，需要先通過搗漿除砂除去大部分粗砂。礦漿濃度40%，搗漿時間40min。通過搗漿除砂處理后(表3)，SiO2含量由62.96%下降到53.65%，要想繼續(xù)降低SiO2含量，提升Al2O3含量，需要進一步分級。

表3 搗漿除砂試驗結(jié)果 (單位：%)

為了進一步提純高嶺土，對搗漿除砂后的溢流產(chǎn)品進行水力旋流器分級試驗。對該礦樣分別使用FX150、FX25和FX15旋流器試驗平臺進行三段分級試驗。溢流產(chǎn)率及粒度分析如表4、表5所示，礦樣經(jīng)FX150水力旋流器一級分級后，溢流實際產(chǎn)率為25.45%，-38μm粒級達到95.45%。一級溢流產(chǎn)品給入FX25旋流器，進行二級分級，溢流實際產(chǎn)率為20.92%，-20μm粒級達到93.03%。二級溢流產(chǎn)品給入FX15旋流器，進行三級分級，溢流實際產(chǎn)率為5.83%，-10μm粒級達到87.88%。表明經(jīng)FX25、FX15旋流器分級后，脈石礦物進入底流。

表4 水力分級試驗濃度及產(chǎn)率 (單位：%)

表5 溢流粒度分級結(jié)果

根據(jù)表6化學成分分析顯示，一級分級后，Al2O3含量達到32.69%，二級分級后Al2O3含量提升至33.02%，三級分級后Al2O3含量繼續(xù)提升至34.19%。表明經(jīng)過旋流器分級后細粒級富集，高嶺土在細粒級中也相對富集，K2O含量略有下降。溢流中Fe2O3含量有相應的提高，表明鐵含量也隨著高嶺石的富集而富集。其原因是經(jīng)過FX25，F(xiàn)X15旋流器分級后有部分長石進入底流。雖然三級分級后Al2O3含量有所提升，但是產(chǎn)率比較低，因此后續(xù)除鐵漂白試驗礦樣選用FX25溢流產(chǎn)品。

表6 分級產(chǎn)物化學成分分析 (單位：%)

2.1.2 高嶺土漂白試驗

高嶺土漂白除鐵的原理是使用還原劑將Fe3+還原成二價鐵鹽，經(jīng)洗滌，過濾除去[7-9]。高嶺土的漂白試驗選用草酸作為穩(wěn)定劑及pH值調(diào)整劑，固液比為1∶6，溫度40℃，還原劑為二氧化硫脲，考察還原劑用量對除鐵增白效果的影響(表7)。當固液比、溫度、草酸用量一定時，二氧化硫脲用量為4%時，除鐵效果最好，鐵含量由5.44%降低到1.02%，燒成白度由47.12提升到85.12。

表7 漂白試驗條件及結(jié)果

2.2 石英砂提純試驗

對風化巖搗漿后的沉砂產(chǎn)物進行了篩分以及化學成分分析(表8)，粗砂中主要成分為石英，伴有少量的長石及粘土物質(zhì)，可通過選礦方式將其除去[10]。

表8 沉砂粒度分級及化學成分分析 (單位：%)

首先對+2mm的沉砂產(chǎn)物進行粉碎，過100目篩子，使石英單體解離，對篩下產(chǎn)品進行擦洗處理，除去粘土等附著的礦物。擦洗條件為：轉(zhuǎn)速1 600 r/min，擦洗濃度55%，分散劑為六偏磷酸鈉，濃度為1%。再使用陶瓷球磨對擦洗后的石英進行磨礦，篩分得到0.045～0.154mm石英。分選后的石英砂中SiO2含量為99.01%、Fe2O3含量為0.12%。使用超聲—化學酸洗法進一步除鐵(表9)，在超聲輔助處理下，草酸除鐵效果最好，當草酸濃度為1mol/L時，F(xiàn)e2O3含量由0.12%降低到0.03%，除鐵率達到75%。石英經(jīng)提純后，粒度在0.045～0.154mm之間，滿足陶瓷用石英的要求。

表9 石英超聲—酸洗除鐵效果

3 結(jié)論

廣東省惠東某地區(qū)存在大量全風化花崗巖廢棄物，風化巖廢棄物礦物組成為：石英44.0%、長石21.1%、高嶺石31.9%、其他礦物3.0%。高嶺土主要賦存在-0.025mm細粒級礦物中，0.5mm以上粒級中主要為石英。

原礦經(jīng)過搗漿除砂—水力旋流器分級得到產(chǎn)率為20.92%，SiO2含量40.31%、Al2O3含量33.02%的高嶺土精礦，經(jīng)化學除鐵漂白后，高嶺土中鐵含量由5.44%降低到1.02%，燒成白度由47.12提升到85.12。符合陶瓷用高嶺土標準。

搗漿沉砂中的石英含量較高，沉砂經(jīng)粉碎—篩分—擦洗后石英SiO2含量達到99.01%，通過超聲—酸洗處理后鐵含量降至0.03%，粒度在0.045～0.154mm之間，是一種優(yōu)質(zhì)的陶瓷用石英。