丙三醇液相插層制備優(yōu)級煤系高嶺土

杜雅琴，趙建國,?，潘啟亮,，宋 潔，王海青,

（1.山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山西大同037009；2.山西大同大學(xué)炭材料研究所，山西大同037009）

丙三醇液相插層制備優(yōu)級煤系高嶺土

杜雅琴1，趙建國1,2?，潘啟亮1,2，宋 潔2，王海青1,2

（1.山西大同大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，山西大同037009；2.山西大同大學(xué)炭材料研究所，山西大同037009）

以大顆粒的煤系高嶺土礦為原料，丙三醇為插層劑，通過插層空化工藝、濕法球磨、噴霧干燥制備優(yōu)級高嶺土。通描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、X射線衍射(XRD)等對煤系高嶺土產(chǎn)品的微觀形貌結(jié)構(gòu)和成份進(jìn)行分析，采用白度儀測定樣品白度。結(jié)果顯示，所得樣品晶態(tài)好、白度高、細(xì)度小、純度高、顆粒分布均勻，遠(yuǎn)高于優(yōu)級高嶺土的要求。

煤系高嶺土；丙三醇；插層空化法；濕法球磨；噴霧干燥

高嶺土是一種非金屬礦產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)的高嶺土細(xì)膩潔白，呈軟土狀，含雜質(zhì)的高嶺土帶灰、黃、褐等顏色。其化學(xué)式Al2O3·2SiO2·2H2O[1-2]，其中Al2O3占41.2% ，SiO2占48.0%，H2O占10.8%。高嶺土在陶瓷、造紙、顏料、油漆以及石油等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。

高嶺土類礦物屬于1∶1型層狀硅酸鹽，晶體主要由硅氧四面體和鋁氧八面體構(gòu)成[3]。兩層面間氧原子與羥基極性相差較大，容易形成氫鍵，而且氧層與羥基層存在不對稱效應(yīng)，使得層間連接緊密，因此高嶺土不易散開。

煤系高嶺土礦是煤的共伴生礦產(chǎn)，儲量高，但為黑褐色的塊狀礦石,不能直接用于工業(yè)生產(chǎn),必須對其進(jìn)行細(xì)化和煅燒增白處理[4-6]。其中細(xì)化可以通過插層的方法控制[7]。

有機(jī)分子與高嶺土插層時(shí)遵循電子轉(zhuǎn)移，即原有的氫鍵斷開，插層劑與層間羥基或氧產(chǎn)生新的氫鍵。插層劑與高嶺土形成氫鍵時(shí)分為給出質(zhì)子和接受質(zhì)子2種類型。含-NH2-的質(zhì)子給出類型的插層劑，與高嶺土層間的硅氧層產(chǎn)生-NH-OSi氫鍵；含C=O或S=O的質(zhì)子接受類型的物質(zhì)，通過與高嶺土層間的羥基形成-O=C-H-OAl或-O=S-H-OAl氫鍵。這2類氫鍵都很弱，所以有機(jī)分子小分子與高嶺土插層反應(yīng)中間物不穩(wěn)定，水洗、加熱等都會使插層小分子與高嶺土分離，促進(jìn)了高嶺土的細(xì)化。

本論文采用丙三醇作插層劑，通過插層空化工藝、濕法球磨、噴霧干燥對煤系高嶺土礦進(jìn)行處理，經(jīng)過SEM、XRD、EDS、白度儀等方式對樣品的形貌、結(jié)構(gòu)和成份、白度進(jìn)行表征。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

丙三醇(AR，天津市化學(xué)試劑批發(fā)公司)，六偏磷酸鈉(二級，北京化工廠)，煤系高嶺土礦。

FA1104電子天平，F(xiàn)W80高速萬能粉碎機(jī)，GZX-9076數(shù)顯鼓風(fēng)干燥箱，85—2恒溫磁力攪拌器，SM—1200D超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)，YM-6000Y噴霧干燥機(jī)，XQM-04行星式球磨機(jī)，KSY—6D—16馬弗爐，MAIA3 TESCAN高分辨率掃描電鏡，Oxford X-act能譜儀，Bruker D8 Focus X射線粉末衍射儀，WSB-2白度儀，C84-III反射率測定儀。

1.2 材料的制備

將大塊煤系高嶺土礦粉碎成小塊，用FW80高速萬能粉碎機(jī)將其粉碎，用100目的篩子進(jìn)行篩分。

取一定量的丙三醇、40 mL蒸餾水于燒杯中，在恒溫磁力攪拌器上攪拌2 min，制成丙三醇溶液；加入2 g(NaPO3)6、20 g高嶺土礦（100目）繼續(xù)攪拌10 min，得混合液；將制備的混合液放入超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)中進(jìn)行超聲空化處理、使用球磨機(jī)球磨后進(jìn)行噴霧干燥。將上述所得樣品置于馬弗爐中1 000℃，焙燒6 h后得最終產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 山西大同煤系高嶺土的X射線衍射分析(XRD)

