哈密某膨润土的性能表征与提纯

2014-10-31 02:36:38李志娟王晓飞周岐雄刘广军
金属矿山 2014年9期
关键词:磷酸钠蒙脱石膨润土

李志娟 王晓飞 周岐雄 李 洪 刘广军

(1.新疆大学化学化工学院,新疆乌鲁木齐830046;2.新疆德安环保科技有限公司,新疆乌鲁木齐830026)

新疆拥有丰富的膨润土资源[1]。位于哈密市巴里坤县境内的拉伊格来克膨润土矿,333+334级总储量约5.1亿t,其蒙脱石含量、胶质价、膨胀容较高,蒙脱石含量达到工业品级,是我国目前探明的唯一大型钠基膨润土矿。

由于精细化工、轻工日化生产对膨润土中蒙脱石含量有较高的要求,而该膨润土含有一定量的长石、叶腊石、石英等杂质成分,因此,必须脱除这些杂质才能满足制备新材料、生产某些无机精细化学品(如白炭黑、4A分子筛等)及系列有机膨润土的要求[2-3]。

本研究将对该膨润土进行性能测试与表征,并对化学提纯与高速离心提纯效果进行对比,以确定该膨润土的高效、低耗提纯工艺。

1 试样

试样取自提纯、除杂加工厂的原料输送皮带。除杂加工厂的原料自采场采出后,经颚式破碎机碎至20~0 mm,堆置约60 d后,其蒙脱石含量达78%,主要化学成分分析结果见表1。

表1 试样主要化学成分分析结果Table 1 Main chemical components of the sample %

从表1可以看出,试样中Na2O含量为5.57%,明显高于MgO、CaO含量,显示出钠基膨润土的典型特征,此外,Fe2O3含量较高是该原料的又一特征。

2 试验药剂及仪器

(1)六偏磷酸钠、亚甲基蓝、碳酸钠、盐酸均为分析纯,由天津盛淼精细化工有限公司生产。

(2)试验仪器见表2。

表2 主要试验仪器Table 2 Main experimental instruments

3 性能表征与试验方法

3.1 性能测定与表征

膨润土的性能测定内容主要包括酸碱度、吸蓝量(用亚甲基蓝测定)、蒙脱石含量、胶质价、膨胀容和阳离子交换量等[4-6]。吸蓝量测定参照《ZBJ31009—1990 铸造用膨润土和粘土》;蒙脱石含量以吸蓝量表征,即蒙脱石含量(%)=吸蓝量/0.442;胶质价、膨胀容测定参照DZG93—06 非金属矿物化性能测试规程;阳离子交换量测定依据JC/T593—1995 膨润土试验方法。

对膨润土性能的表征,可以更好地揭示其结构与性质的关联度,为膨润土的后期深加工,尤其是制备有机膨润土提供基础数据。

(1)红外光谱(FTIR)分析采用KBr压片,扫描范围为4 000~400 cm-1。

(2)X射线衍射(XRD)分析采用Cu/Ni辐射,管电压、管电流为40 kV、100 mA,扫描速度为2°/min。

(3)扫描电镜(SEM)分析的加速电压为20 kV、电流为3 mA。

3.2 除杂提纯方法

除杂、提纯的方法主要有高速离心法和化学提纯法。

(1)高速离心法。将+200目试样制成不同浓度的土浆悬浊液,搅拌均匀后分装在100 mL的离心管内,在一定转速下离心分离一定时间,将弃去下层杂质的产品于105℃下烘干,研磨、过200目筛,即得膨润土精矿。

(2)化学提纯法。用4%的碳酸钠溶液或2%的HCl溶液调节一定浓度的六偏磷酸钠溶液的pH值,投入+200目试样,制成不同浓度的土浆悬浊液,搅拌均匀后分装在100 mL的离心管内,在60℃恒温水浴中加热、强力搅拌1 h(通过不断加水保持浆液体积基本不变),然后保温静置1 h,小心转移出上层浆液,并在105℃烘干,研磨、过200目筛,即得膨润土精矿。

