膨润土除铁增白工艺初探

经怀德 袁孝友

1. 安徽大学化学化工学院 安徽合肥 230039

2.六安市第一中学,安徽六安237004

膨润土除铁增白工艺初探

经怀德1，2袁孝友1

1. 安徽大学化学化工学院 安徽合肥 230039

2.六安市第一中学,安徽六安237004

本文以安徽某地的膨润土为研究对象,通过还原法除去原土中所含的铁元素，并研究了漂白时矿浆的pH值、还原剂的用量、反应温度、还原剂的添加次数和反应时间对膨润土除铁效果的影响。

膨润土;除铁;增白

膨润土是以蒙脱石矿物为主要成分的一种黏土矿。在膨润土矿物中往往伴生一些暗色矿物及蒙脱石颗粒表面吸附一些色素离子,影响原矿及产品的白度,限制了产品的应用范围。据统计,我国90%以上的膨润土产品均含有着色矿物铁等,产品白度低,仅限铸造、钻井造浆、冶金球团及油脂脱色等行业应用,产品附加值低，而科技含量高的应用领域对产品白度有严格要求,产品白度已成为膨润土加工业调整产品结构、拓展市场的主要障碍。因此开展相关的除杂增白研究,引起广大学者的关注。

由于膨润土的结构特点，煅烧只能除去其中的有机质，对提高白度意义不大。所以利用膨润土本身的分散性及吸附的色素离子的物化特性,用特定的化学试剂与其反应,通过漂洗、过滤、除去色素离子是一条可行的途径。本文以安徽某地含三价铁及其氧化物的淡黄色膨润土为实验对象,并就利用Na2SO3除铁的工艺条件进行探究。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

1.1.1 试剂：膨润土样品、Na2SO3、Na2CO3、H2C2O4、Na2C2O4。

1.1.2 仪器：玻璃棒、胶头滴管、烧杯、漏斗若干，电子分析天平、电动搅拌机、电热恒温水浴锅、精密pH计、干燥箱、白度仪等。

1.2 实验原理及工艺流程

膨润土中的铁元素一般以Fe3+离子及氧化物和二价铁的水合物形式存在,不溶于水,也不溶于稀酸。但如在料浆(膨润土与水的混合物)中加入适量的Na2SO3,则Na2SO3就能直接与膨润土中的三价铁及其氧化物起反应,把三价铁还原成能溶于水的Fe2+离子,再经过滤、滤洗将料浆中的Fe2+滤去,以达到除铁增白的目的。

具体的实验方案：首先将原土按比例与一定量的水混合搅拌制成浆料，然后加入由Na2CO3、H2C2O4、和Na2C2O4三种物质按一定比例配成的混合溶液调节浆料的pH值，并用电动搅拌器搅拌，控制好反应时间，再加与调过pH值的浆料发生氧化还原最后通过电动离心机分离，过滤沉淀，并用水漂洗，在电热真空干燥箱内烘干，测量成品白度，对实验结果进行分析。

工艺流程如下所示：

原土→制浆→调pH值→加还原剂反应→离心分离→过滤→漂洗→烘干

2 实验结果及讨论

影响除铁效果的因素有很多，如原土本身的特征、温度、药剂用量、矿浆浓度、漂白时间、搅拌强度等。由于各地膨润土影响白度的杂质矿物和因素各不相同，因此不同产地的膨润土必须根据其特性，采取不同的漂白工艺。利用亚硫酸钠来对膨润土还原漂白的过程，就是将样品中的氧化铁还原成氧化亚铁，同时除去部分氧化亚铁，提高样品的白度的过程。在除铁的过程中除主反应外还伴有各种副反应。因此，具体做探究实验时，除从平衡观点判断反应进行的可能程度外，更重要的是在不同条件下考察其本身的氧化还原特性，以便确定较佳的反应条件。为了研究单因素对漂白效果的影响，在实验中固定影响漂白效果的其他因素，分别调节此单因素进行实验。

2.1 温度对除铁效果的影响

将一定质量的原土在干燥箱中以120℃烘2小时，然后分别称取20g样品四份，按照水和原土干粉的液固比为5：1进行配浆，编号分别为Ⅰ～Ⅳ，电动搅拌机按120转/分搅拌30分钟，利用电热恒温水浴锅使矿浆温度控制在20℃、30℃、40℃和50℃之间变化，浆料的pH值保持在6～8，还原剂用量1g，添加次数为2次，漂白30分钟，除反应温度改变外，其余参数均不变，最后测其各个样品的白度，实验结果见图1：

图1 温度对除铁效果的影响

从图看出温度对漂白也有明显影响，随着温度的升高，膨润土的白度提高的趋势很明显，可能因为在常温下Fe2O3的化学活性较低、溶解在水内的氧对Fe2+起氧化副作用,在膨润土的吸附层外有气膜降低了还原剂与Fe2O3的反应几率，随温度的升高,Fe2O3的化学活性在提高,相对地降低了范德华力及内聚力,同时溶解于水中的氧及气膜在逐渐逸出、消失,增大了还原剂与Fe2O3的反应几率。

