山東昌樂鈉基膨潤土提純實驗研究

韋能，徐勇強，楊勇，何亞群

（中國礦業大學化工學院，江蘇 徐州 221116）

膨潤土是以蒙脫石為主要成分的黏土巖，主要雜質有：黏土礦物，如伊利石、綠泥石、高嶺石等；非金屬礦物，如石英、長石、沸石、硫酸鹽、碳酸鹽等；此外，還有極少量的金屬硫化物或氧化物礦物，如黃鐵礦、褐鐵礦、磁鐵礦、金紅石等。由于膨潤土具有膨脹性、吸水性、分散性、陽離子交換性及潤滑性等性能，膨潤土及各種改性產品被廣泛應用于冶金球團、鑄造型砂粘合劑、造紙等領域[1]。

總體上，膨潤土的提純方法可分為濕法和干法兩類。其中濕法提純適用于蒙脫石含量小于80%的膨潤土，而干法提純常用于分選蒙脫石含量大于80%的膨潤土[2]。楊有學[3]通過在水介質中對膨潤土進行四級分選提純，證明在水介質中對膨潤土進行分選是可行的。羅太安等[4]研究了礦漿質量分數、制漿時間、分散劑用量等因素對膨潤土提純效果的影響，結果表明，在礦漿質量分數為15%, 攪拌時間為 2 h, 六偏磷酸鈉為0.2%的條件下，提純效果得到很大改善。侯云丹等[5]采用濕法提純工藝，研究了液固比、離心轉速、離心時間及溫度對膨潤土提純效果的影響，發現在液固比為12，離心機轉速為2500 r/min，離心時間為9 min，溫度為40℃時，膨潤土的提純效果較好。王福衛等[6]采用不同提純工藝對廣西賓陽膨潤土進行提純，發現自然沉降法耗時長，提純效果不佳；超聲波提純耗時最短，提純效果較好；水力旋流器法提純效果低于超聲波提純，但提純量較高。徐穎等[7]基于濕法提純工藝，對柯爾堿膨潤土進行提純，得出當固液比為1 : 12，離心轉速為1200 r/min，離心時間為5 min時，提純效果顯著。王志強等[8]對天然鈉基膨潤土進行干法提純，提純后的膨潤土各項指標均達到膨潤土防水毯產品的要求。

本文以山東昌樂某礦膨潤土為實驗物料，借助SEM、XRD和XRF等現代分析儀器，對其進行礦物學特性分析。基于濕法提純工藝，探索了在自然沉降法下，分散劑種類、分散劑用量、分散時間、沉降時間對提純效果的影響，并嘗試自然沉降與離心沉降相結合的實驗方法，探索了先自然沉降后離心沉降的“一精一粗”分離提純工藝。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

本實驗采用的膨潤土取自山東昌樂某礦，其主要的物理性質見表1。

表1 膨潤土的主要物理性質Table 1 Main physical properties of bentonite

表中膠質價是指膨潤土與水按比例混合，加適量氧化鎂后所形成凝膠體的體積，與膨潤土的水化程度及膠體性能有關。膨脹容是指膨潤土與鹽酸溶液混合后，膨脹所占據的體積。膨脹容體現膨潤土的粘結性、保水性、流變特性等。

由表1可見，該膨潤土水分為14.64%，膠質價及膨脹容均滿足市場要求，但吸藍量較低，即其中有價成分蒙脫石的含量較低，因此需要對此膨潤土進行提純以滿足膨潤土加工產品的應用需求[9]。

1.2 分析儀器

采用美國FEI掃描電子顯微鏡Quanta 250測試膨潤土的表面形貌，測試條件為：高真空背散射模式，加速電壓25 kV，工作距離為11-14 mm。采用德國布魯克X射線衍射儀D8 Advance XRD 測試膨潤土的結構參數，測試條件：電壓為40 kV，電流為30 mA，掃描速度為0.1 sec/step，采樣間隔為：0.019450（step）。采用德國布魯克X射線熒光光譜儀S8 TIGER測試膨潤土組分含量，主要技術參數：順序掃描式；功率4 kw，最大電壓60 kv，最大電流170 mA；元素檢測范圍為Be(4) ~ U(92)；檢出限為10-6~ 100%。