4 试验结果与讨论

4.1 性能测定与表征

4.1.1 理化性能测定

试样的理化性能测定结果见表3。

表3 试样的理化性能测定结果Table 3 Results of the physico-chemical properties of the sample

从表3可以看出:①试样的pH=8~9,表明该试样为弱碱性膨润土。②试样的吸蓝量为0.35 g/g,远高于一般钠基膨润土0.2 g/g的吸蓝量;胶质价为54 mL/g,胶质性能较好;膨胀容为27 mL/g,远高于钙基膨润土10 mL/g的膨胀容;阳离子交换量为1.01 mmol/g,天然蒙脱石的阳离子交换量为0.70~1.4 mmol/g[6],综合以上信息,可知该试样属优质膨润土矿。

4.1.2 性能表征

4.1.2.1 XRD分析

膨润土中整齐有序的硅酸盐片层在XRD图谱中会出现对应的衍射峰,用Bragg方程及测得的衍射角可以计算出膨润土片层间距[7]。试样的XRD图谱见图1。

由图1可以看出,原矿的主要成分为蒙脱石,杂质主要为叶腊石、长石、石英。蒙脱石的衍射峰峰形尖锐,峰脚较窄,是典型钠基膨润土的特征[8],计算出的晶层间隔为1.265 mm。

图1 试样的XRD图谱Fig.1 XRD spectra of the sample

4.1.2.2 FTIR分析

试样的FTIR图谱见图2。

图2 试样的红外光谱图Fig.2 Infrared spectra of the sample

从图 2可以看出,3 634.54 cm-1与3 459.64 cm-1间强而宽的吸收带由层间水的伸缩振动造成;1 646.39 cm-1处的吸收峰由层间水羟基的弯曲振动造成;1 040.16 cm-1附近较强的、宽敞的吸收带为钠基膨润土的特征吸收峰,主要是由于钠基膨润土中钠、镁、铝等离子的水化性较强,使膨润土层表面与水的氢键作用加强,Si—O键吸收减弱,甚至消失,从而导致 Si—O和 Si—O—Si的吸收峰兼并为单峰所致[9];796.78 cm-1处的吸收峰由 Si—O—Al的弯曲振动造成;525.07 cm-1处的吸收峰为 Si—O—Al和Si—O—Na的伸缩振动造成,这些都是硅酸盐的典型谱带。

4.1.2.3 SEM分析

膨润土矿物颗粒形态与层电荷大小、层间阳离子类型及水化状态等关系密切,在电镜下一般呈边界不清的、凝聚成不同大小的团块或絮状集合体。试样的扫描电镜图片见图3。

从图3(a)可以看出,大多数膨润土颗粒小于20 μm,晶体呈细鳞片状或花絮状,轮廓不清晰,颗粒边缘不规整,表现出钠基膨润土的特征[8-10];从图3(b)可以看出,蒙脱石的片层结构清晰,衔接紧密,基本呈平行延伸状态,部分已剥离,呈断裂状,层间隔一般在1 nm左右。

图3 试样的SEM图片Fig.3 SEM photograph of the sample

4.2 除杂提纯试验

4.2.1 高速离心提纯

4.2.1.1 浆液浓度对提纯效果的影响

浆液浓度对提纯效果影响试验的离心机转速为2 500 r/min,分离时间为15 min,试验结果见图4。

图4 浆液浓度对提纯效果的影响Fig.4 Effects of slurry concentration on purification

从图4可以看出,随着浆液浓度的提高,膨润土精矿吸蓝量下降。这主要是由于浆液黏度随浆液浓度的提高而提高,从而影响了浆液中杂质的沉降。因此,确定浆液浓度为6%。

4.2.1.2 离心分离时间对提纯效果的影响

离心分离时间对提纯效果影响试验的浆液浓度为6%,离心机转速为2 500 r/min,试验结果见图5。

从图5可以看出,随着离心分离时间的延长,膨润土精矿吸蓝量先显著上升后维持在高位。因此,确定离心分离时间为15 min。

4.2.1.3 离心机转速对提纯效果的影响

离心机转速对提纯效果影响试验的浆液浓度为6%,离心分离时间为15 min,试验结果见图6。

图5 离心分离时间对提纯效果的影响Fig.5 Effects of centrifuge time on purification

图6 离心机转速对提纯效果的影响Fig.6 Effect of centrifuge speed on purification

从图6可以看出,随着离心机转速的提高,膨润土精矿吸蓝量先上升后下降,高点均在2 500 r/min时,对应的吸蓝量和蒙脱石含量分别为0.429 g/g、97.00%。过高的离心机转速使蒙脱石和其他杂质都集拢在离心管底部,影响蒙脱石和其他杂质的分离。因此,确定离心机转速为2 500 r/min。