從圖1可見，山西大同煤系高嶺土的XRD射線圖譜中，其衍射峰數(shù)目、位置、峰形經(jīng)與高嶺土的標(biāo)準(zhǔn)譜圖卡片（PDF：15-0776)對比，非常接近；這表明經(jīng)過該工藝制備的高嶺土樣品結(jié)晶程度高、所含雜質(zhì)少，為其優(yōu)質(zhì)高嶺土的制備提供了有利的保證。

圖1 煤系高嶺土的XRD圖

2.2 煤系高嶺土的掃描電子顯微鏡 (SEM)分析

圖2中顯示，經(jīng)過該工藝制得樣品顆粒分散均勻，粒度遠(yuǎn)高于優(yōu)質(zhì)高嶺土（90標(biāo)準(zhǔn)）的要求，達(dá)到了納米級別。

圖2 山西大同煤系高嶺土的SEM圖

2.3 能譜表征（EDS）

圖3表明，該工藝制備的高嶺土雜質(zhì)含量極低、純度高。煤系高嶺土區(qū)別于非煤系高嶺土的主要方面是前者在含有大量的結(jié)構(gòu)有機(jī)碳，通過液相插層工藝，在大顆粒高嶺土礦的基礎(chǔ)上打開高嶺土的層狀結(jié)構(gòu)，使處于層中的有機(jī)碳通過進(jìn)行灼燒含量大大的降低，相較于一般的方法，除炭更為徹底。

圖3 煤系高嶺土的EDS圖

2.4 白度測試

采用白度儀測定高嶺土的白度，平行測定5次，得平均值96.4。煤系高嶺土礦為黑色硬質(zhì)礦，純度高，幾乎不含鐵、鈦，但是其結(jié)構(gòu)中的有機(jī)碳極難除去，通過該工藝使其礦中的有機(jī)碳充分燃燒而達(dá)到很好的除雜，使其所得高嶺土白度很高，遠(yuǎn)高于優(yōu)級（90標(biāo)準(zhǔn)）高嶺土的標(biāo)準(zhǔn)，可直接用作優(yōu)質(zhì)原料。

3 結(jié)論

對于煤系高嶺土礦常用的除雜、增白工藝，其除去結(jié)構(gòu)中的有機(jī)碳不徹底，導(dǎo)致高嶺土的純度、白度不高，無法用作造紙、高檔陶瓷、高檔涂料、塑料的優(yōu)質(zhì)原料。本研究在以丙三醇做插層劑，經(jīng)過插層空化工藝、濕法球磨、噴霧干燥工藝后所制備的高嶺土，在原料粒度大的基礎(chǔ)上仍能夠脫碳徹底，形成晶態(tài)好、白度高、細(xì)度小、純度高、顆粒分布均勻達(dá)到優(yōu)質(zhì)原料的要求。

參考文獻(xiàn)

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[3]孫傳堯,印萬忠.關(guān)于硅酸鹽礦物的可浮性與其晶體結(jié)構(gòu)及表面特性關(guān)系的研究[J].礦冶,1998（15）：233-234.

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[5]程宏飛，劉欽甫，赫軍凱，等.機(jī)械--化學(xué)法制備超微細(xì)高嶺土研究[J].煤炭工程，2011（6）：103-106.

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[7]曹青,李洪賀.三種有機(jī)插層劑對高嶺土的改性研究[J].世界科技研究與進(jìn)展,2014（12）：123-125.

Preparation of Premium Grade Coal Kaolin by Liquid-phase Intercalation with Glycerol

DU Ya-qin1,ZHAO Jian-guo1,2?,PAN Qi-liang1,2,SONG Jie2,WANG Hai-qing1,2
(1.School of Chemistry and Environmental Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009;2.Research Institute of Carbon Matericls,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

The kaolinite was prepared through the intercalation cavitation process,wet ball-milling,spray drying using the large particles of coal-based kaolinore as raw material and glycerol as intercalation agent.The microstructure and composition of coal kaolin products were analyzed by electron microscopy(SEM),energy dispersive spectrometer(EDS)and X-ray diffraction(XRD).The shiteness of the sample was measured by a whiteness,small fineness,high purity and uniform distrbution of particles,which much higher than of gorden gade.

coal kaolin;propanetriol;intercalation caviation;wet ball-milling;spray dry

P578.965

A

1674-0874(2017)02-0025-03

〔責(zé)任編輯 楊德兵〕

2017-02-03

山西大同大學(xué)校級青年科研項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)[2015Q7]；大同市科技公關(guān)項(xiàng)目[2015Q24]

杜雅琴（1971-）女，山西應(yīng)縣人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：納米陶瓷材料的制備及應(yīng)用；?趙建國，男，教授，博士生導(dǎo)師，通信作者。