1.3 實驗方法

自然沉降：取一定量膨潤土，加入去離子水配成一定濃度的礦漿，在磁力攪拌器下攪拌10 min，加入一定量的分散劑，分散、自然沉降一定時間，順序倒出輕重產物，分別烘干稱重，烘干后的樣品研磨至-0.074 mm測定吸藍量。

離心沉降：將輕產物倒入離心機中，在離心機中以一定離心轉速下離心一段時間，順序倒出輕重產物，分別烘干稱重，烘干后的樣品研磨至200網目以下測定吸藍量。

吸藍量的測定過程采用GB/T 20973-2007《膨潤土》中的相關要求。

2 結果與分析

2.1 SEM分析

取已在(105±3)℃烘干3 h的膨潤土試樣，將其研磨篩分為-0.125+0.074 mm、-0.074+0.045 mm和-0.045 mm三個粒級。隨后利用酚醛樹脂對樣品進行固化拋光處理。圖1為三個粒級樣品的SEM背散射照片。

圖1 膨潤土各粒級SEM背散射照片Fig.1 SEM backscattered photographs of each particle size of bentonite

由圖1可知，各粒級都有明顯的襯度區別，亮白色顆粒代表具有高原子序數的脈石礦物，暗黑色顆粒則為膨潤土礦物。在-0.125+0.074 mm的粒度范圍內，已經存在較多單體解離的脈石顆粒，說明原礦研磨至0.125 mm時就能達到單體解離要求。圖1-(a)中脈石顆粒粒度為300 μm左右，(b)中脈石顆粒粒度約為100 μm，(c)中脈石顆粒粒度約50 μm，繼續研磨會導致膨潤土中蒙脫石和脈石的同步破碎，且增加了分選過程中的能量消耗。另較粗脈石的嵌布形式為包裹狀，通過剝離作用能針對性的解離出目的礦石，較容易脫除；而呈星散狀浸染分布的脈石顆粒，其粒度較細，約為-2 μm，難以脫除，且在水介質中細粒脈石易罩蓋在粗顆粒蒙脫石上，增加了膨潤土提純的難度。

2.2 XRD分析

該膨潤土的X射線衍射見圖2。

圖2 膨潤土X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diあraction pattern of bentonite

由圖2可知，該膨潤土的主要物質為蒙脫石，其2θ值在3.2°附近；主要雜質為低溫型石英（2θ為20.8°）、多硅鋰云母（2θ為8.9°）等，提純實驗的主要目的是脫除這些雜質礦物。該蒙脫石的d001值為，根據相關文獻描述[10]，d001值在屬于鈉基膨潤土。

2.3 XRF分析

為進一步探索礦石的綜合性質，對該膨潤土進行XRF含量分析，結果見表2。

表2 膨潤土X射線熒光光譜分析結果/%Table 2 X-ray fluorescence analysis results of bentonite

蒙脫石的理論分子式為[Si8AL4O20(OH)4·n H2O]，理論化學組成為：SiO2含量為66.7%，Al2O3含量為28.3%，H2O含量為5.0%。由表2可知，膨潤土化學成分以SiO2、Al2O3為主，其含量分別50.72%和19.45%；Fe2O3含量為10.17%，Na2O、CaO、K2O的含量較少；SiO2/ Al2O3質量比值為2.60，雖與理論值（2.36）較為接近，但由于存在低溫石英等雜質，導致純蒙脫石形態的SiO2含量偏低，需對膨潤土進行提純處理，提高蒙脫石含量。

2.4 分選提純

2.4.1 分散劑種類實驗

分別稱取三份50 g膨潤土配成礦漿濃度為15%的溶液，在分散過程中分別加入0.2%分散劑（焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉），同時設置無分散劑的對照組，分散10 min，自然沉降3.5 h。根據上述方法分選出膨潤土精礦和尾礦，其結果見表3。

表3 分散劑種類對提純效果的影響Table 3 Eあect of the type of dispersant on the purification

由表3可知，不添加分散劑時基本沒有提純效果；使用焦磷酸鈉作為分散劑的膨潤土精礦有較高的蒙脫石含量，但其產率僅為56.26%。自然沉降對膨潤土的提純效果不理想，可能原因有：分散時間不足，礦漿得不到充分分散；沉降時間過長，使懸浮在溶液中的蒙脫石也沉入尾礦；僅受重力加速度作用的自然沉降法提純難以去除粒度較細的雜質。

