內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤系高嶺石煅燒結(jié)構(gòu)分析

郭 煒，劉 鋒

內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾煤系高嶺石煅燒結(jié)構(gòu)分析

郭 煒1，劉 鋒2

(1.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；2.中國(guó)船級(jí)社質(zhì)量認(rèn)證公司，北京 100006)

運(yùn)用掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM、X-射線衍射XRD、組成分析、熱分析(TG+DTA)和紅外分析FT-IR等多種手段，對(duì)內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗某煤系高嶺石煅燒前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析表征，了解其微觀結(jié)構(gòu)變化，以指導(dǎo)煅燒工藝條件的選擇。

煤系高嶺石；煅燒；結(jié)構(gòu)分析

Abstract: By using scanning electron microscope, transmission electron microscope, X-ray diffraction analysis, element analysis, differential thermal analysis-thermal gravity and Fourier transform infrared spectroscopy and etc, kaolinite minerals structure before and after calcinations from Inner Mongolia Zhungeer Qi were analyzed. Analysis results show that the micro-structure is different after calcined, which can guide the calcination technical conditions.

Key words: coal-series kaolinite; calcinations; research on structure

1 引言

內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾蘊(yùn)含大型優(yōu)質(zhì)煤系高嶺土礦床，其中不少礦床層位穩(wěn)定、厚度大，礦石中高嶺石含量在95%以上。雖然不同礦區(qū)的礦石性質(zhì)有所差別，但都適于加工煅燒高嶺土。煅燒高嶺土由于比普通高嶺土白度高、容重小、比表面積大、細(xì)油性好、光性特殊、絕緣性和熱穩(wěn)定性較高等，因而用途廣泛，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高[1-3]。特別是作為填料，在造紙、電纜工業(yè)中，高嶺土具有獨(dú)特的作用[4]。在造紙工業(yè)中，由于高嶺土具有良好的不透明性及可印性，使它成為生產(chǎn)氣刀級(jí)或刮刀級(jí)涂布銅版紙的重要原料[5]；在電纜工業(yè)中，高嶺土憑籍其卓越的電絕緣性能，成為生產(chǎn)電纜用塑料、橡膠不可替代的填料[6]。在高嶺土用作紙張、塑料、橡膠的填料時(shí)，需要對(duì)它進(jìn)行特殊處理，而煅燒就是有效的處理方式之一。

通常，高嶺土的煅燒，是指煅燒溫度在1 000℃以內(nèi)的熱化學(xué)反應(yīng)過程，也就是指除去高嶺石礦物中大約14%的結(jié)構(gòu)水的過程[7]。高嶺土在不同溫度下煅燒，產(chǎn)物的物理性能不同，因此，高嶺土的煅燒溫度取決于產(chǎn)品的用途。例如：在1 000℃下的煅燒產(chǎn)品，可獲得良好的油吸收性能和大的比表面積，并具有良好的遮蓋力和不透明性，因而可在油漆、造紙工業(yè)中用作涂料、填料及顏料；而生產(chǎn)電纜用的高嶺土，其煅燒溫度要求控制在800℃以下[8-9]。

由于我國(guó)質(zhì)量較好的硬質(zhì)高嶺土通常與煤共生，煅燒處理時(shí)還需兼顧其內(nèi)含有機(jī)質(zhì)及固定碳的脫除。

本文利用多種分析手段對(duì)內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗的一種煤系高嶺石煅燒前后的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了表征，以全面了解其煅燒前后的微觀結(jié)構(gòu)變化。

2 分析表征

2.1 掃描電鏡分析(SEM)

用Philips XL-30掃描電鏡觀察了煅燒前后高嶺石的其表面形態(tài)，詳見圖1和圖2。

從圖1和圖2中可以看出，未煅燒高嶺石尺寸分布較為均一，顆粒的結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出一定的假六方體片層結(jié)構(gòu)，但同時(shí)也存在著大量的其他結(jié)構(gòu)。煅燒后顆粒尺寸分布不均勻，有較為嚴(yán)重的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。

顆粒的結(jié)團(tuán)現(xiàn)象是微觀顆粒的表面能引起的，可以通過物理或化學(xué)表面改性的手段予以改善和消除。而顆粒晶體的結(jié)構(gòu)則與高嶺石原料以及其煅燒工藝密切相關(guān)，因此煅燒工藝對(duì)煤系煅燒高嶺石產(chǎn)品的性質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。

2.2 透射電鏡分析(TEM)

用JEOL 100CX-Ⅱ透射電子顯微鏡對(duì)高嶺石樣品進(jìn)行了觀察，顆粒晶體結(jié)構(gòu)放大14 000倍，用乙醇進(jìn)行分散，電鏡分析結(jié)果分別見圖3和圖4。

從以上圖中可以發(fā)現(xiàn)，高嶺石樣品在乙醇中分散度都較好，在放大14 000倍情況下觀察煅燒前的高嶺石，其顆粒晶體結(jié)構(gòu)較為混亂和復(fù)雜，煅燒后晶體尺寸趨向均一。

2.3 X-射線衍射分析(XRD)

在分析高嶺石樣品表面形態(tài)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用X-射線衍射分析(XRD)分析了煅燒前后樣品的晶體結(jié)構(gòu)，分別見圖5和圖6。

比較圖5和圖6，可以發(fā)現(xiàn)，煅燒后X-射線衍射圖譜的衍射峰弱、寬，表明高嶺石晶體結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭到破壞，脫除結(jié)構(gòu)水后，轉(zhuǎn)化成偏高嶺石和鋁硅尖晶石結(jié)構(gòu)。比較而言，未煅燒高嶺石衍射圖譜的衍射峰強(qiáng)、銳，在d(001)=7.10nm和d=3.57nm處有兩個(gè)尖銳的強(qiáng)峰，這正是高嶺石標(biāo)樣的典型特征峰。

