煤系高嶺土煅燒與微生物提質試驗研究

閆 爽，劉世峰，王冬旭

(遼寧工程技術大學礦業學院，阜新 123000)

0 引 言

隨著礦產資源的開發與利用，優質的高嶺土資源已經日趨減少，我國大多數地區的高嶺土質量優良的少、拙劣的多，已無法達到高嶺土生產質量的要求，所以開發利用質量較差的煤系高嶺土勢在必行[1-3]。我國擁有豐富的煤系高嶺土資源，探明儲量16.73億噸，開發應用價值極高，而高嶺土的白度和含鐵量是決定其應用價值的重要指標之一，碳、鐵雜質通常使其著色，影響其白度和其他性能[4-7]。本試驗擬對遼寧凌源煤系高嶺土中的鐵賦存形式進行分析，先采取煅燒的方法去除碳質，再利用生物方法去除鐵雜質并進行正交試驗分析影響除鐵的因素，尋求最優去除方案。

1 成分分析

1.1 礦物組成分析

首先將遼寧凌源煤系高嶺土磨礦至-325目，再采用布魯克AXS公司的D8型X射線衍射儀對礦物進行測試分析。工作電壓40 kV，工作電流40 mA，輻射源為Cu Kα射線，掃描速度0.04°/s，衍射角5°～80°，測試結果如圖1所示。

從圖1中可見高嶺石的基面強衍射峰，也可見其他的特征峰，所以礦石中的主要礦物為高嶺石族礦物，雜質主要為赤鐵礦和碳質，由于碳質的存在，導致礦物的顏色為煤黑色，針對存在的碳質采用煅燒的方法將其除去；而鐵雜質也是影響其白度的主要因素，故尋求有效的去除方法顯得尤為重要。

1.2 電子顯微鏡分析

分析之前，在樣品上涂了金，隨后在JSM-7500F型掃描電子顯微鏡下進行分析，加速電壓5 kV，分別放大2 000倍、5 000倍、10 000倍和20 000倍，如圖2所示。

從圖(b)、圖(c)中可以清晰看出原礦中主要以層片狀的高嶺石為主，表面凹凸不平，顆粒較細且粒度大小不等，并且結構致密，顆粒團聚的現象也比較明顯，高嶺石周圍也緊密伴生著其它細粒級礦物[8]，主要粒度集中在1～20 μm之間，同時高嶺石的表面也摻雜著一些碳質，使其表面顏色加深，而鐵雜質則存在于高嶺石的晶格結構中。

圖2 原礦SEM照片Fig.2 SEM images of raw ore

2 實 驗

2.1 煅燒除碳試驗

煤系高嶺土的煅燒主要是為了脫除有機碳質，從而提高產品的白度，同時高嶺土經過煅燒也可以提高其化學活性以及孔隙率。煅燒溫度、恒溫時間、升溫時間是影響高嶺土煅燒的主要因素，試驗對以上三個主要因素進行探究。

2.1.1 煅燒溫度對煅燒白度的影響

對原礦進行煅燒試驗，煅燒設備采用馬弗爐，在溫度為105 ℃時將2 g煤系高嶺土放入馬弗爐中，升溫時間3 h，恒溫時間2.5 h，煅燒溫度設置8個水平，750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃，試驗結果如表1所示。

表1 不同煅燒溫度試驗結果Table 1 Test results of different calcination temperatures

由表1可知，隨著煅燒溫度的增加，煅燒白度逐漸增加，當煅燒溫度為1 000 ℃時，煅燒白度達到最高的87.57%，隨著溫度繼續升高，白度開始下降。分析是隨著溫度的升高，煤系高嶺土中的有機碳質分解的更加徹底，所以白度逐漸增加，當有機碳質分解完全以后繼續升高溫度，原料中的鐵雜質在煅燒的過程中被氧化致使白度下降，呈現紅白色，雖然當煅燒溫度在1 000 ℃煅燒白度達到最高，但此溫度下煅燒高嶺土不易控制，容易形成莫來石，故選擇煅燒溫度950 ℃較為適宜，在此溫度條件下，煅燒白度可達86.66%。

2.1.2 恒溫時間對煅燒白度的影響

為了確定恒溫時間對煅燒白度的影響，在溫度為105 ℃時將2 g煤系高嶺土放入馬弗爐中，升溫時間3 h，煅燒溫度為950 ℃，恒溫時間設置6個水平，1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h試驗結果如表2所示。

