酸浸法除陶瓷粘土中鐵雜質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究

王喜全 高菲菲

（遼寧科技大學(xué)化工學(xué)院環(huán)境工程系，遼寧鞍山114051）

0 引言

近年來，陶瓷產(chǎn)業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，使得優(yōu)質(zhì)礦物原料越來越緊缺，對中低品質(zhì)的礦物原料進(jìn)行優(yōu)質(zhì)化處理，提高陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量,已是發(fā)展陶瓷工業(yè)中急待解決的問題。鐵雜質(zhì)是陶瓷生產(chǎn)中主要的有害物質(zhì),若原料中鐵雜質(zhì)含量超過一定的水平，將大大影響陶瓷產(chǎn)品的白度、介電性能和化學(xué)穩(wěn)定性，從而影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，對陶瓷產(chǎn)品來說鐵雜質(zhì)的含量要嚴(yán)加控制，高質(zhì)量的瓷器要求鐵含量在0.58%以下[1-2]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原礦處理

本實(shí)驗(yàn)采用的是產(chǎn)自佛山的陶瓷原礦。首先將原礦進(jìn)行洗滌，除去部分雜質(zhì)，將樣品風(fēng)干后，用破碎機(jī)粉碎，通過60目尼龍篩，除去大顆粒物質(zhì),然后將篩分后的樣品用瑪瑙研缽磨細(xì)，通過200目的尼龍篩，搖勻，裝瓶備用。

1.2 陶瓷粘土化學(xué)成分分析

粘土樣品的主要化學(xué)成分分析見表1。可以看出粘土的主要成分為SiO2，Al2O3和Na2O，其中氧化鐵的含量較高，氧化鈦的含量較少，由此可見，氧化鐵是其主要的呈色物質(zhì)，它影響了陶瓷粘土白度的提升。

圖1為佛山陶瓷土樣品的掃描電鏡照片。由圖1分析可知,此陶瓷粘土的晶形為片狀，分散的片狀晶體大小不一,以部分有序、部分無序的形式聚積在一起。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器及試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：電子天平、電熱恒溫水浴鍋、干燥箱、可見分光光度計(jì)、馬弗爐、抽慮裝置等。

實(shí)驗(yàn)試劑：鹽酸、草酸、硫酸、鄰啡啰啉、氫氧化鉀、醋酸鈉溶液、去離子水、鹽酸羥胺溶液

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

取5g預(yù)處理后的粘土置于燒杯，用去離子水配置成一定濃度的礦漿，加入20ml一定濃度的鹽酸溶液，待水浴鍋的水溫升至預(yù)定溫度后,放入燒杯，攪拌均勻。達(dá)到設(shè)定的反應(yīng)時(shí)間時(shí),取出燒杯并置于冷水中,此時(shí)反應(yīng)結(jié)束。經(jīng)抽濾、水洗,直至濾液接近中性，然后將所得陶瓷粘土在105℃下干燥。取0.5g干燥后的粘土于石墨坩堝中，加4g氫氧化鉀在高溫爐中550℃下熔融30min，取出冷卻后，用去離子水將熔塊溶入燒杯內(nèi)，加20mL濃鹽酸后轉(zhuǎn)入250mL容量瓶中，用水稀釋至刻度線搖勻待測，采用鄰啡啰啉法測定其鐵的含量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 原礦中鐵的含量

采用鄰啡啰啉法對原料樣品中的鐵含量進(jìn)行測定，其結(jié)果如表2所示。

2.2 不同酸對去除粘土中鐵雜質(zhì)的影響

在礦漿濃度為15%、酸濃度為15%、浸出反應(yīng)時(shí)間為120min，浸出溫度為60℃的條件下，不同種類的酸對陶瓷粘土的浸出除鐵效果如表3所示。

表1 粘土樣品的主要化學(xué)成分（%）Tab.1 Chemical composition of the clay sample

從表3可知，用鹽酸作酸浸劑，除鐵效果要優(yōu)于硫酸以及草酸，處理后粘土中Fe2O3含量可降到0.49%,除鐵率達(dá)到48.96%,因此，本實(shí)驗(yàn)將采用鹽酸作為酸浸劑。

2.3 酸濃度對去除粘土中鐵雜質(zhì)的影響

在礦漿濃度為15%、浸出反應(yīng)時(shí)間為90min，浸出溫度為50℃條件下，不同鹽酸濃度對除鐵效果如圖2所示。

由圖2可知，隨著鹽酸濃度的增大鐵含量逐漸降低。鹽酸對原料中的鐵礦石有一定的溶解性，試樣中的含鐵礦物與酸作用形成 Fe3+或 Fe2+而溶出；此外，F(xiàn)eO、Fe2O3、Fe(OH)3等鐵礦物在中性水溶液中溶解度很小。當(dāng)改變環(huán)境的酸度，以上鐵礦物的溶解度也將隨著改變。鐵屬于過渡元素，其陽離子外圍存在多條空軌道，在酸性條件下可作為絡(luò)合物的中心離子，形成絡(luò)合物。所以隨著濃度的增加，鐵含量逐漸降低。但高濃度的鹽酸會將粘土中鋁與鐵雜質(zhì)一起浸出，破壞其結(jié)構(gòu)，當(dāng)酸濃度為15%時(shí)，鐵含量為0.56%已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。因此取鹽酸濃度15%。

