丙三醇液相插层制备优级煤系高岭土

杜雅琴，赵建国,∗，潘启亮,，宋 洁，王海青,

（1.山西大同大学化学与环境工程学院，山西大同037009；2.山西大同大学炭材料研究所，山西大同037009）

丙三醇液相插层制备优级煤系高岭土

杜雅琴1，赵建国1,2∗，潘启亮1,2，宋 洁2，王海青1,2

（1.山西大同大学化学与环境工程学院，山西大同037009；2.山西大同大学炭材料研究所，山西大同037009）

以大颗粒的煤系高岭土矿为原料，丙三醇为插层剂，通过插层空化工艺、湿法球磨、喷雾干燥制备优级高岭土。通描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)等对煤系高岭土产品的微观形貌结构和成份进行分析，采用白度仪测定样品白度。结果显示，所得样品晶态好、白度高、细度小、纯度高、颗粒分布均匀，远高于优级高岭土的要求。

煤系高岭土；丙三醇；插层空化法；湿法球磨；喷雾干燥

高岭土是一种非金属矿产，优质的高岭土细腻洁白，呈软土状，含杂质的高岭土带灰、黄、褐等颜色。其化学式Al2O3·2SiO2·2H2O[1-2]，其中Al2O3占41.2% ，SiO2占48.0%，H2O占10.8%。高岭土在陶瓷、造纸、颜料、油漆以及石油等行业中有着广泛的应用。

高岭土类矿物属于1∶1型层状硅酸盐，晶体主要由硅氧四面体和铝氧八面体构成[3]。两层面间氧原子与羟基极性相差较大，容易形成氢键，而且氧层与羟基层存在不对称效应，使得层间连接紧密，因此高岭土不易散开。

煤系高岭土矿是煤的共伴生矿产，储量高，但为黑褐色的块状矿石,不能直接用于工业生产,必须对其进行细化和煅烧增白处理[4-6]。其中细化可以通过插层的方法控制[7]。

有机分子与高岭土插层时遵循电子转移，即原有的氢键断开，插层剂与层间羟基或氧产生新的氢键。插层剂与高岭土形成氢键时分为给出质子和接受质子2种类型。含-NH2-的质子给出类型的插层剂，与高岭土层间的硅氧层产生-NH-OSi氢键；含C=O或S=O的质子接受类型的物质，通过与高岭土层间的羟基形成-O=C-H-OAl或-O=S-H-OAl氢键。这2类氢键都很弱，所以有机分子小分子与高岭土插层反应中间物不稳定，水洗、加热等都会使插层小分子与高岭土分离，促进了高岭土的细化。

本论文采用丙三醇作插层剂，通过插层空化工艺、湿法球磨、喷雾干燥对煤系高岭土矿进行处理，经过SEM、XRD、EDS、白度仪等方式对样品的形貌、结构和成份、白度进行表征。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

丙三醇(AR，天津市化学试剂批发公司)，六偏磷酸钠(二级，北京化工厂)，煤系高岭土矿。

FA1104电子天平，FW80高速万能粉碎机，GZX-9076数显鼓风干燥箱，85—2恒温磁力搅拌器，SM—1200D超声波细胞粉碎机，YM-6000Y喷雾干燥机，XQM-04行星式球磨机，KSY—6D—16马弗炉，MAIA3 TESCAN高分辨率扫描电镜，Oxford X-act能谱仪，Bruker D8 Focus X射线粉末衍射仪，WSB-2白度仪，C84-III反射率测定仪。

1.2 材料的制备

将大块煤系高岭土矿粉碎成小块，用FW80高速万能粉碎机将其粉碎，用100目的筛子进行筛分。

取一定量的丙三醇、40 mL蒸馏水于烧杯中，在恒温磁力搅拌器上搅拌2 min，制成丙三醇溶液；加入2 g(NaPO3)6、20 g高岭土矿（100目）继续搅拌10 min，得混合液；将制备的混合液放入超声波细胞粉碎机中进行超声空化处理、使用球磨机球磨后进行喷雾干燥。将上述所得样品置于马弗炉中1 000℃，焙烧6 h后得最终产品。

2 结果与讨论

2.1 山西大同煤系高岭土的X射线衍射分析(XRD)

