膨潤土除鐵增白工藝初探

經懷德 袁孝友

1. 安徽大學化學化工學院 安徽合肥 230039

2.六安市第一中學,安徽六安237004

膨潤土除鐵增白工藝初探

經懷德1，2袁孝友1

1. 安徽大學化學化工學院 安徽合肥 230039

2.六安市第一中學,安徽六安237004

本文以安徽某地的膨潤土為研究對象,通過還原法除去原土中所含的鐵元素，并研究了漂白時礦漿的pH值、還原劑的用量、反應溫度、還原劑的添加次數和反應時間對膨潤土除鐵效果的影響。

膨潤土;除鐵;增白

膨潤土是以蒙脫石礦物為主要成分的一種黏土礦。在膨潤土礦物中往往伴生一些暗色礦物及蒙脫石顆粒表面吸附一些色素離子,影響原礦及產品的白度,限制了產品的應用范圍。據統計,我國90%以上的膨潤土產品均含有著色礦物鐵等,產品白度低,僅限鑄造、鉆井造漿、冶金球團及油脂脫色等行業應用,產品附加值低，而科技含量高的應用領域對產品白度有嚴格要求,產品白度已成為膨潤土加工業調整產品結構、拓展市場的主要障礙。因此開展相關的除雜增白研究,引起廣大學者的關注。

由于膨潤土的結構特點，煅燒只能除去其中的有機質，對提高白度意義不大。所以利用膨潤土本身的分散性及吸附的色素離子的物化特性,用特定的化學試劑與其反應,通過漂洗、過濾、除去色素離子是一條可行的途徑。本文以安徽某地含三價鐵及其氧化物的淡黃色膨潤土為實驗對象,并就利用Na2SO3除鐵的工藝條件進行探究。

1 實驗部分

1.1 試劑及儀器

1.1.1 試劑：膨潤土樣品、Na2SO3、Na2CO3、H2C2O4、Na2C2O4。

1.1.2 儀器：玻璃棒、膠頭滴管、燒杯、漏斗若干，電子分析天平、電動攪拌機、電熱恒溫水浴鍋、精密pH計、干燥箱、白度儀等。

1.2 實驗原理及工藝流程

膨潤土中的鐵元素一般以Fe3+離子及氧化物和二價鐵的水合物形式存在,不溶于水,也不溶于稀酸。但如在料漿(膨潤土與水的混合物)中加入適量的Na2SO3,則Na2SO3就能直接與膨潤土中的三價鐵及其氧化物起反應,把三價鐵還原成能溶于水的Fe2+離子,再經過濾、濾洗將料漿中的Fe2+濾去,以達到除鐵增白的目的。

具體的實驗方案：首先將原土按比例與一定量的水混合攪拌制成漿料，然后加入由Na2CO3、H2C2O4、和Na2C2O4三種物質按一定比例配成的混合溶液調節漿料的pH值，并用電動攪拌器攪拌，控制好反應時間，再加與調過pH值的漿料發生氧化還原最后通過電動離心機分離，過濾沉淀，并用水漂洗，在電熱真空干燥箱內烘干，測量成品白度，對實驗結果進行分析。

工藝流程如下所示：

原土→制漿→調pH值→加還原劑反應→離心分離→過濾→漂洗→烘干

2 實驗結果及討論

影響除鐵效果的因素有很多，如原土本身的特征、溫度、藥劑用量、礦漿濃度、漂白時間、攪拌強度等。由于各地膨潤土影響白度的雜質礦物和因素各不相同，因此不同產地的膨潤土必須根據其特性，采取不同的漂白工藝。利用亞硫酸鈉來對膨潤土還原漂白的過程，就是將樣品中的氧化鐵還原成氧化亞鐵，同時除去部分氧化亞鐵，提高樣品的白度的過程。在除鐵的過程中除主反應外還伴有各種副反應。因此，具體做探究實驗時，除從平衡觀點判斷反應進行的可能程度外，更重要的是在不同條件下考察其本身的氧化還原特性，以便確定較佳的反應條件。為了研究單因素對漂白效果的影響，在實驗中固定影響漂白效果的其他因素，分別調節此單因素進行實驗。

2.1 溫度對除鐵效果的影響

將一定質量的原土在干燥箱中以120℃烘2小時，然后分別稱取20g樣品四份，按照水和原土干粉的液固比為5：1進行配漿，編號分別為Ⅰ～Ⅳ，電動攪拌機按120轉/分攪拌30分鐘，利用電熱恒溫水浴鍋使礦漿溫度控制在20℃、30℃、40℃和50℃之間變化，漿料的pH值保持在6～8，還原劑用量1g，添加次數為2次，漂白30分鐘，除反應溫度改變外，其余參數均不變，最后測其各個樣品的白度，實驗結果見圖1：

圖1 溫度對除鐵效果的影響

從圖看出溫度對漂白也有明顯影響，隨著溫度的升高，膨潤土的白度提高的趨勢很明顯，可能因為在常溫下Fe2O3的化學活性較低、溶解在水內的氧對Fe2+起氧化副作用,在膨潤土的吸附層外有氣膜降低了還原劑與Fe2O3的反應幾率，隨溫度的升高,Fe2O3的化學活性在提高,相對地降低了范德華力及內聚力,同時溶解于水中的氧及氣膜在逐漸逸出、消失,增大了還原劑與Fe2O3的反應幾率。