4.2.2 化学提纯

4.2.2.1 六偏磷酸钠浓度对提纯效果的影响

六偏磷酸钠浓度对提纯效果影响试验的浆液浓度为5%,溶液的pH=7.0,试验结果见图7。

图7 分散剂六偏磷酸钠浓度对提纯效果的影响Fig.7 Effects of concentration of dispersant sodium hexametaphosphate on purification

从图7可以看出,随着六偏磷酸钠浓度的提高,膨润土精矿吸蓝量先上升后下降,高点在六偏磷酸钠浓度为0.075%时。因此,确定六偏磷酸钠浓度为0.075%。

4.2.2.2 pH值对提纯效果的影响

pH值对提纯效果影响试验的六偏磷酸钠浓度为0.075%,浆液浓度为5%,试验结果见图8。

图8 pH值对提纯效果的影响Fig.8 Effects of different pH value on purification

从图8可以看出,随着浆液pH值的升高,膨润土精矿的吸蓝量先上升后下降,高点在pH=7.0时。因此,确定浆液的pH=7.0。

pH值超过7.0以后,随着pH值的升高,提纯指标下降,主要是由于浆液中多余的六偏磷酸钠会越来越多地电离出过量的Na+,当膨润土端面达到吸附饱和后,过量的Na+和膨润土通过离子交换,使原来处于扩散层的过量Na+挤进膨润土的吸附层,造成膨润土颗粒中心电位的下降、静电斥力的减少,从而引起膨润土絮凝,土浆黏度的上升最终将影响提纯效果[11-12]。

4.2.2.3 浆液浓度对提纯效果的影响

浆液浓度对提纯效果影响试验的pH=7.0,六偏磷酸钠浓度为0.075%,试验结果见图9。

图9 浆液浓度对提纯效果的影响Fig.9 Effects of different slurry concentration on purification

从图9可以看出,随着浆液浓度的提高,膨润土精矿的吸蓝量先上升后下降,高点在浆液浓度为7%时。因此,确定浆液浓度为7%,对应的吸蓝量为0.418 g/g、蒙脱石含量达94.70%。

4.2.3 提纯试验小结

(1)从试验结果看,离心法提纯、除杂效果优于化学法。离心法的膨润土精矿的吸蓝量为0.429 g/g、蒙脱石含量为97.00%,化学法的膨润土精矿的吸蓝量为0.418 g/g、蒙脱石含量为94.70%。

(2)相比较而言,离心法需要较大型的离心设备,设备投资和生产能耗均较高;而化学提纯法工艺简单、操作方便,生产成本较低。

(3)具体生产工艺可根据产品质量要求确定。

5 结论

(1)哈密市巴里坤县拉伊格来克膨润土的化学成分分析和XRD、FTIR、SEM分析结果表明,该膨润土矿为典型钠基膨润土,其蒙脱石含量达78%、吸蓝量为 0.35 g/g、胶质价为 54 mL/g、膨胀容为 27 mL/g、膨润土阳离子交换量为1.01 mmol/g,属优质钠基膨润土矿。

(2)试样提纯除杂试验研究表明,投资与运行成本较高的高速离心法可以制备高品质膨润土精矿,在浆液浓度为6%、离心分离速度为2 500 r/min、离心分离时间为15 min情况下,所获得的膨润土精矿吸蓝量为0.429 g/g、蒙脱石含量为97.00%;工艺技术简单、生产成本较低的化学法提纯效果略低,在浆液浓度为7%、pH=7.0、六偏磷酸钠浓度为0.075%情况下,所获得的膨润土精矿吸蓝量为0.418 g/g、蒙脱石含量为92.70%。

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