【原创】高岭土:远离“铁”哥们,变身“白”富美


来源:中国粉体网   黑金

[导读]  高岭土具有特殊的理化性能,是陶瓷、造纸、橡胶、塑料、耐火材料及石油精炼等工业及农业和国防尖端技术领域不可缺少的非金属矿产资源。而高岭土白度是决定其应用价值的重要指标。

中国粉体网讯  高岭土具有特殊的理化性能,是陶瓷、造纸、橡胶、塑料、耐火材料及石油精炼等工业及农业和国防尖端技术领域不可缺少的非金属矿产资源。而高岭土白度是决定其应用价值的重要指标。


高岭土白度影响因素


高岭土是一种以高岭石族矿物为主要成分的细粒黏土或黏土岩,晶体化学式为2SiO2·Al2O3·2H2O,少量的非黏土矿物为石英长石、铁矿物、钛、铝的氢氧化物及氧化物、有机质等。



高岭土晶体结构


根据高岭土中的杂质状态和性质,引起高岭土的白度降低的杂质可分为三类:有机炭;色素元素,如Fe,Ti,V,Cr,Cu,Mn等;暗色矿物,如黑云母、绿泥石等。通常情况下,高岭土的V,Cr,Cu,Mn等等元素含量很少,对于白度影响不大。铁、钛的矿物成分与含量才是影响高岭土白度的主因。它们的存在,不仅仅会影响到高岭土的自然白度,同时还影响其煅烧白度。尤其是氧化铁的存在对粘土颜色有不利影响,并降低其亮度和耐火性。且即使氧化铁的氧化物、氢氧化物和水合氧化物的量为0.4%,也足以赋予粘土沉积物红色至黄色的着色。这些氧化铁、氢氧化物可以是赤铁矿(红色)、磁赤铁矿(红棕色)、针铁矿(棕黄色)、鳞铁矿(橙色)、水合氧化铁(棕红色)等。可以说高岭土当中铁杂质去除对高岭土的更好使用占有极其重要的作用。


铁元素赋存状态


高岭土中铁元素的赋存状态是决定除铁方法的主要因素。大量研究认为:以微细颗粒存在的晶态铁夹杂于高岭土中,而非晶态铁则包覆于高岭土细粒表面。目前,国内外将铁元素在高岭土中的赋存状态分为两种:一种是存在于高岭石和副矿物中(如云母、钛白矿和伊利石),称为结构铁;另一种是以独立的铁矿物形式存在,称为自由铁(包括表面铁、细粒晶质铁和非晶质铁)。


高岭土除铁增白除去的铁为自由铁,主要包括磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、黄铁矿、钛铁矿和黄钾铁矾等矿物;多数铁以高度分散的胶状褐铁矿形式存在,少量的以球状、针状和不规则形的针铁矿及赤铁矿形式存在。


高岭土除铁增白方法


水选法


此种方法主要去掉石英、长石、云母等碎屑矿物和岩屑等较粗粒的杂质,同时也可除去部分铁钛矿物。对密度和溶解度与高岭土相似的杂质矿物无法去除,白度提高相对不是很明显,适合于较为优质的高岭土矿的选矿增白。


磁选法


高岭土中铁矿物杂质通常为弱磁性,目前主要采用高梯度强磁选法,或者将弱磁性矿物焙烧后转变成强磁性氧化铁,再采用普通磁选法除去。


浮选法


浮选法已应用于处理来自原生和次生矿床的高岭土。在浮选过程中,高岭石和云母颗粒被分离,所得提纯物是几种合适的工业级原料。高岭石和长石的选择性浮选分离通常在控制酸碱度的水浆中进行。


还原法


还原法是采用还原剂将高岭土中处于三价态不溶的铁杂质(如赤、褐铁矿)还原成可溶的二价态铁离子,经过滤、洗涤除去。从工业高岭土中去除Fe3+杂质通常是通过在酸性或还原条件下利用物理技术(磁分离、选择性絮凝)与化学处理相结合来实现的。


亚硫酸氢钠(Na2S2O4),也称连二亚硫酸钠、保险粉,从高岭土中还原浸出铁是有效的,目前在高岭土工业中得到应用。但这种方法必须在强酸性条件下进行(酸碱度<3),导致高运行成本和环境影响。此外,保险粉化学性质不稳定,需要特殊而昂贵的储存和运输安排。