雖然較高溫度可提高漂白劑在水溶劑中的反應速度，提高白度，但溫度過高要消耗熱能，同時還原劑分解速度過快，導致氧化還原反應進行的并不充分，除鐵效果并不是很好，通過幾組對比實驗發現，此樣品反應溫度控制在最好在45℃左右比較好。

2.2 pH值對除鐵效果的影響

研究礦漿的pH值對漂白效果的影響時，在實驗中固定礦漿濃度、漂白劑的用量、漂白溫度、漂白時間，分別調節礦漿的值，使礦漿的pH值在3～12之間變化，進行實驗。固定液固比為5：1，還原劑用量1g，添加次數為2次，漂白溫度在45℃，漂白30分鐘。實驗結果見圖2：

圖2 pH值對除鐵效果的影響

圖結果表明，pH值在8左右時，白度高，除鐵效果最佳。原因可能有以下幾點，第一點，我們知道在非氧化稀酸中,Fe主要被氧化為Fe2+而非Fe3+。即:Fe+2H+﹦Fe2++H2↑，但在酸性介質中,Fe2+不穩定,易被空氣中氧氣所化: Fe3++e-＝Fe2+4Fe2++O2+4H+＝4Fe3++2H2O由此可見,酸性介質中鐵最穩定的離子是Fe3+離子而非Fe2+離子,在酸性條件下除鐵效果沒有在堿性條件下好。第二點，Na2SO3作為還原劑, 在酸性條件下容易酸解，放出SO2氣體,降低了其還原能力，因此反應環境應保持堿性。第三點，雖然在堿性介質中反應，但堿性不宜過強，漿液中加入Na2SO3將Fe3+還原為Fe2+,Fe2+幾乎全部以Fe(OH)2的形式沉淀下來與漿液混在一起,很難將其與漿分開,以致影響除鐵效果。為此要加稀硫酸調節酸度使Fe(OH)2轉化為溶于水的Fe2+,過濾除去。

2.3 還原劑的添加次數對除鐵效果的影響

研究還原劑的添加次數對除鐵效果的影響時，在實驗中固定礦漿濃度、礦漿的pH值、還原劑的用量、漂白溫度和漂白時間，分別將漂白劑的用量分為1次、2次、3次和4次進行添加。固定液固比為5：1，礦漿的pH值在8～9，漂白劑用量為1g，漂白溫度控制在45℃，漂白時間30分鐘。實驗結果見圖3：

圖3 還原劑的添加次數對除鐵效果的影響

由圖看出定量的還原劑在添加次數增加的情況下，膨潤土白度整個提高的趨勢比較明顯。因為在溶液中分解速度較快，尤其在溫度較高和酸性環境中，一次添加因受還原反應速度的限制，部分還原劑來不及反應而分解失效，導致利用率下降。分批添加較好地解決了上述問題。實驗表明，分次添加（用量相同時）漂白劑，可明顯提高利用率，增強除鐵效果。

2.4 反應時間對除鐵效果的影響

研究反應時間對除鐵效果的影響時，在實驗中固定礦漿濃度、礦漿的pH值、漂白劑的用量、反應溫度和還原劑的添加次數，分別將反應時間控制在20分鐘、35分鐘、50分鐘和65分鐘。固定液固比為礦漿的值在8～9，還原劑用量為1g，反應溫度在控制在45℃，還原劑添加次數為3次。實驗結果見圖4：

圖4 反應時間對除鐵效果的影響

由實驗結果分析并不是反應時間越長越好，在20～35分鐘時白度上升趨勢較為明顯，但在37分鐘左右后白度緩慢下降，可能因為部分被還原的鐵重新被空氣氧化。該實驗的化學反應十分迅速，即使有過剩的藥劑，也會很快分解掉，延長反應時間提高白度效果并不明顯。因此漂白時間既不能過長，也不能太短，時間過長既浪費藥劑，又達不到預期實驗要求，因為空氣中的氧會導致Fe2+氧化成Fe3+；時間過短，白度達不到要求。一般反應時間控制在30～35分鐘內，此時除鐵漂白的效果最佳。

2.5 洗滌對除鐵效果的影響

將Fe3+轉化為Fe2+只是完成了除鐵的第一步,緊接著應迅速洗滌漿液,否則Fe2+在很短時間內被空氣中的O2又氧化成Fe3+,達不到除鐵的目的。因此洗滌環節非常重要,洗滌時首先將漿液中的Fe2+及陰離子大部分通過過濾除去,然后將留在濾渣中的Fe2+及陰離子用清水濾洗并使其接近呈中性,使Fe2+全部濾出不留在濾渣中，這樣方可達到除鐵的目的。

3 小結

通過以上膨潤土除鐵初步研究得出:采用較高溫度溶解制漿，在pH=8的條件下,先調pH值后酸化,抽濾多洗的方法可以較好地除去膨潤土中的Fe3+離子,達到除鐵的目的,本實驗為該領域的進一步研究提供了借鑒，同時也有利于膨潤土在科技含量較高的領域中的應用。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.067

經懷德（1973,12—），男，安徽六安人，安徽六安市第一中學高級教師，六安市第一中學教務處副主任,現在安徽大學攻讀碩士學位,研究方向為應用無機化學；

袁孝友（1956,2—）男，博士,教授.現任安徽大學化學化工學院副院長,研究領域:1，應用電化學 2，納米材料與納米結構 3，氫能源及太陽能利用。