平頂山高嶺土的除鐵增白實驗研究

刁潤麗，劉丹丹

（1.河南質量工程職業學院，河南 平頂山 467001；2.平頂山學院低山丘陵區生態修復重點實驗室，河南 平頂山 467000）

平頂山高嶺土的除鐵增白實驗研究

刁潤麗1，劉丹丹2

（1.河南質量工程職業學院，河南 平頂山 467001；2.平頂山學院低山丘陵區生態修復重點實驗室，河南 平頂山 467000）

為了克服單一傳統化學除鐵方法的缺點，實驗采用提純劑提純、保險粉除鐵和煅燒除雜相結合的方法，并研究了提純劑、保險粉、草酸的用量及煅燒溫度等諸因素對平頂山高嶺土除鐵增白的影響，得到了最優的除鐵增白方法。礦漿濃度10%，配比為2 ： 1（wt.%）的檸檬酸鈉和NaOH組成的提純劑加入量為0.5wt.%，保險粉的用量3wt.%，草酸的量為1.5wt.%，800 ℃條件下煅燒。試樣中Fe2O3的含量由1.08%降低到0.31%，白度值由59.3°提高到了85.7°。

高嶺土；平頂山；除鐵；增白

0 引 言

高嶺土是一種重要的非金屬礦物資源，化學性質穩定，填充率大，價格便宜，遮蓋力好，并且具有可塑性、分散性、粘結性、耐火性、絕緣性等優點，被廣泛應用于陶瓷、油漆、造紙、涂料、橡膠及塑料等工業領域［1, 2］。高嶺土資源的不可再生性及應用領域的擴展，使得近年來我國高嶺土行業迅速發展，目前世界范圍內造紙涂料用的高嶺土資源也出現了供不應求的局面。但是國內的高嶺土資源因為含有鐵鈦礦物、碳質、有機質以及其它暗色礦物，使得其自然白度普遍較低，因而都必須經過加工和漂白，才能擴展其應用領域，增加其應用價值［3］。

根據質量、可塑性和砂質的含量可將自然生長的高嶺土礦劃分為煤系高嶺土和非煤系高嶺土，其中非煤系高嶺土又分為軟質高嶺土和砂質高嶺土兩種類型。煤系硬質高嶺巖儲量巨大、分布廣泛，煤系高嶺土的開發可加速我國煤系共伴生礦產資源的綜合利用。本文所論述的平頂山出產的高嶺土多為煤系高嶺土。與非煤系高嶺土相比，煤系高嶺土具有有機質含量高、質硬、雜質礦物種類多并與高嶺石密切共生等特點，且不同礦物的組成也不盡相同［4, 5］。本文根據影響煤系高嶺土白度的主要因素，結合現有實驗條件，采用先低溫焙燒活化，酸浸再Na2S2O4還原，最后高溫煅燒的新方法對高嶺土進行提純，降低其中染色物質的含量，提高高嶺土的白度，并找出最佳的除鐵增白工藝條件。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及試劑

儀器：HJ-3恒溫磁力攪拌器，江蘇金壇市環宇科學儀器廠；FA1004B電子天平，上海越平科學儀器有限公司；101A-2型數顯電熱鼓風干燥箱，上海浦東榮豐科學儀器有限公司；SBD-1B型數字白度儀，上海華巖儀器設備有限公司；TYXL-1箱型高溫爐，鶴壁市天宇儀器儀表制造有限公司；鎳坩堝等。

試劑：硫酸，分析純；草酸，分析純；氫氧化鈉，分析純；檸檬酸鈉，分析純；保險粉（Na2S2O4），分析純。

1.2 原礦化學成分分析

實驗采用產自平頂山的高嶺土原礦，經過破碎、水洗、干燥、混勻后作為原料，用DHF系列多元素快速分析儀分析其主要的化學成分見表1。

1.3 實驗方法及流程

煤系高嶺土因為含有鐵鈦礦物、碳質、有機質以及其它暗色礦物而使其白度較低，碳和有機質可經過煅燒在高溫下氧化、分解將它們除去，鐵鈦礦物可通過還原漂白的方法除去［6, 7］。綜合分析，本實驗提出了一種新的方法，如圖1所示。

