酸浸法除陶瓷粘土中铁杂质的实验研究

王喜全 高菲菲

（辽宁科技大学化工学院环境工程系，辽宁鞍山114051）

0 引言

近年来，陶瓷产业发展突飞猛进，使得优质矿物原料越来越紧缺，对中低品质的矿物原料进行优质化处理，提高陶瓷产品质量,已是发展陶瓷工业中急待解决的问题。铁杂质是陶瓷生产中主要的有害物质,若原料中铁杂质含量超过一定的水平，将大大影响陶瓷产品的白度、介电性能和化学稳定性，从而影响产品的质量，因此，对陶瓷产品来说铁杂质的含量要严加控制，高质量的瓷器要求铁含量在0.58%以下[1-2]。

1 实验部分

1.1 原矿处理

本实验采用的是产自佛山的陶瓷原矿。首先将原矿进行洗涤，除去部分杂质，将样品风干后，用破碎机粉碎，通过60目尼龙筛，除去大颗粒物质,然后将筛分后的样品用玛瑙研钵磨细，通过200目的尼龙筛，摇匀，装瓶备用。

1.2 陶瓷粘土化学成分分析

粘土样品的主要化学成分分析见表1。可以看出粘土的主要成分为SiO2，Al2O3和Na2O，其中氧化铁的含量较高，氧化钛的含量较少，由此可见，氧化铁是其主要的呈色物质，它影响了陶瓷粘土白度的提升。

图1为佛山陶瓷土样品的扫描电镜照片。由图1分析可知,此陶瓷粘土的晶形为片状，分散的片状晶体大小不一,以部分有序、部分无序的形式聚积在一起。

1.3 实验仪器及试剂

实验仪器：电子天平、电热恒温水浴锅、干燥箱、可见分光光度计、马弗炉、抽虑装置等。

实验试剂：盐酸、草酸、硫酸、邻啡啰啉、氢氧化钾、醋酸钠溶液、去离子水、盐酸羟胺溶液

1.4 实验方法

取5g预处理后的粘土置于烧杯，用去离子水配置成一定浓度的矿浆，加入20ml一定浓度的盐酸溶液，待水浴锅的水温升至预定温度后,放入烧杯，搅拌均匀。达到设定的反应时间时,取出烧杯并置于冷水中,此时反应结束。经抽滤、水洗,直至滤液接近中性，然后将所得陶瓷粘土在105℃下干燥。取0.5g干燥后的粘土于石墨坩埚中，加4g氢氧化钾在高温炉中550℃下熔融30min，取出冷却后，用去离子水将熔块溶入烧杯内，加20mL浓盐酸后转入250mL容量瓶中，用水稀释至刻度线摇匀待测，采用邻啡啰啉法测定其铁的含量。

2 实验结果及讨论

2.1 原矿中铁的含量

采用邻啡啰啉法对原料样品中的铁含量进行测定，其结果如表2所示。

2.2 不同酸对去除粘土中铁杂质的影响

在矿浆浓度为15%、酸浓度为15%、浸出反应时间为120min，浸出温度为60℃的条件下，不同种类的酸对陶瓷粘土的浸出除铁效果如表3所示。

表1 粘土样品的主要化学成分（%）Tab.1 Chemical composition of the clay sample

从表3可知，用盐酸作酸浸剂，除铁效果要优于硫酸以及草酸，处理后粘土中Fe2O3含量可降到0.49%,除铁率达到48.96%,因此，本实验将采用盐酸作为酸浸剂。

2.3 酸浓度对去除粘土中铁杂质的影响

在矿浆浓度为15%、浸出反应时间为90min，浸出温度为50℃条件下，不同盐酸浓度对除铁效果如图2所示。

由图2可知，随着盐酸浓度的增大铁含量逐渐降低。盐酸对原料中的铁矿石有一定的溶解性，试样中的含铁矿物与酸作用形成 Fe3+或 Fe2+而溶出；此外，FeO、Fe2O3、Fe(OH)3等铁矿物在中性水溶液中溶解度很小。当改变环境的酸度，以上铁矿物的溶解度也将随着改变。铁属于过渡元素，其阳离子外围存在多条空轨道，在酸性条件下可作为络合物的中心离子，形成络合物。所以随着浓度的增加，铁含量逐渐降低。但高浓度的盐酸会将粘土中铝与铁杂质一起浸出，破坏其结构，当酸浓度为15%时，铁含量为0.56%已达到标准要求。因此取盐酸浓度15%。