虽然较高温度可提高漂白剂在水溶剂中的反应速度，提高白度，但温度过高要消耗热能，同时还原剂分解速度过快，导致氧化还原反应进行的并不充分，除铁效果并不是很好，通过几组对比实验发现，此样品反应温度控制在最好在45℃左右比较好。

2.2 pH值对除铁效果的影响

研究矿浆的pH值对漂白效果的影响时，在实验中固定矿浆浓度、漂白剂的用量、漂白温度、漂白时间，分别调节矿浆的值，使矿浆的pH值在3～12之间变化，进行实验。固定液固比为5：1，还原剂用量1g，添加次数为2次，漂白温度在45℃，漂白30分钟。实验结果见图2：

图2 pH值对除铁效果的影响

图结果表明，pH值在8左右时，白度高，除铁效果最佳。原因可能有以下几点，第一点，我们知道在非氧化稀酸中,Fe主要被氧化为Fe2+而非Fe3+。即:Fe+2H+﹦Fe2++H2↑，但在酸性介质中,Fe2+不稳定,易被空气中氧气所化: Fe3++e-＝Fe2+4Fe2++O2+4H+＝4Fe3++2H2O由此可见,酸性介质中铁最稳定的离子是Fe3+离子而非Fe2+离子,在酸性条件下除铁效果没有在碱性条件下好。第二点，Na2SO3作为还原剂, 在酸性条件下容易酸解，放出SO2气体,降低了其还原能力，因此反应环境应保持碱性。第三点，虽然在碱性介质中反应，但碱性不宜过强，浆液中加入Na2SO3将Fe3+还原为Fe2+,Fe2+几乎全部以Fe(OH)2的形式沉淀下来与浆液混在一起,很难将其与浆分开,以致影响除铁效果。为此要加稀硫酸调节酸度使Fe(OH)2转化为溶于水的Fe2+,过滤除去。

2.3 还原剂的添加次数对除铁效果的影响

研究还原剂的添加次数对除铁效果的影响时，在实验中固定矿浆浓度、矿浆的pH值、还原剂的用量、漂白温度和漂白时间，分别将漂白剂的用量分为1次、2次、3次和4次进行添加。固定液固比为5：1，矿浆的pH值在8～9，漂白剂用量为1g，漂白温度控制在45℃，漂白时间30分钟。实验结果见图3：

图3 还原剂的添加次数对除铁效果的影响

由图看出定量的还原剂在添加次数增加的情况下，膨润土白度整个提高的趋势比较明显。因为在溶液中分解速度较快，尤其在温度较高和酸性环境中，一次添加因受还原反应速度的限制，部分还原剂来不及反应而分解失效，导致利用率下降。分批添加较好地解决了上述问题。实验表明，分次添加（用量相同时）漂白剂，可明显提高利用率，增强除铁效果。

2.4 反应时间对除铁效果的影响

研究反应时间对除铁效果的影响时，在实验中固定矿浆浓度、矿浆的pH值、漂白剂的用量、反应温度和还原剂的添加次数，分别将反应时间控制在20分钟、35分钟、50分钟和65分钟。固定液固比为矿浆的值在8～9，还原剂用量为1g，反应温度在控制在45℃，还原剂添加次数为3次。实验结果见图4：

图4 反应时间对除铁效果的影响

由实验结果分析并不是反应时间越长越好，在20～35分钟时白度上升趋势较为明显，但在37分钟左右后白度缓慢下降，可能因为部分被还原的铁重新被空气氧化。该实验的化学反应十分迅速，即使有过剩的药剂，也会很快分解掉，延长反应时间提高白度效果并不明显。因此漂白时间既不能过长，也不能太短，时间过长既浪费药剂，又达不到预期实验要求，因为空气中的氧会导致Fe2+氧化成Fe3+；时间过短，白度达不到要求。一般反应时间控制在30～35分钟内，此时除铁漂白的效果最佳。

2.5 洗涤对除铁效果的影响

将Fe3+转化为Fe2+只是完成了除铁的第一步,紧接着应迅速洗涤浆液,否则Fe2+在很短时间内被空气中的O2又氧化成Fe3+,达不到除铁的目的。因此洗涤环节非常重要,洗涤时首先将浆液中的Fe2+及阴离子大部分通过过滤除去,然后将留在滤渣中的Fe2+及阴离子用清水滤洗并使其接近呈中性,使Fe2+全部滤出不留在滤渣中，这样方可达到除铁的目的。

3 小结

通过以上膨润土除铁初步研究得出:采用较高温度溶解制浆，在pH=8的条件下,先调pH值后酸化,抽滤多洗的方法可以较好地除去膨润土中的Fe3+离子,达到除铁的目的,本实验为该领域的进一步研究提供了借鉴，同时也有利于膨润土在科技含量较高的领域中的应用。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.067

经怀德（1973,12—），男，安徽六安人，安徽六安市第一中学高级教师，六安市第一中学教务处副主任,现在安徽大学攻读硕士学位,研究方向为应用无机化学；

袁孝友（1956,2—）男，博士,教授.现任安徽大学化学化工学院副院长,研究领域:1，应用电化学 2，纳米材料与纳米结构 3，氢能源及太阳能利用。