从图1可见，山西大同煤系高岭土的XRD射线图谱中，其衍射峰数目、位置、峰形经与高岭土的标准谱图卡片（PDF：15-0776)对比，非常接近；这表明经过该工艺制备的高岭土样品结晶程度高、所含杂质少，为其优质高岭土的制备提供了有利的保证。

图1 煤系高岭土的XRD图

2.2 煤系高岭土的扫描电子显微镜 (SEM)分析

图2中显示，经过该工艺制得样品颗粒分散均匀，粒度远高于优质高岭土（90标准）的要求，达到了纳米级别。

图2 山西大同煤系高岭土的SEM图

2.3 能谱表征（EDS）

图3表明，该工艺制备的高岭土杂质含量极低、纯度高。煤系高岭土区别于非煤系高岭土的主要方面是前者在含有大量的结构有机碳，通过液相插层工艺，在大颗粒高岭土矿的基础上打开高岭土的层状结构，使处于层中的有机碳通过进行灼烧含量大大的降低，相较于一般的方法，除炭更为彻底。

图3 煤系高岭土的EDS图

2.4 白度测试

采用白度仪测定高岭土的白度，平行测定5次，得平均值96.4。煤系高岭土矿为黑色硬质矿，纯度高，几乎不含铁、钛，但是其结构中的有机碳极难除去，通过该工艺使其矿中的有机碳充分燃烧而达到很好的除杂，使其所得高岭土白度很高，远高于优级（90标准）高岭土的标准，可直接用作优质原料。

3 结论

对于煤系高岭土矿常用的除杂、增白工艺，其除去结构中的有机碳不彻底，导致高岭土的纯度、白度不高，无法用作造纸、高档陶瓷、高档涂料、塑料的优质原料。本研究在以丙三醇做插层剂，经过插层空化工艺、湿法球磨、喷雾干燥工艺后所制备的高岭土，在原料粒度大的基础上仍能够脱碳彻底，形成晶态好、白度高、细度小、纯度高、颗粒分布均匀达到优质原料的要求。

参考文献

[1]费进波，田熙科，皮振邦.纳米级高岭土表面性能的理论分析及相关实验研究[J].中国非金属矿工业导刊，2006（1）：30-32.

[2]Sun W，Liu W L，Hu Y H.FTIR Analysis of Adsorption of Poly Diallyl-dimethyl-ammonium Chloride on Kaolinite[J].J Cent South Univ Technol，2008，15：373-377.

[3]孙传尧,印万忠.关于硅酸盐矿物的可浮性与其晶体结构及表面特性关系的研究[J].矿冶,1998（15）：233-234.

[4]邹健彪.一种利用煤矸石制备煅烧高岭土的方法[P].中国，CN102730709A.2012-10-17.

[5]程宏飞，刘钦甫，赫军凯，等.机械--化学法制备超微细高岭土研究[J].煤炭工程，2011（6）：103-106.

[6]梁志宝.煤系高岭土的改性试验研究[J].中国非金属矿工业导刊，2013（5）：24-27.

[7]曹青,李洪贺.三种有机插层剂对高岭土的改性研究[J].世界科技研究与进展,2014（12）：123-125.

Preparation of Premium Grade Coal Kaolin by Liquid-phase Intercalation with Glycerol

DU Ya-qin1,ZHAO Jian-guo1,2∗,PAN Qi-liang1,2,SONG Jie2,WANG Hai-qing1,2
(1.School of Chemistry and Environmental Engineering,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009;2.Research Institute of Carbon Matericls,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009)

The kaolinite was prepared through the intercalation cavitation process,wet ball-milling,spray drying using the large particles of coal-based kaolinore as raw material and glycerol as intercalation agent.The microstructure and composition of coal kaolin products were analyzed by electron microscopy(SEM),energy dispersive spectrometer(EDS)and X-ray diffraction(XRD).The shiteness of the sample was measured by a whiteness,small fineness,high purity and uniform distrbution of particles,which much higher than of gorden gade.

coal kaolin;propanetriol;intercalation caviation;wet ball-milling;spray dry

P578.965

A

1674-0874(2017)02-0025-03

〔责任编辑 杨德兵〕

2017-02-03

山西大同大学校级青年科研项目经费[2015Q7]；大同市科技公关项目[2015Q24]

杜雅琴（1971-）女，山西应县人，硕士，实验师，研究方向：纳米陶瓷材料的制备及应用；∗赵建国，男，教授，博士生导师，通信作者。