2.4 酸浸時(shí)間對去除粘土中鐵雜質(zhì)的影響

當(dāng)鹽酸液濃度為15%、礦漿濃度以15%、浸出溫度為50℃條件下,酸浸的不同時(shí)間對去除粘土中鐵雜質(zhì)的影響結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知,浸出反應(yīng)需要一定時(shí)間,時(shí)間的長短直接影響處理的效果。為了使反應(yīng)充分,提高處理效果,需一定的反應(yīng)時(shí)間,但酸浸時(shí)間超過120min時(shí)，隨著酸浸時(shí)間的延長，除鐵率增加趨于緩慢。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,Fe3+或Fe2+的溶出，氫離子不斷消耗，其反應(yīng)FeO+2H+→Fe2++H2O或Fe2O3+6H+→Fe3++3H2O逐漸達(dá)到平衡，鐵雜質(zhì)的去除效果不明顯，綜合生產(chǎn)成本考慮，確定最佳浸出時(shí)間為120min。

2.5 酸浸溫度對去除粘土中鐵雜質(zhì)的影響

在鹽酸液濃度為15%、礦漿濃度以15%、浸出時(shí)間為120min條件下，不同的酸浸溫度對去除粘土中鐵雜質(zhì)的影響結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著溫度的升高,產(chǎn)品中鐵雜質(zhì)含量逐漸下降。根據(jù)Arrhenius公式1nK=1nA-Ea/RT可知，T值增加,Ea/RT減小,K值增大。即溫度升高,浸取速率常數(shù)增大,反應(yīng)速度加快。即酸與原料中的鐵雜質(zhì)反應(yīng)速度加快。當(dāng)溫度達(dá)到60℃后,鐵含量可降至0.49%以下，已達(dá)到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，隨著溫度升高，氯化氫氣體揮發(fā)較快，酸液中鹽酸含量降低，與粘土中鐵雜質(zhì)反應(yīng)的酸含量降低，原料中鐵雜質(zhì)的去除效果不明顯，同時(shí)，溫度升高會影響粘土本身的結(jié)構(gòu)，綜合考慮確定酸浸的最佳溫度為60℃。

2.6 礦漿濃度對去除粘土中鐵雜質(zhì)的影響

在鹽酸濃度為15%、浸出反應(yīng)時(shí)間為120min,浸出溫度為60℃條件下，不同的礦漿濃度對去除粘土中鐵雜質(zhì)的影響結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，礦漿濃度以15%為宜。隨著礦漿濃度的增大，粘土的分散性能越來越差，呈現(xiàn)糊狀，流動性差，難以分散，試劑不能完全浸透物料；此外，礦漿濃度增大，細(xì)小的粘土顆粒容易團(tuán)聚成塊，包覆了許多染色離子，使其不能充分與試劑反應(yīng)，影響處理效果。綜合考慮，最適礦漿濃度為15%。

表2 鄰啡啰啉分光光度法測定粘土中鐵的含量Tab.2 Determination of iron content in clay by phenanthroline spectrophotometry

表3 不同酸對去除粘土中鐵雜質(zhì)的影響Tab.3 Effects of different acids on iron removal from clay

3 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)表明，采用酸浸法能有效去除粘土中的鐵雜質(zhì)，使粘土的白度增加；試驗(yàn)了硫酸、鹽酸、草酸對鐵的去除效果，鹽酸最好。

（2）鹽酸濃度為15%、酸浸溫度為60℃、酸浸時(shí)間為120min、礦漿濃度為15%時(shí)，對鐵的去除率最高，可達(dá)近50%，可將粘土中的鐵含量從0.96%降至0.5%以下，達(dá)到陶瓷工業(yè)用土產(chǎn)品化學(xué)成分和物理性能要求TC-1標(biāo)準(zhǔn)。

1 王萬起.阜新某高嶺土除鐵增白試驗(yàn)研究:[碩士學(xué)位論文].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2009

2 蔡麗娜.風(fēng)化型高嶺土增白技術(shù)研究:[碩士學(xué)位論文].河南:河南理工大學(xué),2009

3 吳小緩，王文利.我國高嶺土市場現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.非金屬礦,2005，28(4):1～4

4 魏盼中,周濤,許海曼,楊靜思.高嶺土除鐵增白的實(shí)驗(yàn)研究.中國粉體技術(shù),2010,16(3):66-68.

5 孫寶岐.高嶺土的化學(xué)漂白提純.江蘇陶瓷,1994,64(1):2～7

6 魏克武.高嶺土酸浸除鐵.非金屬礦,1992(2):29

7 李永聰.對武安高嶺土除鐵工藝研究.中國礦業(yè),2002,11(3):67～68

8 朱偉長,楊文雁,閆勇.酸浸法去除石英粉中鐵雜質(zhì).安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25(3):267～269