1.3.1 原料提純

首先將原料在桶里淘洗，然后過200目篩，再加水調節成濃度為10%的漿料。在料漿中加入配比為2 ： 1（wt.%）的檸檬酸鈉和NaOH組成的提純劑對料漿進行提純，除去與高嶺石伴生的礦物和泥質沉積物，以及其他類型的色素離子及氧化物，以減少后續過程中保險粉除鐵時的副反應，提高除鐵的效率［8, 9］。

1.3.2 低溫焙燒活化

采用500 ℃條件下低溫焙燒，可使高嶺土中的碳和有機質在高溫下經氧化、分解而除去，進而將被包裹的鐵質礦物裸露出來，使它們能在后續的操作中有機會被保險粉還原而除去。

1.3.3 還原漂白

用稀硫酸調整pH值為3.5，將保險粉分三次逐漸加入并緩慢攪拌，反應40 min。然后立即加入草酸并攪拌均勻反應30 min，抽濾，將得到的濾餅在干燥箱中烘干，再研磨后測試白度。

1.3.4 漂洗與過濾

還原除鐵之后的樣品極易返黃，需及時對其進行漂洗與過濾操作，將漿液中的Fe2+及陰離子、絡合離子除去。在過濾之后再用清水濾洗樣品2-3次，使其基本呈中性。

1.3.5 高溫煅燒

將進行過還原除鐵及漂洗過濾的樣品在馬弗爐中800 ℃條件下煅燒2 h。將其本身含有的及反應過程中帶入的雜質充分除去。

表1　高嶺土礦的化學組成Tab.1 Chemical composition of kaolin

圖1　增白實驗流程Fig.1 Diagram of the de-ironing and bleaching process

2 結果與討論

2.1 提純劑用量

將料漿濃度及提純時間固定，改變提純劑的加入量，分別加入0.1wt.%、0.3wt.%、0.5wt.%、0.7wt.%、0.9wt.%的提純劑時，實驗結果如表2所示。從中可以看出：加入提純劑可以在一定程度上提高試樣的白度。提純劑的加入量為0.5wt.%時，白度值提高4.1 °，效果最好。究其原因，因為高嶺土的顆粒細小，并且具有一定程度的懸浮性，提純劑中的檸檬酸鈉對料漿具有一定程度的分散作用，使高嶺土的懸浮性增強，這樣可以將泥質沉積物與高嶺土的分離加速，將試樣中的石英、長石、云母等與高嶺石伴生的礦物除去。

2.2 保險粉用量

保險粉用量對試樣的白度影響很大，保險粉除鐵的基本反應方程式如下：

Fe2O3+Na2S2O4+2H2SO4→2NaHSO3+2FeSO4+H2O

保險粉的加入量太少時不能將Fe3+充分還原，除鐵效率低；加入量太多時，一方面增加了藥劑成本，另一方面，保險粉是強還原劑，在空氣中容易因為發生氧化分解反應而生成S等帶色雜質，降低了其還原能力，而且還會造成環境污染。

理論上，保險粉的用量可以根據高嶺土中的氧化鐵含量計算出來，但是實際用量遠大于理論量。究其原因，一方面，在酸性介質中Na2S2O4不穩定而分解消耗一部分；另一方面，保險粉除了與氧化鐵發生反應，同時還與水緩慢作用而消耗掉一部分。

pH值是影響保險粉除鐵效果的一個重要因素，結合保險粉的性質及二價鐵離子的存在條件，實驗中用硫酸調節pH值為3.5。

其它條件不變，改變保險粉的用量，分別為1wt.%、2wt.%、3wt.%、4wt.%、5 wt.%時試樣的白度如圖2所示。由圖2可以看出，在初始階段，隨著保險粉用量的增加，試樣的白度提高非常明顯。但是當保險粉用量超過3wt.%以后，試樣的白度隨著保險粉用量的增加開始呈緩慢下降趨勢。因此，保險粉的用量選擇為3wt.%最為合適。

表2　提純劑加入量對試樣白度的影響Tab.2 Effects of the dosage of purifcation agents on iron removing and bleaching of kaolin

圖2　保險粉的用量對白度的影響Fig.2 Effects of the dosage of Na2S2O4on iron removing and bleaching of kaolin

2.3 草酸用量

保險粉除鐵增白過程中的副反應很多，這些副反應不僅要消耗一部分藥劑，而且還會影響產品的白度。另外經保險粉漂白之后的高嶺土如不及時洗滌，還會造成產品的返黃。為了解決保險粉漂白過的高嶺土容易返黃的問題，在漂白操作中加入一定量的草酸，讓鐵離子與草酸結合生成雙草酸絡鐵的螯合離子，此螯合離子是無色的，且能溶于水，可以隨著除鐵漂白高嶺土之后的隨濾液排出。

