云南省某高嶺土礦的工藝礦物學(xué)研究

王邦猛，丁定，楊成亮，李銀，廖敏，李俊榮，管俊芳

1．武漢理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073；2．云南省永平郭嶺礦業(yè)有限責(zé)任公司，云南 永平 672600

引 言

高嶺土作為一種重要的非金屬礦產(chǎn)資源被廣泛應(yīng)用于陶瓷、建筑材料、造紙涂料、石油化工和新材料等工業(yè)領(lǐng)域[1-3]。砂質(zhì)高嶺土礦床屬風(fēng)化型或沉積型礦床，主要分布在南方亞熱帶多雨地區(qū)，以高嶺土族礦物為主要成分的礦石常常含石英、長(zhǎng)石和云母等非金屬礦物及鈦、鐵等金屬氧化物雜質(zhì)[4]，影響礦石的品質(zhì)，因此砂質(zhì)高嶺土礦石必須經(jīng)過(guò)選礦加工后才能更好地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[5]。正確客觀評(píng)價(jià)高嶺土礦的開(kāi)發(fā)利用價(jià)值，必須對(duì)礦石進(jìn)行工藝礦物學(xué)的研究。論文針對(duì)云南省某地高嶺土礦，進(jìn)行了系統(tǒng)的工藝礦物學(xué)研究工作，探究了高嶺土礦分級(jí)后各粒級(jí)的產(chǎn)率、白度、礦物組成、化學(xué)成分，并表征了高嶺石的形貌，研究了鐵鈦賦存狀態(tài)等，其目的是為合理開(kāi)發(fā)和利用該資源提供基礎(chǔ)資料。

1 礦石的來(lái)源、測(cè)試儀器和藥劑

高嶺土：礦樣采集自云南某地高嶺土礦。

試驗(yàn)所用測(cè)試儀器有：D/MAX-RB型X射線衍射儀(XRD)，日本理學(xué)公司；Zetium X型射線熒光光譜儀(XRF)，荷蘭帕納科公司(PANalytical B.V)；JSM-IT300型掃描電子顯微鏡(SEM)，日本電子株式會(huì)社；YQ-Z-48A型白度儀，杭州輕通儀器開(kāi)發(fā)公司；JXA-8230型電子探針顯微分析儀(EMPA)，日本電子株式會(huì)社。

試驗(yàn)所用藥劑有：六偏磷酸鈉(分析純)，天津縱橫興工貿(mào)有限公司。

2 高嶺土原礦特征

2.1 原礦化學(xué)成分

高嶺土礦的主要的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 高嶺土礦的化學(xué)成分 /%

對(duì)高嶺土而言，雜質(zhì)成分是K2O、TiO2和Fe2O3，需通過(guò)后期的加工去除。

2.2 原礦白度及礦物組成

高嶺土原礦白度為63.96%。原礦的XRD譜圖見(jiàn)圖1A，原礦礦物組成主要為高嶺石和石英，并有少量白云母。

根據(jù)XRF化學(xué)成分分析和XRD物相半定量分析，原礦礦物組成為：石英21%左右，高嶺石70%左右，白云母7%，其他2%(赤褐鐵礦，鈦鐵礦，金紅石等)。

3 高嶺土的工藝礦物學(xué)特征

3.1 高嶺土礦的粒級(jí)分布及白度

將高嶺土礦在質(zhì)量濃度60%、六偏磷酸鈉用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)0.2%的礦漿中搗漿20 min后淘洗分級(jí)，各粒級(jí)的產(chǎn)率和白度見(jiàn)表2。

表2 分級(jí)高嶺土的產(chǎn)率、白度及礦物組成

由表2可知，該高嶺土-0.045 mm粒級(jí)的產(chǎn)率為55.72%，其中-0.020+0.010 mm粒級(jí)的產(chǎn)率最大，為20.69%，其次-0.045+0.030 mm粒級(jí)產(chǎn)率為11.16%，-0.030+0.020 mm、-0.010+0.005 mm及-0.002 mm粒級(jí)產(chǎn)率均小于10%，-0.005+0.002 mm粒級(jí)的產(chǎn)率最低，為2.27%，-0.002 mm粒級(jí)的產(chǎn)率為5.89%，-0.010 mm粒級(jí)的產(chǎn)率共有17.19%。