二氧化硫脲((NH2)2CO2,TD)是一种强还原剂,具有还原能力强、环境友好、分解率低、安全和批量生产成本低等优点。高岭土中的不溶性Fe3+可以通过TD还原为可溶性Fe2+。随后,经过过滤和洗涤过程,高岭土的白度可以增加。TD在室温和中性条件下非常稳定。TD的强还原能力只能在强碱性(pH>10)或加热(T>70°C)条件下才能获得,导致运行成本和操作难度较高。


氧化法


氧化处理包括使用臭氧、过氧化氢、高锰酸钾和次氯酸钠,用于去除吸附的碳层,以提高白度。在较厚覆盖层下更深的地方出现的高岭土呈灰色,高岭土中的铁处于还原状态。利用臭氧或次氯酸钠等强氧化性剂将黄铁矿中的不可溶FeS2氧化为可溶的Fe2+,之后再水洗将Fe2+从体系中除去。


酸浸法


酸浸法是将高岭土中的不溶铁杂质在酸性溶液(盐酸、硫酸、草酸等)中转化成可溶物,从而实现与高岭土的分离。与其他有机酸相比,草酸因其酸强度、良好的络合特性和高还原能力而被认为是最有前途的。使用草酸,溶解的铁可以以草酸亚铁的形式从浸出液中沉淀出来,可以通过煅烧进一步再加工形成纯赤铁矿。草酸可以廉价地从其他工业过程获得,并且在陶瓷制造的烧制阶段,处理过的材料中任何残留的草酸盐都将分解成二氧化碳。许多研究人员研究了使用草酸溶解氧化铁的结果。


高温煅烧法


煅烧是生产特殊等级高岭土产品的过程。根据处理温度,生产两种不同等级的煅烧高岭土。在650-700℃的温度范围内煅烧去除了结构羟基,逸出的水蒸气,使得高岭土的弹性和不透明度增强,这是纸张涂布应用的理想属性。另外,通过在1000-1050℃下加热高岭土,既可以增加研磨性,也可以获得92-95%的白度。


氯化煅烧法


用氯化法从粘土矿物,特别是高岭土中除去铁和钛,取得了很好的效果。在氯化煅烧的过程中,使用高温(700℃-1000℃)此时高岭石已经发生脱羟基作用,生成偏高岭石,在更高的温度下,生成尖晶石和莫来石相。这些转变通过烧结增加了颗粒的疏水性、硬度和尺寸。如此处理的矿物可用于许多行业,如纸张、聚氯乙烯、橡胶、塑料、粘合剂、抛光和牙膏,其中较高的疏水性使这些矿物与有机体系更相容。


微生物法


矿物的微生物提纯加工技术是一个比较新的矿物加工课题,包括微生物浸出技术和微生物浮选技术。矿物的微生物浸出技术是利用微生物与矿物之间的深度作用,是矿物晶格破坏,从而使有用组分溶解出来的一门提取技术。高岭土中含有的氧化黄铁矿及其他硫化矿就可以利用微生物提出技术进行提纯加工。常用的微生物有氧化亚铁硫杆菌和铁还原杆菌等。微生物法成本低,环境污染小不会影响高岭土的物理化学性质,是高岭土矿的一种具有发展前景的新的提纯增白方法。


小结


高岭土的除铁增白处理需要针对不同的致色原因、不同应用目标来选择最优的方法,提高高岭土矿物的白度综合性能,使其具有较高的使用价值和经济价值。对于未来的发展趋势应该是结合化学法、物理法、微生物法各自的特点,将其有机地结合起来,既发挥各自的优势,同时抑制各自的劣势与不足,从而取得更加优异的增白效果。同时,还需要进一步研究各种除杂方法的新机理,改进工艺,使高岭土除铁增白向着绿色、高效、低碳的方向发展。


参考资料:

刁会鹏.高岭土增白工艺及综合利用探究

郭春雷等.高岭土除铁增白研究进展

丁铸等.黏土矿物增白技术的研究进展

王明俊.高岭土矿选矿加工方法概述


(中国粉体网编辑整理/黑金)

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