表2 不同恒溫時間試驗結果Table 2 Test results of different constant temperature time

由表2可知，隨著恒溫時間的增加，煅燒白度逐漸增加，當恒溫時間為1 h時，煅燒白度較低為65.54%，說明恒溫時間較短，煤系高嶺土中的有機碳質還未完全分解，導致白度較低，當恒溫時間為2.5 h時，煅燒白度為86.55%，繼續增加恒溫時間，煅燒白度基本不發生變化，說明當恒溫時間為2.5 h時，有機碳質已完全揮發，故確定恒溫時間為2.5 h。

2.1.3 升溫時間對煅燒白度的影響

為了確定升溫時間對煅燒白度的影響，在溫度為105 ℃時將2 g煤系高嶺土放入馬弗爐中，煅燒溫度為950 ℃，恒溫時間2.5 h，升溫時間設置4個水平，1 h、2 h、3 h、4 h試驗結果如表3所示。

表3 不同升溫時間試驗結果Table 3 Test results of different heating time

由表3可知，升溫時間較煅燒溫度及恒溫時間對煤系高嶺土的煅燒影響較小，其中隨著升溫時間的增加，煅燒白度逐漸增加，當升溫時間為1 h時，煅燒白度為73.47%，說明升溫速率過快，脫羥脫碳不夠徹底，當升溫時間為3 h時，煅燒白度為86.58%，繼續增加恒溫時間，煅燒白度變化微小，故確定升溫時間為3 h。

2.2 生物除鐵試驗

黑曲霉是曲霉真菌屬中一個常見的菌種，是重要的發酵工業菌種，黑曲霉的生長會分泌產生有機混合酸，其中包括草酸、檸檬酸、葡萄糖酸、五倍子酸等，這種酸具有裂解大分子有機物和難溶無機物的作用，本試驗擬利用這種混合酸浸出煅燒后的煤系高嶺土中的鐵雜質。

2.2.1 正交試驗設計

試驗所用黑曲霉菌種由東北師范大學生命科學學院提供。原始菌種接種到PDA液體培養基后置于28 ℃，120 r/min恒溫震蕩箱中，培養5 d，培養完成后，過濾，濾出的即為混合酸并備用于后續試驗。確定正交試驗考察的因素為：反應時間、初始pH值、礦漿濃度、保險粉用量。考察范圍分別為：反應時間4～6 d、初始pH值1.5～2.5、礦漿濃度5%～15%、保險粉用量2%～4%?？疾熘笜藶镕e浸出率。

試驗選取4個因素，每個因素取三水平，因素水平編碼見表4。

表4 試驗因素水平編碼表Table 4 Experimental factor level coding table

2.2.2 正交試驗結果分析

采用L9(34)正交表形式，共9組試驗，每組重復3次，試驗結果如表5所示。

表5 正交試驗結果分析表Table 5 Analysis table of orthogonal test results

對表5中的數據進行分析后得知：

(1)在A3B2C1D2的條件下，即反應時間為6 d、初始pH值為2.0、礦漿濃度為5%、保險粉用量為3%時可使Fe浸出率達到最佳，為53.5%，并且測得其的白度為89.25%，較浸出前的白度試驗效果顯著。

(2)各因素對Fe浸出率影響大小順序不同，影響順序為：初始pH值>保險粉用量>礦漿濃度>反應時間。初始pH值對Fe的浸出效果影響最大，當pH值<2時，會過量消耗保險粉的用量，從一定程度上抑制了與Fe的反應，而當pH值>2時，會使還原反應進行的不夠完全，無法達到最佳值；保險粉的用量也會從一定程度上影響Fe的浸出效果，當用量低于3%時，不能使Fe3+完全還原，而當用量高于3%時，一部分會與Fe3+還原，多余的部分會被氧化分解影響試驗效果；礦漿濃度越高，無法全部與混合酸充分反應，從而使Fe浸出率下降；反應時間對Fe浸出率影響效果最小。

3 結 論

煅燒能夠有效去除有機碳質，在煅燒溫度950 ℃、恒溫時間2.5 h、升溫時間3 h的條件下煤系高嶺土的煅燒白度可達86.66%；黑曲霉所產出的混合酸能夠有效去除鐵雜質，通過正交試驗確定最佳條件為，反應時間為6 d、初始pH值為2.0、礦漿濃度為5%、保險粉用量為3%時可使Fe浸出率達到最佳為53.5%，測得其的白度為89.25%，較煅燒后增加了3%，符合高級煅燒高嶺土的質量要求。