白度：-0.010+0.005 mm粒級(jí)最高72.74%，其次是-0.020+0.010 mm粒級(jí)白度71.29%，-0.030+0.020 mm粒級(jí)白度67.81%，-0.045+0.030 mm粒級(jí)白度63.01%，-0.002 mm粒級(jí)白度最低是50.60%，粒度越細(xì)，高嶺土白度越低，揭示鐵鈦等雜質(zhì)元素在細(xì)粒級(jí)富集。

3.2 不同粒級(jí)高嶺土的礦物組成

分級(jí)后各粒級(jí)高嶺土的XRD圖譜見(jiàn)圖1。由圖1的XRD物相分析，結(jié)合光學(xué)顯微鏡的觀察，表3的化學(xué)成分綜合分析，各粒級(jí)的礦物組成和含量見(jiàn)表2。

由表2可知，高嶺石在-0.045+0.030 mm粒級(jí)開(kāi)始富集，含量在70%以上，-0.002 mm粒級(jí)含量達(dá)90%，在+0.045 mm粒級(jí)中，高嶺石的含量?jī)H為40%，這可能是因?yàn)樵摳邘X土礦風(fēng)化不徹底，高嶺石呈長(zhǎng)石礦物的假象存在，常規(guī)的搗漿工藝，高嶺土集合體沒(méi)有完全打散，這種現(xiàn)象在3.4節(jié)高嶺石形貌中得到證實(shí)；石英含量隨粒度的變細(xì)而越來(lái)越低，-0.005 mm粒級(jí)含量小于6%；白云母在-0.045 mm各粒級(jí)中均有分布，在-0.030+0.005 mm含量相對(duì)較高，為8%～10%。

(K:高嶺石;Q:石英;M:白云母;A:鈉長(zhǎng)石)

3.3 不同粒級(jí)高嶺土的化學(xué)成分

分級(jí)后各粒級(jí)高嶺土的化學(xué)成分見(jiàn)表3(產(chǎn)率低的粒級(jí)，表中進(jìn)行合并分析)。

由表3可知，隨著粒度的變細(xì)，SiO2含量逐漸減少，-0.045 mm粒級(jí)SiO2含量明顯減少，到-0.005 mm粒級(jí)僅47.04%；-0.045 mm粒級(jí)Al2O3含量明顯增加，到-0.005 mm粒級(jí)達(dá)34.61%；雜質(zhì)元素鐵在細(xì)粒級(jí)富集，其中-0.005 mm粒級(jí)含量最高達(dá)0.96%；雜質(zhì)元素鈦?zhàn)兓?guī)律是在細(xì)粒級(jí)含量降低，在-0.045+0.020 mm含量最大0.25%；K2O在-0.020+0.005 mm粒級(jí)含量較高，達(dá)1.14%～1.25%。

表3 分級(jí)高嶺土的化學(xué)組成 /%

3.4 高嶺石的形貌特征

不同粒級(jí)高嶺土的SEM照片見(jiàn)圖2。由圖2可知，-0.020+0.010 mm和-0.010+0.005 mm兩個(gè)粒級(jí)的高嶺土中片狀高嶺石為疊片狀或蠕蟲狀集合體。在堆積緊密的片狀高嶺石邊緣可見(jiàn)少量的管狀埃洛石。-0.005+0.002 mm粒級(jí)，高嶺土中仍然以疊片狀的高嶺石為主，管狀埃洛石含量有所提高。到-0.002 mm粒級(jí)，高嶺土中埃洛石的含量明顯增加，管長(zhǎng)在0.5～2 μm之間。總之該高嶺土礦是高嶺石族的片狀高嶺石和管狀埃洛石兩種礦物組成，說(shuō)明該高嶺土不能應(yīng)用在造紙領(lǐng)域。

圖2 各粒級(jí)高嶺土的SEM照片(10 000倍)

3.5 高嶺土礦燒成白度

對(duì)高嶺土礦-0.010 mm粒級(jí)產(chǎn)物進(jìn)行了煅燒試驗(yàn)。經(jīng)1 230 ℃煅燒后，產(chǎn)物白度為85.92%，相較于煅燒前，白度增加了21.78個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 -0.010 mm粒級(jí)背散射圖及Ti、Fe元素面掃描圖