2.4.2 膨潤土提純正交實驗

為探究自然沉降法提純的較佳條件，選取影響蒙脫石含量的三個因素即分散劑用量、分散時間和沉降時間作為實驗因素，每個因素選擇3個水平，用L9(34)正交表進行實驗設計，因素水平見表4。

表4 正交實驗因素水平Table 4 Factors of orthogonal test

根據表5可知，沉降時間對精礦蒙脫石含量影響最大，三個因素對結果的影響強度的排序為：沉降時間>分散劑用量>分散時間，較佳水平組合為分散劑用量0.6%，分散時間為2.5 h，沉降時間為4 h。由表6可知，三個因素對實驗結果均無顯著性影響，沒有統計學意義，因素水平間可自由組合，但相對來說A1B3C3的組合較好。

表6 方差分析Table 6 Analysis of variance

2.4.3 自然沉降與離心沉降聯合提純實驗

自然沉降耗時長，且難以脫除細粒雜質，在特定時間內難以獲得較高蒙脫石含量的膨潤土精礦，因此考慮在提純工藝中加入離心沉降環節來加速提純效率。通過自然沉降粗選得到膨潤土粗精產品，粗精產品再經過離心提純精選得到膨潤土精礦和尾礦，即“一精一粗”的提純工藝。選用正交實驗中產率最高實驗條件作為聯合提純實驗中自然沉降實驗的條件，即：分散劑用量為0.4%、分散時間2.5 h、沉降時間2 h。

稱取4份20 g膨潤土，分別加入180 g去離子水制成2份濃度為10%的礦漿，加入0.4%焦磷酸鈉分散2.5 h，自然沉降2.5 h，將自然沉降的輕產物放入離心機中，設定離心轉速（1組：1000 r/min；2組：1500 r/min），離心時間（1組：3 min；2組：5 min），根據上述方法分選出膨潤土精礦和尾礦，其結果見表7。

表7 膨潤土離心提純實驗結果Table 7 Centrifugal purification test results of bentonite

由表7可知，兩組實驗中精礦蒙脫石品位均提升了10% ~ 11%，且隨著離心機轉速和離心時間的增加，提純效果有所增加。

3 提純結果分析

雖然膨潤土原礦在破碎至-0.125 mm時，已經解離出部分脈石顆粒，但仍有大量呈星散狀嵌布的細粒脈石顆粒保留在膨潤土顆粒內部，而分散劑的作用能夠有效地促進膨潤土顆粒的分散，促進了膨潤土顆粒和脈石顆粒的解離，繼而提純效果有所增加。另一方面XRD和XRF的分析結果顯示，脈石顆粒的主要成分是石英和云母，其密度與蒙脫石的密度較為接近，因此僅在重力作用的條件下，很難在有限的分選時間內實現膨潤土的高效分離提純。本實驗探索了離心力場對膨潤土提純效果的影響。結果表明，離心分選能有效提高精礦產品中的蒙脫石含量，在保證產率相似的前提下，蒙脫石品位較自然沉降提高了10%左右。針對本實驗膨潤土，提出“一精一粗”的提純工藝，見圖3所示，即通過先自然沉降后離心沉降的聯合工藝，最大程度上實現了膨潤土中粗、細粒脈石顆粒的脫除。

圖3 “一粗一精”工藝流程Fig.3 “One roughing one cleaning” process

4 結 論

本文采用SEM、XRD及XRF分析膨潤土的礦物學特性，探索分散劑種類、分散劑用量、分散時間、沉降時間對提純效果的影響，探究了先自然沉降后離心沉降提純工藝的提純效果，得到以下主要結論：

（1）添加分散劑可以增加膨潤土的提純效果，且焦磷酸鈉作為分散劑時膨潤土具有較高的蒙脫石含量；

（2）以焦磷酸鈉為分散劑，當用量為0.6%，分散時間為2.5 h，沉降時間為4 h時，自然沉降效率較優；

（3）采用自然沉降+離心沉降的聯合工藝對膨潤土進行提純，在不降低蒙脫石產率的條件下，蒙脫石品位提高10% ~ 11%。