膨潤土提純方法對比及鈉化改性研究

王 鴿，郭海盈，徐光亮

(湖北中非膨潤土有限公司，湖北 鄂州 436061)

隨著科技的進步, 對膨潤土的要求也越來越高。我國天然產出的鈉基膨潤土很少，絕大多數為鈣基土，鈣基膨潤土資源豐富, 儲量大，但其性能較差、質量不穩定, 品位較低[1]。蒙脫石含量多為60%～80%，而且天然膨潤土中除蒙脫石外，含一些非蒙脫石組分，如石英、長石、方英石等雜質，使其精加工產生困難，不宜直接用于生產精細化工、輕工日化產品[2]。所以，在膨潤土加工之前，尤其是用它來生產某些無機精細化學品(如白炭黑、4A分子篩等) 及系列有機膨潤土等時，必須進行深加工提純除雜[3]。

目前，膨潤土的提純方法大致分為兩種，即干法和濕法[4]。干法主要是根據天然土中雜質的硬度和密度都較大的特點，通過逐級分離沉降將雜質分開，從而得到精制土。濕法提純主要利用膨潤土具有良好的親水性和蒙脫石晶胞細小能在水介質中充分分散的原理，使雜質與蒙脫石分離[5]。干法提純，根據工藝不同可以分為手選提純和風選提純。濕法提純，根據工藝過程的不同又分為自然沉降法、絮凝法、高速離心法和二次分級法等。而在實際提純過程中，往往會在不同階段同時采用幾種方法，有人又將其統稱為淘汰法[6]。

膨潤土改性是通過離子交換改變蒙脫石層間可交換陽離子的種類，以達到改善蒙脫石或提高膨潤土物化性能的目的[7]。鈉基膨潤土具有許多特性，如膨脹、吸附和觸變性等，具有廣泛的用途[8-9]。鈉基膨潤土的物理性能優于鈣基膨潤土，所以膨潤土的鈉化改性，已成為膨潤土改性的主要技術之一。

本文選取湖北鄂州某地鈣基膨潤土原礦進行三種提純方法的對比與討論，探索不同提純方法對該膨潤土的提純效果。并對提純后膨潤土進行了鈉化改性，研究不同提純土最佳鈉化改性工藝。

1 性質與實驗

1.1 原礦性質

實驗選用膨潤土原料取自鄂州某地，原礦的X-射線衍射(XRD)圖譜見圖1。原礦的理化性能指標見表1和表2。

圖1 鈣基膨潤土XRD粉末衍射圖譜

表1 原礦的主要化學成分/%

表2 原礦主要物理性能

從圖1原礦的X-射線衍射分析結果可以看出，原礦的主要成分為蒙脫石，雜質礦物也比較簡單，主要為石英、云母、長石等。另外，原礦的特征峰d(001)值為1.5132 nm，而且峰形尖銳，峰腳較窄，是典型的鈣基膨潤土特征。結合原礦的主要化學成分以及理化性能指標，可以得出，該原礦為鈣基膨潤土，且原礦各項性能指標偏低，要開發高性能指標產品，必須對該礦進行適當的提純改性處理才行。

1.2 實驗試劑及儀器

試驗試劑：碳酸鈉(工業級)，六偏磷酸鈉。提純設備：錘式破碎機，干燥粉碎分級機，電磁攪拌機。

改性設備：小型混砂輪碾機。

1.3 實驗方法

1.3.1 膨潤土提純方法

本實驗采用的提純方法包括手選、風選干法提純和濕法提純三種，具體提純過程如下：

手選：首先將礦石中的大塊廢石挑選出來，原礦置于曬場晾曬至水份20%左右，再利用錘式破碎機將其破碎至粒徑(Ф)為2cm左右的碎塊。取上述破碎后混合樣100g，置于實驗室105℃的恒溫烘箱內烘2h后，采取實驗室人工手選除石，再磨粉至200目即得提純土。

風選干法提純：將采掘的原礦曬場晾曬至20%左右水份，經錘式破碎機將原礦粉碎至10mm以下，除去10mm以上原礦，將粉碎好的礦石送入加料斗，再經打散粉碎分級機進行粉碎、分級、除雜；除雜后的膨潤土經旋風收塵器收集、打包得產品。

濕法提純：預先將膨潤土與水混合靜置12h，選擇25.0%搗漿濃度，其中添加0.5%六偏磷酸鈉作為分散劑，搗漿30min后，用200目篩傾出上層懸浮液，沉降過濾得提純膨潤土。

1.3.2 鈉化改性方法

本次實驗采用的鈉化方法為半干法，利用輪碾壓設備對三種不同方式的提純土試樣進行鈉化改性，并對影響鈉化效果的因素進行了系統的對比和討論，以尋找三種提純土最佳鈉化改性工藝。具體鈉化改性方法為：取提純后、烘干粉碎后的試樣若干，采用干法加堿3.0%～5.0%，加水至試樣含水24%～28%，用小型輪碾機進行碾壓，碾壓15～35min，陳化2～6d，經烘干、磨粉等工序后制得產品。

1.3.3 性能測試

膨潤土應用廣泛，各個行業均有不同的質量標準，膠質價、膨脹容、吸藍量都是表征膨潤土水化特性的重要參數。膨潤土的很多特性，如分散性、膨脹性、觸變性、可塑性等，都是在水介質條件下特有的。

膨脹容、膠質價是膨潤土的兩個重要物化工藝性能參數，兩指標顯示了膨潤土分散與水化的程度，是分散性、親水性和膨脹性的綜合表現。兩指標與膨潤土的屬性和蒙脫石含量密切相關，是鑒定膨潤土屬型和評價膨潤土質量的技術指標。吸藍量也可作為評價膨潤土中蒙脫石相對含量的主要技術指標。