3.6 鐵、鈦賦存狀態(tài)

因?yàn)殍F和鈦是高嶺土礦的主要有害雜質(zhì)，鐵鈦的賦存狀態(tài)研究是高嶺土礦工藝礦物學(xué)研究的主要內(nèi)容[6]。由表3可知，分級(jí)高嶺土中-0.045 mm以下粒級(jí)Fe2O3含量>0.5%，若能在前期加工中降低Fe的含量，燒成白度有望提高，因此論文對(duì)礦石中鐵鈦的賦存狀態(tài)進(jìn)行了分析。對(duì)-0.010 mm粒級(jí)中高嶺土進(jìn)行了EPMA分析，-0.010 mm粒級(jí)高嶺土的背散射圖和Ti、Fe元素的面掃描見(jiàn)圖3，能譜分析見(jiàn)圖4。

由圖3可知，在背散射圖中，呈現(xiàn)一個(gè)較大亮區(qū)，其余有13處以上微細(xì)的亮區(qū)，結(jié)合Ti和Fe的面掃描圖。對(duì)Ti元素，視域中可見(jiàn)8個(gè)明顯的亮區(qū)；對(duì)Fe元素，視域中可見(jiàn)2個(gè)亮區(qū)和5個(gè)以上較亮的區(qū)域；有一個(gè)區(qū)域Fe和Ti同時(shí)存在。結(jié)合圖4能譜分析結(jié)果，這些亮點(diǎn)的礦物是赤褐鐵礦、金紅石和鈦鐵礦。

由圖4中能譜1和5，可知該點(diǎn)的礦物是赤褐鐵礦，能譜圖2和4是鈦鐵礦，能譜圖2、3和4為金紅石，能譜圖6鐵可能是浸染鐵(薄膜鐵)。綜上所述，該高嶺土中鐵鈦雜質(zhì)主要以赤褐鐵礦、金紅石、鈦鐵礦等獨(dú)立礦物形式存在，這部分鈦鐵雜質(zhì)可通過(guò)前期的水力旋流器、磁選等物理選礦方法去除，少部分的鐵以浸染形式存在，極少部分存在于在高嶺石晶格中。

圖4 -0.010 mm 粒級(jí)各點(diǎn) EPMA 能譜分析結(jié)果

4 各粒級(jí)高嶺土的質(zhì)量

高嶺土原礦主要成分含量為：SiO256.64%、Al2O331.28%、Fe2O30.72%、TiO20.20%，自然白度63.96%，根據(jù)GB/T 14563—2020高嶺土國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8]，可達(dá)到陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)。

-0.045+0.020 mm粒級(jí)達(dá)到陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)；-0.020+0.010 mm粒級(jí)達(dá)到橡塑工業(yè)用水洗高嶺土粉標(biāo)準(zhǔn)(XT)和陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)；-0.010+0.005 mm粒級(jí)滿足橡塑工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(XT)和陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)；-0.005+0.002 mm粒級(jí)達(dá)到橡塑工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(XT)和陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)；-0.002 mm粒級(jí)滿足陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)。

5 結(jié)論

(1)該高嶺土淘洗率較高，-0.045 mm粒級(jí)達(dá)55.72%，由片狀的高嶺石和管狀的埃洛石組成。通過(guò)簡(jiǎn)單的分級(jí)提純工藝，可滿足陶瓷工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(TC)；-0.020+0.002 mm還可滿足橡膠工業(yè)用水洗高嶺土標(biāo)準(zhǔn)(XT)。

(2)該高嶺土礦中，F(xiàn)e、Ti雜質(zhì)主要賦存在獨(dú)立礦物赤褐鐵礦、金紅石和鈦鐵礦中，通過(guò)磁選可去除并提高燒成白度。

(3)該高嶺土優(yōu)點(diǎn)是淘洗率較高，自然白度和燒成白度較高。缺點(diǎn)是片狀的高嶺石多為集合體，在+0.045 mm中，由于風(fēng)化不徹底仍含有40%左右的高嶺石。細(xì)粒級(jí)中由于管狀埃洛石的存在，限制了其在造紙領(lǐng)域的應(yīng)用。