廣東某地高嶺土磨剝試驗(yàn)研究

張 飛，李 青，石曉嵐，王 帥，王彬翔，申益蘭

(中國高嶺土有限公司，江蘇 蘇州 215151)

高嶺土是一種重要的非金屬礦物，用途十分廣泛，主要用于造紙、陶瓷、涂料、橡膠填料、石油催化劑等行業(yè)，我國高嶺土礦產(chǎn)資源排名世界前列。廣東地區(qū)高嶺土礦[1-2]資源儲量豐富，是國內(nèi)造紙用高嶺土的主要產(chǎn)地。我國作為主要紙品生產(chǎn)國，每年對造紙高嶺土需求量十分巨大，目前我國造紙用高端涂料級高嶺土依然主要依賴于質(zhì)優(yōu)價高的進(jìn)口產(chǎn)品。美國、巴西等進(jìn)口高嶺土具有白度高、-2μm含量高、粘濃度高等特征，其中-2μm高嶺土含量可以達(dá)到92%以上。廣東某地高嶺土經(jīng)過原礦除砂、旋流器精選、除鐵增白等工藝生產(chǎn)的造紙高嶺土產(chǎn)品，其白度、粘濃度等指標(biāo)已經(jīng)接近或者達(dá)到國外造紙用高嶺土指標(biāo)，但-2μm高嶺土含量與國外高嶺土產(chǎn)品有較大差距。本試驗(yàn)通過機(jī)械磨剝[3]研究來提升-2μm高嶺土含量，對提高廣東某地高嶺土的應(yīng)用性能具有重要意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)采用經(jīng)過除砂、精選后的廣東某地高嶺土，試驗(yàn)編號為M高嶺土，對M高嶺土進(jìn)行化學(xué)檢測，主要化學(xué)成分如表1。M高嶺土主要化學(xué)成分SiO2含量為45.36%，-2μm高嶺土含量為85.00%。

表1 廣東某地高嶺土主要化學(xué)成分 (單位：%)

為確定M高嶺土的主要礦物成分和其他雜質(zhì)礦物，對其進(jìn)行了XRD衍射檢測(圖1)。M高嶺土主要含有高嶺石、珍珠陶土、地開石等高嶺石族礦物，還含有微量石英等雜質(zhì)礦物。

圖1 廣東某地高嶺土X衍射圖片

為進(jìn)一步研究其晶型結(jié)構(gòu)，對M高嶺土進(jìn)行了透射電鏡分析(圖2)。M高嶺土晶體呈現(xiàn)不規(guī)則的片狀，大量地堆積在一起，形成不規(guī)則的聚集體，僅有少量單片狀態(tài)。

圖2 廣東某地高嶺土電鏡圖片

1.2 試驗(yàn)儀器與藥劑

試驗(yàn)儀器：CDS2L大流量砂磨機(jī)，BT-1500沉降粒度儀，NDJ-5粘度計(jì)，氧化鋯磨球。

試驗(yàn)藥劑：六偏磷酸鈉，氫氧化鈉。

2 試驗(yàn)過程

M高嶺土化漿后，采用CDS2L砂磨機(jī)進(jìn)行磨剝試驗(yàn)。CDS2L砂磨機(jī)作為臥式砂磨機(jī)，其礦效率優(yōu)于傳統(tǒng)立式砂磨機(jī)，本試驗(yàn)采用一段磨剝[4]。CDS2L砂磨機(jī)填充0.6～0.8mm氧化鋯磨球8.6kg，填充率約75%。試驗(yàn)主要對M高嶺土磨剝礦漿濃度、分散劑用量、礦漿流速進(jìn)行研究[5-6]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 礦漿濃度對磨剝的影響

將M高嶺土進(jìn)行化漿，加入氫氧化鈉調(diào)整礦漿pH值至7.5，加入干礦量4.5‰的六偏磷酸鈉[7]，礦漿流速為0.6L/min，砂磨機(jī)采用2 000r/min轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)礦漿濃度進(jìn)行磨剝試驗(yàn)，檢測磨剝后礦漿-2μm高嶺土含量(圖3)。

圖3 礦漿濃度對磨剝效果的影響

固定其他試驗(yàn)條件，隨著M高嶺土礦漿濃度增加，磨剝后礦漿的-2μm高嶺土含量上升，當(dāng)?shù)V漿濃度達(dá)到50%時，礦漿-2μm高嶺土含量達(dá)到峰值93.20%，繼續(xù)增加礦漿濃度礦漿-2μm高嶺土含量反而下降。說明M高嶺土礦漿的濃度對磨剝效果有直接影響，隨著礦漿濃度的增加，高嶺土礦漿與磨剝介質(zhì)碰撞概率增加，磨球與高嶺土剪切、擠壓增多，礦漿-2μm高嶺土含量上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定濃度后，隨著磨剝礦漿-2μm高嶺土含量提升，高嶺土比表面增大，礦漿粘度[8]增大，礦漿流動性變差，同時磨剝礦漿溫度上升，使六偏磷酸鈉分散作用下降，造成礦漿流動性變差，磨剝效果下降。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，確定M高嶺土磨剝試驗(yàn)濃度在50%為宜。