2.4 組成分析

白度是高嶺石產(chǎn)品一個(gè)重要的指標(biāo)，而高嶺石中Fe含量的多少是其中最為重要的影響因素。鑒于此，對(duì)未煅燒的高嶺石樣品進(jìn)行了組成分析，其化學(xué)成分(%)為：Al2O337.92、SiO244.92、Fe2O30.30、TiO20.42。高嶺石中Fe2O3的含量只有0.30%，基本可以滿足大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的要求。此外，應(yīng)用掃描電鏡能譜對(duì)未煅燒高嶺石的表面物質(zhì)組成進(jìn)行了分析，其中Fe和Ti含量也都處于一個(gè)較低的水平。

2.5 熱分析(TG+DTA)

高嶺石在加熱煅燒過程中，由于物理和化學(xué)變化而產(chǎn)生吸熱或放熱效應(yīng)，同時(shí)還會(huì)失去水、有機(jī)質(zhì)等而造成失重。為考察準(zhǔn)格爾高嶺石樣品的熱學(xué)性質(zhì)，對(duì)其進(jìn)行了熱重TG和差熱DTA綜合分析，結(jié)果見圖7。從差熱分析曲線看，在100℃附近有脫除物理水過程，在544℃附近大量脫除結(jié)構(gòu)水。在熱失重曲線上則分別對(duì)應(yīng)較明顯的失重現(xiàn)象。在997℃附近有一個(gè)明顯的放熱峰出現(xiàn)，這是由于在此溫度區(qū)間燒成Al-Si尖晶石等新相的放熱效應(yīng)產(chǎn)生的。高嶺土用于油漆、造紙工業(yè)中用作涂料、填料及顏料時(shí)，其煅燒溫度應(yīng)低于發(fā)生晶相變化時(shí)的溫度，對(duì)于此種準(zhǔn)格爾旗煤系高嶺石，其煅燒條件應(yīng)選擇在低于997℃下進(jìn)行。

2.6 紅外分析(FT-IR)

礦物在受到具有連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光照射時(shí)，該物質(zhì)的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)、基團(tuán)和分子會(huì)因其固有的振動(dòng)而吸收特定波長(zhǎng)的光的能量。不同的礦物和物質(zhì)由于其內(nèi)部組成質(zhì)點(diǎn)、基團(tuán)和分子的種類不同以及它們相互鍵合的方式不同，而表現(xiàn)具有不同特征的紅外光譜，即在譜帶數(shù)目、位置、強(qiáng)度等方面不同的紅外光譜。

對(duì)于層狀硅酸鹽的紅外光譜來(lái)說，引起紅外吸收的振動(dòng)，主要是由于它的內(nèi)部下列組成單元的振動(dòng)：羥基(包括層間水)、硅酸鹽陰離子、八面體陽(yáng)離子、層間陽(yáng)離子。

應(yīng)用美國(guó)Nicolet 560傅立葉紅外對(duì)煅燒前后的高嶺石進(jìn)行了分析，其紅外圖譜見圖8和圖9。

從紅外譜圖可以看出，未煅燒高嶺石屬于典型高嶺石結(jié)構(gòu)，在3 400～3 700cm-1范圍內(nèi)OH基團(tuán)的伸縮振動(dòng)峰明顯，且600～900cm-1范圍內(nèi)所具有的一些紅外吸收振動(dòng)，則屬于OH基團(tuán)和八面體陽(yáng)離子耦合的彎曲振動(dòng)。而煅燒高嶺石晶體結(jié)構(gòu)經(jīng)過脫除物理水和結(jié)構(gòu)水后，轉(zhuǎn)變成Al-Si尖晶石結(jié)構(gòu)，其紅外譜圖則相應(yīng)有了較大的區(qū)別。

3 結(jié)語(yǔ)

通過運(yùn)用掃描電鏡SEM、透射電鏡TEM、X-射線衍射XRD、組成分析、熱分析(TG+DTA)和紅外分析FT-IR等多種手段從各個(gè)方面對(duì)準(zhǔn)格爾煤系高嶺石煅燒前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，可以看出其物質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異。因?yàn)槲镔|(zhì)的宏觀性質(zhì)取決于其微觀結(jié)構(gòu)，因此要想深入、系統(tǒng)地了解和改善高嶺石產(chǎn)品的宏觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，必須要在微觀尺度上對(duì)其進(jìn)行分析和把握。

利用以上這些分析手段，可以在微觀尺度上對(duì)高嶺石原礦物、煅燒后的高嶺石在整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行跟蹤分析，以確定最優(yōu)的煅燒工藝條件，尤其根據(jù)其熱失重曲線，煅燒條件應(yīng)選擇在低于997℃下進(jìn)行。實(shí)際生產(chǎn)煅燒溫度控制在985℃左右，最終生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)高檔的煤系煅燒高嶺石產(chǎn)品，滿足了市場(chǎng)的需求，同時(shí)獲得較佳的經(jīng)濟(jì)效益。

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Research on Structure of Kaolinite and Calcined Kaolinite From Inner Mongolia Zhungeer Qi

GUO Wei1, LIU Feng2
(1.Beijing Institute of Petrochemical Technology, Department of Mechanical Engineering, Beijing 102617, China; 2.China Classification Society Certification Company, Beijing 100006, China)

P619.232;TD985

A

1007-9386(2012)03-0029-03

2012-02-09