本實驗主要以吸藍量作為膨潤土提純效果的判據，吸藍量越高，即提純效果越好。以膨脹容和膠質價作為鈉化效果判斷的依據。

提純改性膨潤土的性能測試依照[10-11]：GB/T20973-2007與《膨潤土物化性能測試暫行統一方法》。

2 結果與討論

2.1 膨潤土的提純

按照以上三種提純方法對膨潤土進行了提純研究，對提純后膨潤土的物理性能指標進行測試，結果見表3。

表3 提純后膨潤土物化性能測試

以上測試數據顯示，通過三種不同方法提純后的膨潤土，吸藍量都有明顯的提高。其中，實驗室手選提純效果略好，由提純前的36.20 g/100g提高到44.64 g/100g，對應的蒙脫石含量最高。風選提純和濕法提純蒙脫石含量相同，各項指標也都有不同程度的提高。濕法提純中，膠質價指標表現尤為明顯，由原礦的47 mL/15g提高到提純后的95 mL/15g左右。但總的看來，三種提純效果差異不大，對該原礦都有一定的提純效果。

鑒于以上分析結果，雖然三種提純方法都顯示了一定的提純效果，但也有不足之處。提純后的膨潤土中，仍含有一些比較細的顆粒和不易溶解的雜質，致使提純后原礦指標偏低，需進一步的鈉化處理。

2.2 膨潤土的鈉化

取上述三種方法提純后的膨潤土，烘干過200目篩后，加入一定量的鈉化劑Na2CO3攪拌均勻，加入合適的水份進行實驗室碾壓鈉化，再將鈉化試樣陳化若干天后，進行指標測試、分析。

2.2.1 鈉化劑用量的影響

改性時，加入Na2CO3的量需大于Ca2+、Mg2+等陽離子質量濃度，才能使膨潤土鈉化完全。本次實驗中，我們固定納化水分為26%，碾壓30min，陳化兩天，分別對鈉化劑添加量進行考察。從表4可以看出，實驗室手選提純與濕法提純樣Na2CO3的加入量為4.0%時，表現出較好的效果；而風選干法提純加入量為4.5%時才合適。結果如表4。

2.2.2 納化水分的影響

根據表4實驗結果，我們將手選提純樣與濕法提純樣鈉化劑添加量固定為4.0%，干法提純樣鈉化劑添加量為4.5%，碾壓30min，陳化2d，考察納化水分對鈉化效果的影響，結果見表5。從表5中可以看出，三種提純土鈉化改性合適水份都為27.0%。膨脹容、膠質價都有較大的提高。

表4 Na2CO3加入量對鈉化效果的影響

表5 納化水分對鈉化效果的影響

2.2.3 碾壓時間的影響

碾壓過程中膨潤土溫度略有升高，有利于加速鈉離子對鈣離子的交換過程。在鈉化過程中，碾壓時間起很大作用。時間短，壓力不夠，鈉化不充分；次數多，會起反作用，也不經濟。固定鈉化劑分別為4.0%和4.5%，納化水分為27%，陳化兩天，隨著碾壓時間的增延長，鈉化改性土的膨脹容和膠質價都有所提高。當碾壓時間多于30min時，對膠質價影響不大，但膨脹容反而有所下降。因此，我們選擇三種提純土的鈉化碾壓時間為30min。

表6 碾壓時間對鈉化效果的影響

2.2.4 陳化時間的影響

鈉化劑添加量分別為4.0%和4.5%，納化水分為27%，碾壓30min，考察陳化時間對鈉化效果的影響。由表7可以看出，膨脹容與陳化時間并不是呈線性關系的，不是陳化時間越長越好。實驗室手選提純陳化時間較短，兩天就基本趨于穩定，增加幅度不明顯。干法提純和濕法提純的陳化時間為三天，當陳化時間達到3d，膨脹容隨陳化時間的增長而增加的幅度變小。從工廠的生產實際考慮，我們選擇鈉化改性陳化時間以3d為宜。

表7 陳化時間對鈉化效果的影響

2.3 提純鈉化土性能檢測

由以上實驗結果可知，三種提純土在碾壓鈉化改性研究中，表現出不太一致的鈉化效果。實驗室手選提純鈉化稍顯優勢，與提純階段中分析相對應，但三者差別不大。實驗室根據上述實驗結果，對三種提純土分別進行了最佳工藝鈉化改性處理，所得鈉化土主要物化性能檢測結果見表8。

表8 鈉化土主要物化性能檢測結果

以上各產品性能指標，均超過了國標中球團和鑄造用膨潤土一級品質量要求，說明三種提純改性方法對膨潤土都起到了良好的改性作用。但在最佳鈉化條件下，三種方法所得產品略有差別，在實際生產中可根據不同指標需求進行選擇。

3 結論

1)三種提純方法對鄂州土均能取得很好的提純效果，且最終效果差異不大。手選提純處理量小且質量不穩定、工藝復雜，只適于進行實驗室小批量實驗研究；濕法提純周期長、用水量大、成本高，工業生產化困難；而風選提純處理量大且工藝成熟，因此考慮實際生產成本與工藝可操作性等因素，風選是鄂州膨潤土最合適的提純方法。

2)采用混砂碾壓設備對提純膨潤土進行鈉化改性，三種提純土都顯示出較好的效果，且確定了各提純土的最佳生產工藝。實驗室手選提純最佳工藝為：鈉化劑4.0%，納化水分27.0%，碾壓30min，陳化兩天；風選干法提純：鈉化劑4.5%，納化水分27.0%，碾壓30min，陳化三天；實驗室濕法提純：鈉化劑4.0%，納化水分27.0%，碾壓30min，陳化三天。

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