為了找到草酸用量的合適值，在實驗操作中將其它條件固定，調節草酸的量分別為1wt.%、1.5wt.%、2wt.%、2.5wt.%、3 wt.%，實驗結果如圖3所示。從圖中可以看出，加入草酸可以明顯提高高嶺土的白度。隨著草酸用量的增加，白度也隨之提高；當草酸用量超過1.5wt.%后，白度反而出現降低趨勢。這是因為，適量的草酸有利于保險粉除鐵增白反應的進行，但過量的草酸會改變pH值，進而影響保險粉還原Fe2O3的能力，使高嶺土的Fe2O3含量隨之增加，白度也降低。因此，選擇草酸的用量為1.5wt.%。

2.4 煅燒溫度

結合實驗中所用高嶺土的結構特點，為了得到孔隙率大、活性高的產物，又不至于使燒結太過嚴重，實驗中選用800 ℃的煅燒溫度。此溫度下將進行過還原除鐵及漂洗過濾的樣品在馬弗爐中煅燒2 h，將雜質充分脫除，并進一步提高高嶺土的白度。經過除鐵增白后高嶺土的組成見表3。白度值達到85.7 °。

表3　改性后高嶺土的化學組成分析Tab.3 Chemical composition of the modifed kaolin

3 結 論

（1）為了克服傳統化學除鐵方法的缺點，對試樣進行了提純、低溫焙燒活化、保險粉還原、漂洗與過濾、煅燒除雜，取得了良好的效果。試樣中Fe2O3的質量分數由1.08%降低到0.31%，，白度值由原來的59.3 °提高到了85.7 °。

（2）實驗中選用合適的提純劑，可對高嶺土試樣進行初步除雜，除去大顆粒及較重的雜質，提高后續步驟除鐵的效率。選用配比為2 ： 1（wt.%）的檸檬酸鈉和NaOH組成的提純劑，加入量為0.5wt.%時，效果最好，并使試樣的白度提高了4.1 °。

（3）保險粉用量是影響化學除鐵效果的關鍵因素。保險粉加入量太少不能充分除鐵；加入量太多，一方面增加藥劑成本，另一方面由于保險粉自身的性質還會造成環境污染。保險粉的實際用量遠超過理論量，因為保險粉自身分解和與水的作用。實驗中選用3wt.%的保險粉最為合適。

（4）草酸用量是影響漂白效果的重要因素。用量太少，經還原過的鐵離子不能隨濾液排出，用量太多，會影響保險粉還原Fe2O3的能力及試樣的白度。實驗中選擇的草酸用量為1.5wt.%。

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date: 2016-01-10.Revised date: 2016-03-28.

Correspondent author:DIAO Runli（1981-），female，Master，Lecturer.

E-mail:fengfei5166@163.com

De-ironing and Bleaching Process of Kaolin from Pingdingshan

DΙAO Runli1，LΙU Dandan2
（1.Henan Quality Polytechnic，Pingdingshan 467001，Henan，China；2.Key Laboratory of Ecological Restoration in Hilly Area，Pingdingshan University，Pingdingshan 467000，Henan，China）

Ιn order to overcome the shortcoming of the chemical method of removing iron，refned kaolin was obtained by purifying with sodium citrate and NaOH mixed to 2∶1，de-ironing with Na2S2O4and calcination.The infuences of the dosages of the purifcation agents，Na2S2O4，and oxalic acid，calcination temperature，etc.on the iron removal and bleaching result of Pingdingshan kaolin were investigated.The best iron removal and bleaching solution was discovered.When the concentration of the mineral slurry was 10%，the dosage of the purifcation agents was 0.5wt.%，the dosage of Na2S2O4was 3wt.%，the dosage of oxalic acid was 1.5wt.%，and the calcinations temperature was 800 ℃，the mass fraction of Fe2O3in kaolin dropped from1.08% to 0.31%，and the kaolin whiteness increased from 59.3° to 85.7°.

kaolin；Pingdingshan；iron removal；bleaching

TQ174.4

A

1000-2278（2016）04-0400-04

10.13957/j.cnki.tcxb.2016.04.014

2016-01-10。

2016-03-28。

通信聯系人：刁潤麗（1981-），女，碩士，講師。