3.2 六偏磷酸鈉用量對磨剝影響

固定M高嶺土礦漿濃度為50%，調(diào)整礦漿pH值至7.5，砂磨機(jī)采用2 000r/min轉(zhuǎn)速，礦漿流速為0.6L/min的條件下，調(diào)節(jié)六偏磷酸鈉加入量，對礦漿進(jìn)行磨剝試驗(yàn)，檢測磨剝后礦漿-2μm高嶺土含量(圖4)。

圖4 六偏磷酸鈉用量對磨剝效果影響

固定其他試驗(yàn)條件，隨著六偏磷酸鈉加入量增加，M高嶺土礦漿磨剝后礦漿-2μm高嶺土含量上升，當(dāng)六偏磷酸鈉加入量為干礦量的4.0‰時，礦漿2μm高嶺土含量出現(xiàn)峰值為93.62%，繼續(xù)增加六偏磷酸鈉加入量，礦漿2μm高嶺土含量基本保持穩(wěn)定。這是由于六偏磷酸鈉陰離子具有很高的負(fù)電荷，在高嶺土漿料中，解離出來大量陰離子在高嶺石側(cè)面及底面的凹凸處通過與Al3+離子作用，生成穩(wěn)定螯合物而產(chǎn)生特性吸附，使高嶺石側(cè)面產(chǎn)生高的負(fù)性表面電位，其底面和側(cè)面之間雙電層作用的總位能呈現(xiàn)出很強(qiáng)的排斥作用，從而使高嶺土漿料處于穩(wěn)定分散狀態(tài)[9-10]。隨著六偏磷酸鈉加入量增加，礦漿磨剝流動性增大，當(dāng)六偏磷酸鈉加入量達(dá)到4.0‰時，礦漿磨剝時已經(jīng)達(dá)到全分散狀態(tài)，再增加六偏磷酸鈉的量，對礦漿磨剝時流動性影響很小。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，M高嶺土磨剝試驗(yàn)確定六偏磷酸鈉加入量為4.0‰。

3.3 礦漿流速對磨剝影響

固定M高嶺土礦漿濃度為50%，調(diào)整礦漿pH值至7.5，加入干礦量4.0‰的六偏磷酸鈉，砂磨機(jī)采用2 000r/min的條件下，調(diào)節(jié)礦漿流速，進(jìn)行磨剝試驗(yàn)，檢測磨剝后礦漿-2μm高嶺土含量(圖5)。

圖5 礦漿流速對磨剝效果影響

固定其他試驗(yàn)條件，隨著M高嶺土礦漿進(jìn)漿流速增加，磨剝后礦漿-2μm高嶺土含量由平穩(wěn)逐漸降低，當(dāng)?shù)V漿流速為0.6L/min時，礦漿-2μm高嶺土含量出現(xiàn)峰值為93.83%。高嶺土在磨剝時礦漿流速越慢，在機(jī)器停留時間越長，磨球與礦漿剪切、擠壓作用時間越長，磨剝效果越明顯。隨著礦漿流速加快，礦漿在機(jī)器停留時間變短，磨剝效果變差，礦漿-2μm高嶺土含量下降。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，M高嶺土磨剝試驗(yàn)礦漿流速確定在0.6L/min。

3.4 性能對比研究

將未磨剝M高嶺土與采用上述試驗(yàn)條件磨剝后M高嶺土及美國造紙高嶺土進(jìn)行白度、粒度、325目篩余、粘濃度對比(表2)。M高嶺土采用一道砂磨機(jī)磨剝后，-2μm高嶺土含量為93.83%，超過美國造紙高嶺土的93.26%。磨剝后M高嶺土對比沒有磨剝M高嶺土，其白度由88.96下降到88.23，粘濃度由70.20%下降到69.76%，這是由于磨剝過程加入分散藥劑，磨剝后產(chǎn)品直接進(jìn)行干燥，沒有將分散劑排除造成白度下降，同時分散劑對粘濃度測試有離子干擾，磨剝后M高嶺土-2μm高嶺土含量增加，造成M高嶺土比表面增大，也造成磨剝后高嶺土粘濃度指標(biāo)下降。但經(jīng)過磨剝后的M高嶺土，其白度、-2μm高嶺土含量、325目篩余、粘濃度指標(biāo)都已經(jīng)接近達(dá)到美國造紙高嶺土指標(biāo)[11]。

表2 不同高嶺土應(yīng)用性能對比

4 結(jié)論

(1)廣東某地高嶺土在采用CDS2砂磨機(jī)進(jìn)行磨剝時，其最佳磨礦條件為：礦漿濃度50%，六偏磷酸鈉加入量為4.0‰，礦漿流速為0.6L/min。

(2)采用臥式砂磨機(jī)進(jìn)行磨剝后，-2μm高嶺土含量由85.00%上升到93.83%，-2μm高嶺土含量與美國造紙高嶺土基本相同，白度、325目篩余、粘濃度等指標(biāo)也與美國高嶺土基本一致，經(jīng)過磨剝后的高嶺土產(chǎn)品在國內(nèi)造紙行業(yè)[12]應(yīng)用性能將有大幅度提升。

(3)該磨剝工藝減少了加工工序及配套設(shè)備，降低了高嶺土磨剝過程中分散藥劑的使用量，極大地簡化了高嶺土生產(chǎn)工藝流程。