煤系高岭土煅烧与微生物提质试验研究

闫 爽，刘世峰，王冬旭

(辽宁工程技术大学矿业学院，阜新 123000)

0 引 言

随着矿产资源的开发与利用，优质的高岭土资源已经日趋减少，我国大多数地区的高岭土质量优良的少、拙劣的多，已无法达到高岭土生产质量的要求，所以开发利用质量较差的煤系高岭土势在必行[1-3]。我国拥有丰富的煤系高岭土资源，探明储量16.73亿吨，开发应用价值极高，而高岭土的白度和含铁量是决定其应用价值的重要指标之一，碳、铁杂质通常使其着色，影响其白度和其他性能[4-7]。本试验拟对辽宁凌源煤系高岭土中的铁赋存形式进行分析，先采取煅烧的方法去除碳质，再利用生物方法去除铁杂质并进行正交试验分析影响除铁的因素，寻求最优去除方案。

1 成分分析

1.1 矿物组成分析

首先将辽宁凌源煤系高岭土磨矿至-325目，再采用布鲁克AXS公司的D8型X射线衍射仪对矿物进行测试分析。工作电压40 kV，工作电流40 mA，辐射源为Cu Kα射线，扫描速度0.04°/s，衍射角5°～80°，测试结果如图1所示。

从图1中可见高岭石的基面强衍射峰，也可见其他的特征峰，所以矿石中的主要矿物为高岭石族矿物，杂质主要为赤铁矿和碳质，由于碳质的存在，导致矿物的颜色为煤黑色，针对存在的碳质采用煅烧的方法将其除去；而铁杂质也是影响其白度的主要因素，故寻求有效的去除方法显得尤为重要。

1.2 电子显微镜分析

分析之前，在样品上涂了金，随后在JSM-7500F型扫描电子显微镜下进行分析，加速电压5 kV，分别放大2 000倍、5 000倍、10 000倍和20 000倍，如图2所示。

从图(b)、图(c)中可以清晰看出原矿中主要以层片状的高岭石为主，表面凹凸不平，颗粒较细且粒度大小不等，并且结构致密，颗粒团聚的现象也比较明显，高岭石周围也紧密伴生着其它细粒级矿物[8]，主要粒度集中在1～20 μm之间，同时高岭石的表面也掺杂着一些碳质，使其表面颜色加深，而铁杂质则存在于高岭石的晶格结构中。

图2 原矿SEM照片Fig.2 SEM images of raw ore

2 实 验

2.1 煅烧除碳试验

煤系高岭土的煅烧主要是为了脱除有机碳质，从而提高产品的白度，同时高岭土经过煅烧也可以提高其化学活性以及孔隙率。煅烧温度、恒温时间、升温时间是影响高岭土煅烧的主要因素，试验对以上三个主要因素进行探究。

2.1.1 煅烧温度对煅烧白度的影响

对原矿进行煅烧试验，煅烧设备采用马弗炉，在温度为105 ℃时将2 g煤系高岭土放入马弗炉中，升温时间3 h，恒温时间2.5 h，煅烧温度设置8个水平，750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃、1 100 ℃，试验结果如表1所示。

表1 不同煅烧温度试验结果Table 1 Test results of different calcination temperatures

由表1可知，随着煅烧温度的增加，煅烧白度逐渐增加，当煅烧温度为1 000 ℃时，煅烧白度达到最高的87.57%，随着温度继续升高，白度开始下降。分析是随着温度的升高，煤系高岭土中的有机碳质分解的更加彻底，所以白度逐渐增加，当有机碳质分解完全以后继续升高温度，原料中的铁杂质在煅烧的过程中被氧化致使白度下降，呈现红白色，虽然当煅烧温度在1 000 ℃煅烧白度达到最高，但此温度下煅烧高岭土不易控制，容易形成莫来石，故选择煅烧温度950 ℃较为适宜，在此温度条件下，煅烧白度可达86.66%。

2.1.2 恒温时间对煅烧白度的影响

为了确定恒温时间对煅烧白度的影响，在温度为105 ℃时将2 g煤系高岭土放入马弗炉中，升温时间3 h，煅烧温度为950 ℃，恒温时间设置6个水平，1 h、1.5 h、2 h、2.5 h、3 h、3.5 h试验结果如表2所示。