2.4 酸浸时间对去除粘土中铁杂质的影响

当盐酸液浓度为15%、矿浆浓度以15%、浸出温度为50℃条件下,酸浸的不同时间对去除粘土中铁杂质的影响结果如图3所示。

由图3可知,浸出反应需要一定时间,时间的长短直接影响处理的效果。为了使反应充分,提高处理效果,需一定的反应时间,但酸浸时间超过120min时，随着酸浸时间的延长，除铁率增加趋于缓慢。随着反应的进行,Fe3+或Fe2+的溶出，氢离子不断消耗，其反应FeO+2H+→Fe2++H2O或Fe2O3+6H+→Fe3++3H2O逐渐达到平衡，铁杂质的去除效果不明显，综合生产成本考虑，确定最佳浸出时间为120min。

2.5 酸浸温度对去除粘土中铁杂质的影响

在盐酸液浓度为15%、矿浆浓度以15%、浸出时间为120min条件下，不同的酸浸温度对去除粘土中铁杂质的影响结果如图4所示。

从图4中可以看出，随着温度的升高,产品中铁杂质含量逐渐下降。根据Arrhenius公式1nK=1nA-Ea/RT可知，T值增加,Ea/RT减小,K值增大。即温度升高,浸取速率常数增大,反应速度加快。即酸与原料中的铁杂质反应速度加快。当温度达到60℃后,铁含量可降至0.49%以下，已达到质量标准要求。此外，随着温度升高，氯化氢气体挥发较快，酸液中盐酸含量降低，与粘土中铁杂质反应的酸含量降低，原料中铁杂质的去除效果不明显，同时，温度升高会影响粘土本身的结构，综合考虑确定酸浸的最佳温度为60℃。

2.6 矿浆浓度对去除粘土中铁杂质的影响

在盐酸浓度为15%、浸出反应时间为120min,浸出温度为60℃条件下，不同的矿浆浓度对去除粘土中铁杂质的影响结果如图5所示。

由图5可知，矿浆浓度以15%为宜。随着矿浆浓度的增大，粘土的分散性能越来越差，呈现糊状，流动性差，难以分散，试剂不能完全浸透物料；此外，矿浆浓度增大，细小的粘土颗粒容易团聚成块，包覆了许多染色离子，使其不能充分与试剂反应，影响处理效果。综合考虑，最适矿浆浓度为15%。

表2 邻啡啰啉分光光度法测定粘土中铁的含量Tab.2 Determination of iron content in clay by phenanthroline spectrophotometry

表3 不同酸对去除粘土中铁杂质的影响Tab.3 Effects of different acids on iron removal from clay

3 结论

（1）实验表明，采用酸浸法能有效去除粘土中的铁杂质，使粘土的白度增加；试验了硫酸、盐酸、草酸对铁的去除效果，盐酸最好。

（2）盐酸浓度为15%、酸浸温度为60℃、酸浸时间为120min、矿浆浓度为15%时，对铁的去除率最高，可达近50%，可将粘土中的铁含量从0.96%降至0.5%以下，达到陶瓷工业用土产品化学成分和物理性能要求TC-1标准。

1 王万起.阜新某高岭土除铁增白试验研究:[硕士学位论文].阜新:辽宁工程技术大学,2009

2 蔡丽娜.风化型高岭土增白技术研究:[硕士学位论文].河南:河南理工大学,2009

3 吴小缓，王文利.我国高岭土市场现状及发展趋势.非金属矿,2005，28(4):1～4

4 魏盼中,周涛,许海曼,杨静思.高岭土除铁增白的实验研究.中国粉体技术,2010,16(3):66-68.

5 孙宝岐.高岭土的化学漂白提纯.江苏陶瓷,1994,64(1):2～7

6 魏克武.高岭土酸浸除铁.非金属矿,1992(2):29

7 李永聪.对武安高岭土除铁工艺研究.中国矿业,2002,11(3):67～68

8 朱伟长,杨文雁,闫勇.酸浸法去除石英粉中铁杂质.安徽工业大学学报，2008，25(3):267～269