表2 不同恒温时间试验结果Table 2 Test results of different constant temperature time

由表2可知，随着恒温时间的增加，煅烧白度逐渐增加，当恒温时间为1 h时，煅烧白度较低为65.54%，说明恒温时间较短，煤系高岭土中的有机碳质还未完全分解，导致白度较低，当恒温时间为2.5 h时，煅烧白度为86.55%，继续增加恒温时间，煅烧白度基本不发生变化，说明当恒温时间为2.5 h时，有机碳质已完全挥发，故确定恒温时间为2.5 h。

2.1.3 升温时间对煅烧白度的影响

为了确定升温时间对煅烧白度的影响，在温度为105 ℃时将2 g煤系高岭土放入马弗炉中，煅烧温度为950 ℃，恒温时间2.5 h，升温时间设置4个水平，1 h、2 h、3 h、4 h试验结果如表3所示。

表3 不同升温时间试验结果Table 3 Test results of different heating time

由表3可知，升温时间较煅烧温度及恒温时间对煤系高岭土的煅烧影响较小，其中随着升温时间的增加，煅烧白度逐渐增加，当升温时间为1 h时，煅烧白度为73.47%，说明升温速率过快，脱羟脱碳不够彻底，当升温时间为3 h时，煅烧白度为86.58%，继续增加恒温时间，煅烧白度变化微小，故确定升温时间为3 h。

2.2 生物除铁试验

黑曲霉是曲霉真菌属中一个常见的菌种，是重要的发酵工业菌种，黑曲霉的生长会分泌产生有机混合酸，其中包括草酸、柠檬酸、葡萄糖酸、五倍子酸等，这种酸具有裂解大分子有机物和难溶无机物的作用，本试验拟利用这种混合酸浸出煅烧后的煤系高岭土中的铁杂质。

2.2.1 正交试验设计

试验所用黑曲霉菌种由东北师范大学生命科学学院提供。原始菌种接种到PDA液体培养基后置于28 ℃，120 r/min恒温震荡箱中，培养5 d，培养完成后，过滤，滤出的即为混合酸并备用于后续试验。确定正交试验考察的因素为：反应时间、初始pH值、矿浆浓度、保险粉用量。考察范围分别为：反应时间4～6 d、初始pH值1.5～2.5、矿浆浓度5%～15%、保险粉用量2%～4%。考察指标为Fe浸出率。

试验选取4个因素，每个因素取三水平，因素水平编码见表4。

表4 试验因素水平编码表Table 4 Experimental factor level coding table

2.2.2 正交试验结果分析

采用L9(34)正交表形式，共9组试验，每组重复3次，试验结果如表5所示。

表5 正交试验结果分析表Table 5 Analysis table of orthogonal test results

对表5中的数据进行分析后得知：

(1)在A3B2C1D2的条件下，即反应时间为6 d、初始pH值为2.0、矿浆浓度为5%、保险粉用量为3%时可使Fe浸出率达到最佳，为53.5%，并且测得其的白度为89.25%，较浸出前的白度试验效果显著。

(2)各因素对Fe浸出率影响大小顺序不同，影响顺序为：初始pH值>保险粉用量>矿浆浓度>反应时间。初始pH值对Fe的浸出效果影响最大，当pH值<2时，会过量消耗保险粉的用量，从一定程度上抑制了与Fe的反应，而当pH值>2时，会使还原反应进行的不够完全，无法达到最佳值；保险粉的用量也会从一定程度上影响Fe的浸出效果，当用量低于3%时，不能使Fe3+完全还原，而当用量高于3%时，一部分会与Fe3+还原，多余的部分会被氧化分解影响试验效果；矿浆浓度越高，无法全部与混合酸充分反应，从而使Fe浸出率下降；反应时间对Fe浸出率影响效果最小。

3 结 论

煅烧能够有效去除有机碳质，在煅烧温度950 ℃、恒温时间2.5 h、升温时间3 h的条件下煤系高岭土的煅烧白度可达86.66%；黑曲霉所产出的混合酸能够有效去除铁杂质，通过正交试验确定最佳条件为，反应时间为6 d、初始pH值为2.0、矿浆浓度为5%、保险粉用量为3%时可使Fe浸出率达到最佳为53.5%，测得其的白度为89.25%，较煅烧后增加了3%，符合高级煅烧高岭土的质量要求。